UM71轨道电路补偿电容在线测试系统的实现

　　随着铁路运量的增加，列车重量、行车速度和行车密度也将不断提高，在这种情况下出现了高速列车和长钢轨线路。原有的有绝缘轨道电路已不能适应铁路运输发展的需要，于是产生了无绝缘轨道电路。无绝缘轨道电路的长钢轨线路减小了列车运行阻力以及列车振动和噪声，减少了钢轨和机车轮缘之间的磨损。故世界各先进工业国家均相继研究和发展无绝缘轨道电路。UM71无绝缘轨道电路作为一种先进的列车控制系统，于20世纪60年代在法国研制成功。由于其具有突出的优点，很快被多个国家相继采用。目前，该技术已相当成熟。该系统自二十世纪80年代末引进我国以来，已经得到了很好的应用与发展。
　　UM71轨道电路是一种移频轨道电路，它的正常工作状态关系到列车运行的安全。为了保证该电路系统工作正常，列车电务段工作人员必须经常沿铁轨检查轨道电路运行参数。其中非常重要的一项参数便是两轨间的并接补偿电容，而对该补偿电容的测量到目前为止还没有一种有效的手段。原始的测量方法是静态测试，即必须从铁轨中打下电容，使之脱离该轨道电路，再用普通电容表来测试。该方法笨拙，费时费力，增加了工作人员的劳动复杂度。而且由于打下电容，减少了轨道电路信号的传输距离，对列车行车安全造成威胁。基于此，本文提出一种在线测试方法，十分方便快捷，对电务段工作人员也是一种解放。
1 UM71系统概述
1.1 UM71系统构成
　　UM71系统由设于室内的发送器、接收器和轨道继电器以及通过ZCO₃电缆连接的置于钢轨旁的空心线圈、调谐单元、匹配变压器和补偿电容等组成。如图1所示^[1]。

1.2 UM71系统的电路特点
　　列车行车过程中，为了传送信号需要，UM71系统选用了四个较高的载频信号：1700Hz、2000Hz、2300Hz和2600Hz信号。其中，下行线采用1700Hz、2300Hz信号交替配置；上行线采用2000Hz、2600Hz信号交替配置。为满足列车速度控制等多信息需要，UM71轨道电路共有从10.3Hz开始按1.1Hz等差递增至29Hz的18种低频信息。其频偏A_f为11Hz，故UM71轨道电路轨面上传送的移频信号由载频f_o、频偏A_f和低频调制信号F_C三者构成。如某区段载频f_o为2000Hz、低频调制信号F_C为16.9Hz，则轨面移频信号在(f_o-A_f)即1989Hz和(f_o+A_f)即2011Hz之间，每秒周期移动16.9次。
1.3 UM71系统中补偿电容的作用
　　由图1可知，这种轨道电路每间隔100m在两轨间并接一个电容器，一般为33μF，称为补偿电容。补偿电容是UM71轨道电路的重要组成部分，它的作用是改善轨道电路在调整状态和分流状态的传输特性，延长轨道电路的传输距离，确保钢轨中有足够稳定的信号电流经钢轨向机车发送信息。然而由于易受温度、湿度以及人为因素的影响，会产生电容电特性参数漂移或接触不良现象，导致补偿电容的老化、失效或丢失，最终影响铁路信号的正确传输。
　　因此，如何方便有效地对补偿电容进行正确的测试检查便显得非常重要。
2 补偿电容在线测试系统设计
　　根据UM71系统的特点，可以采用如下方法，即施加一个频率高于其本身所传信号频率的正弦测试信号" title="测试信号">测试信号 (以下简称测试信号)于补偿电容两端，然后使电容两端频率信号经过滤波电路，滤除其本身的低频信号，这样滤波电路出来的就是人为施加的测试信号；再经过整流电路，得到该测试信号的直流量；最后用A/D" title="A/D">A/D 转换器采样，不同的电容值所反应出来的变化了的测试信号不同，从而确定补偿电容的值。系统框图如图2所示。

3 硬件设计
3.1 测试信号的产生
　　UM71系统本身传送的信号有载频信号(1700Hz、2000Hz、2300Hz、2600Hz)和低频调制信号(从10.3Hz到29Hz)。本方案中测试信号频率采用10kHz。关于测试信号，可以利用集成运放构成正弦波振荡电路来产生。不过，随着大规模集成电路技术的迅速发展，出现了一些集成器件，功能强且使用方便。函数发生器ICL8038就是其中之一。ICL8038是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路，只需调整个别的外部元件就能产生0.001～300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形的频率和占空比还可以由电容或电阻控制。另外，由于该芯片具有调频信号输入端，可以用来对低频信号进行频率调制。ICL8038测试电路如图3所示。
　　输出频率由下式确定：
　　
　　如设R_A=R_B=R，则，于是，经过计算和试验，最后取R=3.3kΩ，C=0.01μF，可以得到较好的正弦波形。
3.2 功率放大电路的设计
　　本电路采用LM386对测试信号进行功率放大，以增强其驱动能力。LM386是一种低电压小功率音频功放集成电路，使用外围元件少，调整方便。需要调整放大倍数时，可在其1、8脚间接一个2kΩ左右的可变电阻和一个10μF电容，则改变可变电阻，可使放大倍数在20～200间可调，悬空时，放大倍数为20；在6脚和地之间以及7脚和地之间分别接一个电容，能够防止LM386自激；要求不高时可略去。具体电路如图4所示。

3.3 滤波电路的设计
　　UM71系统本身所传送的载频信号和调制信号频率低于测试信号频率，要想将其滤掉，可以采用高通滤波器(HPF)。为了滤除高频信号的干扰，高通之后，再经过低通滤波器(LPF)，便可以得到较好的测试信号波形。本电路中采用三级二阶HPF、两级二阶LPF串连的五级滤波电路，特征频率均设为10kHz。滤波器按巴特沃斯(Butterworth)滤波器设计，它的幅频特性是单调的，且在通带内比较平坦。
　　巴特沃斯二阶HPF的形式如图5所示。

　　由于特征频率f₀＝10kHz，Q值取0.7，若取C=0.01μF，
　　
　　即R＝1592Ω，可取R=1.6kΩ。
　　又由于滤波器的通带放大倍数A_up和Q有关系式Q=成立，将Q=0.7代入可得A_up=1.57，根据A_up与R₁、R_f的关系式A_up=1+和集成运放两个输入端外接电阻的对称条件，可得下面的方程组:
　　
　　解之可得R₁=5.51R，R_f=3.14R。代入R=1.6kΩ可得，R₁取9.1kΩ，R_f取5.1kΩ。
　　对于低通滤波器的设计，只是在电路形式上将R和C互换位置，别的都一样，不再赘述。
3.4 整流电路的设计
　　为了把从滤波电路出来的交流测试信号转变为直流信号，以便A/D转换器采集，需要整流。整流可以用二极管来完成，但由于其非线性将产生较大误差。为了提高精度，可利用集成运放的放大作用和深度负反馈克服二极管非线性造成的误差。本电路采用了两个运放构成一个全波精密整流电路，如图6所示，其性能良好。

3.5 数据采集与显示
　　数据采集与显示电路如图7所示。A/D转换芯片采用常见的四位半双积分型A/D转换芯片ICL7135，它具有精度高、价格低廉、抗干扰能力强等优点。通常设计者都是用单片机并行采集ICL7135的转换数据，占用了较多的I/O口资源。本文利用ICL7135的BUSY信号线来获取A/D转换结果，即将BUSY信号接到AT89C52的INT1端，定时/计数器T1设置为计数器方式，对ICL7135输入时钟计数；T1的启停由INT1和TR1共同控制，这样便能够测量INT1引脚的正脉冲宽度，即BUSY信号的高电平宽度。另外用P1.7控制转换的启停。
　　显示部分采用北京青云创新科技发展有限公司的液晶显示模块LCM046。它是四位多功能通用型八段式液晶显示模块，内含看门狗/时钟发生器和两种频率的蜂鸣驱动电路，内置显示RAM，可显示任意字段笔划，3－4线接口，功耗低、显示清晰、稳定可靠、使用编程简单，非常适合电池供电的仪器仪表。
4 软件设计
　　软件包括液晶显示模块的初始化、A/D转换中断服务程序及数据处理与显示等部分，采用C语言编程，灵活方便。软件流程图如图8所示。