??? 摘 要： 針對(duì)UM71無(wú)絕緣軌道電路" title="軌道電路">軌道電路中補(bǔ)償電容" title="補(bǔ)償電容">補(bǔ)償電容的測(cè)量，設(shè)計(jì)了一種基于超低功耗單片機(jī)MSP430的補(bǔ)償電容以及鐵路信號(hào)頻率測(cè)量的便攜式測(cè)試儀。
??? 關(guān)鍵詞： 無(wú)絕緣軌道電路" title="無(wú)絕緣軌道電路">無(wú)絕緣軌道電路? MSP430? 補(bǔ)償電容? 在線(xiàn)測(cè)試
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??? 隨著列車(chē)車(chē)速的不斷提高，對(duì)列車(chē)軌道的要求也越來(lái)越高。原有的有絕緣軌道電路已無(wú)法滿(mǎn)足鐵路運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展的需要，因而世界各先進(jìn)工業(yè)國(guó)家開(kāi)始研制無(wú)絕緣軌道電路[1]。其中，以法國(guó)CSEE公司研制成功的UM71無(wú)絕緣軌道電路應(yīng)用最為廣泛。該系統(tǒng)于20世紀(jì)80年代末引入我國(guó), 這種無(wú)絕緣軌道電路利用諧振原理，把低頻調(diào)制的FSK信號(hào)(4種載頻，18種低頻)通過(guò)鋼軌進(jìn)行傳輸。由于平行的鋼軌具有等效感抗特性，嚴(yán)重影響信號(hào)傳輸?shù)木嚯x，為了使輸出信號(hào)不失真，在每一閉塞分區(qū)，每隔100米便安裝1個(gè)33μF的諧振電容，與鋼軌的等效電感組成串聯(lián)諧振電路來(lái)提高信號(hào)傳輸距離。為確保該系統(tǒng)工作正常，鐵路工作人員必須經(jīng)常沿鐵軌檢查軌道電路的運(yùn)行參數(shù)。其中重要的一項(xiàng)便是對(duì)并接補(bǔ)償電容容值的測(cè)量，而目前通用的電橋法電容測(cè)量設(shè)備無(wú)法進(jìn)行在線(xiàn)測(cè)量。對(duì)軌道上運(yùn)行的列車(chē)，補(bǔ)償電容離線(xiàn)測(cè)量存在巨大的安全隱患[2]。專(zhuān)用的UM71無(wú)絕緣軌道電路補(bǔ)償電容在線(xiàn)測(cè)量設(shè)備雖可進(jìn)行在線(xiàn)測(cè)量，但由于采用被動(dòng)測(cè)量方式，對(duì)鉗型電流傳感器的分辨能力要求很高，提高了設(shè)備復(fù)雜度，大大增加了設(shè)備的成本，并且設(shè)備體積較大，不便于攜帶。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種便攜式在線(xiàn)測(cè)試儀。
1 工作原理
??? 通過(guò)向待測(cè)電容兩端施加高于軌道電路本身所傳信號(hào)頻率的激勵(lì)信號(hào)" title="激勵(lì)信號(hào)">激勵(lì)信號(hào)，同時(shí)采集電容兩端的響應(yīng)信號(hào)，并將該信號(hào)經(jīng)帶通濾波器濾除噪聲后送至單片機(jī)MSP430（內(nèi)部含有A/D轉(zhuǎn)換器和采樣保持模塊）內(nèi)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。由于補(bǔ)償電容的容值同轉(zhuǎn)換后的數(shù)值之間存在著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)這個(gè)關(guān)系，把經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值同預(yù)先標(biāo)定好的數(shù)值進(jìn)行比較就可以得出其容值。該測(cè)量方法已通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了合理性。同時(shí)，本測(cè)試儀還具有對(duì)載頻和調(diào)頻頻率進(jìn)行測(cè)量的功能。由于待測(cè)信號(hào)為較高頻率的載頻信號(hào)和低頻調(diào)制信號(hào)調(diào)制成的混合信號(hào)，將此信號(hào)經(jīng)過(guò)零比較器比較后送至單片機(jī)內(nèi)的定時(shí)器計(jì)數(shù)得到載頻頻率，同時(shí)將該信號(hào)通過(guò)低通濾波器濾除較高的載頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)零比較器后送至單片機(jī)得到調(diào)制信號(hào)頻率。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
??? 該測(cè)試儀采用的是主動(dòng)測(cè)量方法，整個(gè)系統(tǒng)的框圖如圖1所示，主要由信號(hào)發(fā)生模塊、驅(qū)動(dòng)電路模塊、信號(hào)采集模塊、單片機(jī)和顯示模塊組成。
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2．1信號(hào)發(fā)生及驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)
??? 首要問(wèn)題是激勵(lì)信號(hào)頻率的選定，該儀器選擇的激勵(lì)信號(hào)頻率不能太低，若太低，根據(jù)感抗公式：XL=2πfL，將使得導(dǎo)軌感抗過(guò)小，這樣會(huì)形成補(bǔ)償電容的并聯(lián)效果，使測(cè)量失去意義。同時(shí)頻率也不能選擇太高，由于測(cè)量系統(tǒng)的內(nèi)阻在測(cè)量中起分壓作用，頻率過(guò)高將使得輸出電壓過(guò)小，影響測(cè)量系統(tǒng)的分辨率。綜合以上兩點(diǎn)并結(jié)合試驗(yàn)，選取的激勵(lì)信號(hào)頻率為10kHz。
本模塊設(shè)計(jì)" title="模塊設(shè)計(jì)">模塊設(shè)計(jì)思想是：對(duì)2MHz晶振的輸出進(jìn)行200分頻后得到穩(wěn)定的10kHz的方波信號(hào)，并將該信號(hào)經(jīng)達(dá)林頓管提高其驅(qū)動(dòng)能力。
2．2信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)
??? 通過(guò)測(cè)量探頭采集到的信號(hào)是比較微弱的，因此必須將該信號(hào)經(jīng)放大器進(jìn)行放大。由于鐵路的工作環(huán)境比較惡劣，采集到的信號(hào)不可避免地混入了干擾信號(hào)。在經(jīng)過(guò)放大器時(shí)干擾信號(hào)同樣被放大，這將嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果。為濾除該噪聲信號(hào)，本測(cè)試儀采用了MAXIM公司開(kāi)發(fā)的8階連續(xù)時(shí)間有源濾波器MAX274進(jìn)行濾波[3]。
2．3 鑒頻模塊設(shè)計(jì)
??? 采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)零比較器后被送入MCU的TimerA進(jìn)行計(jì)數(shù),從而得到較高頻率的載頻信號(hào)(1 700Hz、2 000Hz、2 300Hz和2 600Hz)的頻率。信號(hào)繼續(xù)經(jīng)低通濾波濾除高頻信號(hào)后，得到的就是低頻調(diào)制信號(hào)的頻率。
2．4 主控芯片和顯示模塊設(shè)計(jì)
??? 考慮到運(yùn)行環(huán)境等因素，最終選擇TI公司生產(chǎn)的高性能、超低功耗16位的單片機(jī)MSP430F147[4]為主控芯片。MSP430系列器件均為工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，運(yùn)行環(huán)境溫度為-40～+85℃，采用RISC結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式和較高的處理速度。MSP430系列單片機(jī)的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時(shí)靈活方便。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時(shí)，用中斷請(qǐng)求將它喚醒只需6μs。顯示部分采用的是低功耗，美觀的LCD液晶顯示模塊。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
??? 本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用高效的C語(yǔ)言編程，根據(jù)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要由系統(tǒng)初始化、電容容值測(cè)量、鑒頻及人機(jī)交互四個(gè)部分組成。
??? 整個(gè)系統(tǒng)軟件的工作流程如圖2所示。
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4 試驗(yàn)結(jié)果分析
??? 圖3所示為測(cè)得的容值同響應(yīng)信號(hào)電壓峰-峰值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從圖中可以看出：隨著待測(cè)電容容值的增大，響應(yīng)信號(hào)電壓的峰-峰值逐漸減小。根據(jù)這一對(duì)應(yīng)關(guān)系就可以得到電容的容值。假設(shè)以第一組數(shù)據(jù)為標(biāo)定數(shù)據(jù)，由圖3可知，第二組數(shù)據(jù)最大誤差為35.3－34.1＝1.2μF。由于33μF補(bǔ)償電容的精度一般為±10%。即實(shí)際值在29.7μF～36.3μF之間，由此可知，該測(cè)量結(jié)果是比較精確的。鐵路工作人員可以根據(jù)測(cè)量結(jié)果來(lái)確定電容是否需要更換。同時(shí)為減小測(cè)量誤差，可以進(jìn)行多次測(cè)量，取平均值作為標(biāo)定數(shù)據(jù)。
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??? UM71補(bǔ)償電容測(cè)試儀是應(yīng)實(shí)際需要而研制開(kāi)發(fā)的,實(shí)現(xiàn)了移頻軌道電路參數(shù)的在線(xiàn)測(cè)量，便攜易用，降低了員工勞動(dòng)強(qiáng)度，排除了由于補(bǔ)償電容離線(xiàn)測(cè)量導(dǎo)致的安全隱患。這種儀表具有直觀顯示電容容值以及傳輸信號(hào)的載頻和調(diào)頻頻率的功能。同時(shí)該測(cè)試儀具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、體積小、重量輕、便攜性好等優(yōu)點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)
[1] 程明景. UM71軌道電路在中國(guó)的應(yīng)用及改進(jìn). 甘肅科技, 2003,19(6):22-24.
[2]?韓佩富，高振天. UM71軌道電路補(bǔ)償電容在線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn).電子技術(shù)應(yīng)用, 2005,31(8)：38-40.
[3] 周俊,劉立柱，金俊利. 基于MAX274的有源帶通濾波器的設(shè)計(jì).電子工程師, 2002,28(12)：47-51.
[4] 王少卿，汪仁煌. 低功耗MSP430單片機(jī)在3V與5V混合系統(tǒng)中的邏輯接口技術(shù).電子技術(shù)應(yīng)用, 2002,28(10):16-19.