摘要：針對(duì)UM71軌道電路的特點(diǎn)，提出了一種在線(xiàn)測(cè)試其補(bǔ)償電容的方法。并基于單片機(jī)設(shè)計(jì)了一個(gè)補(bǔ)償電路在線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中取得了較好的效果，有一定的實(shí)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞：軌道電路 在線(xiàn)測(cè)試 補(bǔ)償電路 單片機(jī) 鐵路應(yīng)用 隨著鐵路運(yùn)量的增加，列車(chē)重量、行車(chē)速度和行車(chē)密度也將不斷提高，在這種情況下出現(xiàn)了高速列車(chē)和長(zhǎng)鋼軌線(xiàn)路。原有的絕緣軌道電路已不能適應(yīng)鐵路運(yùn)輸發(fā)展的需要，于是產(chǎn)生了無(wú)絕緣軌道電路。無(wú)絕緣軌道電路的長(zhǎng)鋼軌線(xiàn)路減小了列車(chē)運(yùn)行阻力以及列車(chē)振動(dòng)和噪聲，減少了鋼軌和機(jī)車(chē)輪緣之間的磨損。故世界各先進(jìn)工業(yè)國(guó)家均相繼研究和發(fā)展無(wú)絕緣軌道電路。UM71無(wú)絕緣軌道電路作為一種先進(jìn)的車(chē)列控制系統(tǒng)，于20世紀(jì)60年代在法國(guó)研制成功。由于其具有突出的優(yōu)點(diǎn)，很快被多個(gè)國(guó)家相繼采用。目前，該技術(shù)已相當(dāng)成熟。該系統(tǒng)自二十世紀(jì)80年代末引進(jìn)我國(guó)以來(lái)，已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用與發(fā)展。UM71軌道電路是一種移頻軌道電路，它的正常工作狀態(tài)關(guān)系到列車(chē)運(yùn)行的安全。為了保證該電路系統(tǒng)工作正常，列車(chē)電務(wù)段工作人員必須經(jīng)常沿鐵軌檢測(cè)軌道電路運(yùn)行參數(shù)。其中非常重要的一項(xiàng)參數(shù)便是兩軌間的并接補(bǔ)償電容，而對(duì)該補(bǔ)償電容的測(cè)量到目前為止還沒(méi)有一種有效的手段。原始的測(cè)量方法是靜態(tài)測(cè)試，即必須從鐵軌中打下電容，使之脫離該軌道電路，再用普遍電容表來(lái)測(cè)試。該方法笨拙，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，增加了工作人員的勞動(dòng)復(fù)雜度。而且由于打下電容，減少了軌道電路信號(hào)的傳輸距離，對(duì)列車(chē)行車(chē)安全造成威脅?；诖?，本文提出一種在線(xiàn)測(cè)試方法，十分方便快捷，對(duì)電務(wù)段工作人員也是一種解放。1 UM71系統(tǒng)概述 1．1 UM71系統(tǒng)構(gòu)成 UM71系統(tǒng)由設(shè)于室內(nèi)的發(fā)送器、接收器和軌道繼電器以及通過(guò)ZCO3電纜連接的置于鋼軌旁的空心線(xiàn)圈、調(diào)諧單元、匹配變壓器和補(bǔ)償電容等組成。如圖1所示。1．2 UM71系統(tǒng)的電路特點(diǎn) 列車(chē)行車(chē)過(guò)程中，為了傳送信號(hào)需要，UM71系統(tǒng)選用了四個(gè)較高的載頻信號(hào)：1700Hz、2000Hz、2300Hz和2600Hz信號(hào)。其中，下行線(xiàn)采用1700Hz、2300Hz信號(hào)交替配置；上行線(xiàn)采用2000Hz、2600Hz信號(hào)交替配置。為滿(mǎn)足列車(chē)速度控制等多信息需要，UM71軌道電路共有從10.3Hz開(kāi)始按1.1Hz等差遞增至29Hz的18種低頻信息。其頻偏Af為11Hz，故UM71軌道電路軌面上傳送的移頻信號(hào)由載頻fo、頻偏Af和低頻調(diào)制信號(hào)Fc三者構(gòu)成。如某區(qū)段載頻fo為2000Hz、低頻調(diào)制信號(hào)Fc為16.9Hz，則軌面移頻信號(hào)在（fo-Af）即1989Hz和（fo+Af）即2011Hz之間，每秒周期移動(dòng)16.9次。 1．3 UM71系統(tǒng)中補(bǔ)償電容的作用 由圖1可知，這種軌道電路每間隔100m在兩軌間并接一個(gè)電容器，一般為33μF,稱(chēng)為補(bǔ)償電容。補(bǔ)償電容是UM71軌道電路的重要組成部分，它的作用是改善軌道電路在調(diào)整狀態(tài)和分流狀態(tài)的傳輸特性，延長(zhǎng)軌道電路的傳輸距離，確保鋼軌中有足夠穩(wěn)定的信號(hào)電流經(jīng)鋼軌向機(jī)車(chē)發(fā)送信息。然而由于易受溫度、濕度以及人為因素的影響，會(huì)產(chǎn)生電容電特性參數(shù)漂移或接觸不良現(xiàn)象，導(dǎo)致補(bǔ)償電容的老化、失效或丟失，最終影響鐵路信號(hào)的正確傳輸。因此，如何方便有效地對(duì)補(bǔ)償電容進(jìn)行正確的測(cè)試檢查便顯得非常重要。 2 補(bǔ)償電容在線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì) 根據(jù)UM71系統(tǒng)的特點(diǎn)，可以采用如下方法，即施加一個(gè)頻率高于其本身所傳言信號(hào)頻率的下弦測(cè)試信號(hào)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)測(cè)試信號(hào)）于補(bǔ)償電容兩端，然后使電容兩端頻率信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波電路，濾除其本身的低頻信號(hào)，這樣濾波電路出來(lái)的就是人為施加的測(cè)試信號(hào)；再經(jīng)過(guò)整流電路，得到該測(cè)試信號(hào)的直流量；最后用A/D轉(zhuǎn)換器采樣，不同的電容值所反應(yīng)出來(lái)的變化了測(cè)試信號(hào)不同，從而確定補(bǔ)償電容的值。系統(tǒng)框圖如圖2所示。3 硬件設(shè)計(jì) 3．1 測(cè)試信號(hào)的產(chǎn)生 UM71系統(tǒng)本身傳送的信號(hào)有載頻信號(hào)（1700Hz、2000Hz、2300Hz、2600Hz）和低頻調(diào)制信號(hào)（從10.3Hz到29Hz）。本方案中測(cè)試信號(hào)頻率采用10khz。關(guān)于測(cè)試信號(hào)，可以利用集成運(yùn)放構(gòu)成正弦波振蕩電路來(lái)產(chǎn)生。不過(guò)，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了一些集成器件，功能強(qiáng)且使用方便，函數(shù)發(fā)生器ICL8038就是其中之一。ICL8038是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路，只需調(diào)整個(gè)別的外部元件就能產(chǎn)生0.001～300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號(hào)。輸出波形的頻率和占空比還可以由電容或電阻控制。另外，由于該芯片具有調(diào)頻信號(hào)輸入端，可以用來(lái)對(duì)低頻信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào)制。ICL8038測(cè)試電路如圖3所示。 輸出頻率由下式確定： 如設(shè)RA=RB=R，則f=(0.33/RC)，于是，經(jīng)過(guò)計(jì)算和試驗(yàn)，最后取R=3.3kΩ,C=0.01μF,可以得到較好的正弦波形。 3．2 功率放大電路的設(shè)計(jì) 本電路采用LM386對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行功率放大，以增強(qiáng)其驅(qū)動(dòng)能力。LM386是一種低電壓小功率音頻功放集成電路，使用外圍元件少，調(diào)整方便。需要調(diào)整放大倍數(shù)時(shí)，可在其1、8腳間接一個(gè)2kΩ左右的可變電阻和一個(gè)10μF電容，則改變可變電阻，可使放大倍數(shù)在20～200間可調(diào)，懸空時(shí)，放大倍數(shù)為20；在6腳和地之間以及7腳和地之間分別接一個(gè)電容，能夠防止LM386自激；要求不高時(shí)可略去。具體電路如圖4所示。3．3 濾波電路的設(shè)計(jì) UM71系統(tǒng)本身所傳送的載頻信號(hào)信號(hào)和調(diào)制信號(hào)頻率低于測(cè)試信號(hào)頻率，要想將其濾掉，可以采用高通濾波器（HPF）。為了濾除高頻信號(hào)的干擾，高通之后，再經(jīng)過(guò)低通濾波器（LPF），便可以得到較好的測(cè)試信號(hào)波形。本電路中采用三級(jí)二階HPF、兩級(jí)二階LPF串連的五級(jí)濾波電路，特征頻率均設(shè)為10khz。濾波器按巴特沃斯（Butterworth）濾波器設(shè)計(jì)，它的幅頻特性是單調(diào)的，且在通 帶內(nèi)比較平坦。 巴特沃斯二階HPF的形式如圖5所示。 由于特性頻率fo=10kHz，Q值取0.7,若取C=0.01μF, 則由fo=1/(2πRC) 即R=1592Ω，可取R=1.6kΩ。 又由于濾波器的通帶放大倍數(shù)Aup和Q有關(guān)系式Q=1/（3-Aup）成立，將Q=0.7代入可得Aup=1.57，根據(jù)Aup與R1、Rf的關(guān)系式Aup=1+(Rf/R1)和集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端外接電阻的對(duì)稱(chēng)條件，可得下面的方程組： 解之可得R1=5.51R,Rf=3.14R.代入R=1.6kΩ可得，R1取9.1kΩ，Rf取5.1kΩ。 對(duì)于低通濾波器的設(shè)計(jì)，只是在電路形式上將R和C互換位置，別的都一樣，不再多述。 3．4 整流電路的設(shè)計(jì) 為了把從濾波電路出來(lái)的交流測(cè)試信號(hào)較為為直流信號(hào)，以便A/D轉(zhuǎn)換器采集，需要整流。整流可以用二極管來(lái)完成，但由于其非線(xiàn)性將產(chǎn)生較大誤差。為了提高精度，可利用集成運(yùn)放的放大作用和深度負(fù)反饋克服二極管非線(xiàn)性造成的誤差。本電路采用了兩個(gè)運(yùn)放構(gòu)成一個(gè)全波精密整流電路，如圖6所示，其性能良好。圖63．5 數(shù)據(jù)采集與顯示 數(shù)據(jù)采集與顯示電路如圖7所示。A/D轉(zhuǎn)換芯片采用常見(jiàn)的四位半雙積分型A/D轉(zhuǎn)換芯片ICL7136，它具有精度高、價(jià)格低廉、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。通常設(shè)計(jì)者都是用單片機(jī)并行采集ICL7135的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，占用了較多的I/O口資源。本文利用ICL7135的UBSY信號(hào)線(xiàn)來(lái)獲取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，即將BUSY信號(hào)接到AT89C52的INT1端，定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1設(shè)置為計(jì)數(shù)器方式，對(duì)ICL7135輸入時(shí)鐘計(jì)數(shù)；T1的啟停由INT1和RT1共同控制，這樣便能夠測(cè)試INT1引腳的正脈沖寬度，即BUSY信號(hào)的高電平寬度。另外用P1.7控制轉(zhuǎn)換的啟停。 顯示部分采用北京青云創(chuàng)新科技發(fā)展有限公司的液晶顯示模塊LCM046。它是四位多功能能通用型八段式液晶顯示模塊，內(nèi)含看門(mén)狗/時(shí)鐘發(fā)生器和兩種頻率的蜂鳴驅(qū)動(dòng)電路，內(nèi)置顯示RAM，可顯示任意字段筆劃，3-4線(xiàn)接口，功耗低、顯示清晰、穩(wěn)定可靠、使用編程簡(jiǎn)單，非常適合電池供電的儀器儀表。4 軟件設(shè)計(jì) 軟件包括液晶顯示模塊的初始化、A/D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序及數(shù)據(jù)處理與顯示等部分，采用C語(yǔ)言編程，靈活方便。軟件流程圖如圖8所示。 考慮到實(shí)際工作環(huán)境中干擾因素很多，數(shù)據(jù)采集處理部分采用了適當(dāng)?shù)能浖V波。具體方法是：連續(xù)采集10次，分析其中數(shù)據(jù)，舍去偏離較大的數(shù)據(jù)，留下比較集中的幾個(gè)數(shù)據(jù)，再取平均，這樣調(diào)試效果較好。5 互容性問(wèn)題 在線(xiàn)測(cè)試必須解決的一個(gè)問(wèn)題是：測(cè)試系統(tǒng)和主體設(shè)備的相互影響。即測(cè)試系統(tǒng)不能影響主體設(shè)備的正常工作，主體設(shè)備的工作不應(yīng)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。 測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)兩支表筆和鐵軌連接，即測(cè)試信號(hào)加在電容兩端，其峰峰值不到2V。經(jīng)過(guò)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，鐵軌本身傳送的信號(hào)只有微弱的變化（一般變化幾十毫伏），并不影響列車(chē)正常運(yùn)行。 主體設(shè)備對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的影響表現(xiàn)在兩個(gè)方面：UM71系統(tǒng)本身所傳送的載頻信號(hào)和調(diào)制信號(hào)對(duì)采樣數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響；軌道每米長(zhǎng)度的等效感抗和阻抗對(duì)采樣數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響；軌道每米長(zhǎng)度的等效感抗和阻抗對(duì)采樣電路的影響。對(duì)于前者，采用了五級(jí)濾波器，通過(guò)試驗(yàn)可知，其本身的信號(hào)基本被完全濾掉。對(duì)于后者，通過(guò)試驗(yàn)中加入感抗和阻抗的模擬電路可知并無(wú)太大影響，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中也未見(jiàn)有太大變化。由此可知，主體設(shè)備對(duì)測(cè)試并無(wú)太大影響。 關(guān)于在線(xiàn)測(cè)試補(bǔ)償電容，目前尚沒(méi)有很好的方法，本文提出的方法作為一個(gè)初步探討，在實(shí)測(cè)過(guò)程中