摘要：文章介紹了一種以微處理器技術(shù)為的,實現(xiàn)鐵路信號移頻發(fā)送設(shè)備智能化的方案,用來替代由分離元件構(gòu)成的移頻發(fā)送設(shè)備的接口電路,從方案設(shè)計思想、設(shè)備的硬件組成框圖和軟件設(shè)計流程等方面進(jìn)行了詳細(xì)的論述。該方案采用了以ATMEI公司的ATmaga128芯片為的微處理器技術(shù),由于晶振的高穩(wěn)定性和單片機的高可靠性及智能化,提高了原有設(shè)備的性能。

　　0、前言

　　電碼化裝置主要應(yīng)用于鐵路車站內(nèi)，保證站內(nèi)正線電碼化軌道電路連續(xù)不斷地向機車 發(fā)送所需的電碼化信息，是行車指揮控制系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)備之一。電碼化設(shè)備的任務(wù)就是利用 區(qū)段內(nèi)所采用的自動閉塞設(shè)備的發(fā)送設(shè)備，通過站內(nèi)進(jìn)路上的軌道電路向機車傳遞前方信號 機的信號顯示所確定的信息內(nèi)容，使機車信號不間斷的復(fù)示前方地面信號機的顯示。目前的 移頻發(fā)送設(shè)備仍采用的是分離元件，原有的這種設(shè)備隨著鐵路運量的增加和列車運行速度的 提高，在安全、效率及其日常的維護(hù)上逐漸暴露出一些問題。例如，分離元件老化后參數(shù)會 發(fā)生變化，導(dǎo)致移頻信號的頻率發(fā)生較大的偏移，直接影響行車的安全和效率。尤其是近年 來微處理器及相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，為鐵路信號設(shè)備的智能化提供了技術(shù)支持。

　　1、方案研究

　　本方案是以微處理器為的電路板來替代原繼電器所構(gòu)成的接口電路，保留了原有設(shè) 備的所有接口。其設(shè)計思想是：移頻電碼化接口裝置接收到聯(lián)鎖機下發(fā)的有效命令后，控制 相應(yīng)的發(fā)碼開關(guān)和編碼開關(guān)動作。假如有一個區(qū)段的載頻為650Hz，聯(lián)鎖機下發(fā)綠碼（L） 命令， CPU 通過控制開關(guān)模塊程序處理后，閉合相應(yīng)的編碼開關(guān)（LK），此時移頻發(fā)送盒 發(fā)出移頻信號，同時移頻信號經(jīng)過移頻電碼化接口裝置的模擬量調(diào)理電路和移頻信號調(diào)理電 路后送入 CPU 。經(jīng)過移頻信號檢測模塊程序處理，檢測出移頻信號的幅度、低頻信號的頻 率，然后將聯(lián)鎖機下發(fā)的命令與處理后的移頻信號進(jìn)行校核，若二者一致，繼續(xù)發(fā)送命令; 若 不一致則上傳報警信息，并斷開所有的發(fā)碼開關(guān)和編碼開關(guān)。

　?。?、 硬件構(gòu)成原理

　　該方案的硬件構(gòu)成原理如圖 1 所示。它主要由輸入采集電路、信號調(diào)理電路、主機電路、控制電路、過流檢測電路等組成。

　　2.1 輸入采集電路

　　輸入采集電路的功能是將移頻發(fā)送盒發(fā)出的移頻信號采集到模塊中，本設(shè)計中采用電壓 型輸入采集電路。

　　2.2 信號調(diào)理電路

　　調(diào)理電路將輸入電路采集上來的信號分別調(diào)理成適合 CPU 處理的模擬信號和脈沖信號 送入CPU。一路采集到的移頻信號經(jīng)半波整流、運放電路調(diào)理成0～3 .5V 的信號送入CPU ， 即模擬量調(diào)理電路,主要完成對移頻信號電壓幅度的測量功能；另一路采集到的信號經(jīng)兩級 比較器電路調(diào)理成5V 的方波信號送入CPU ，即頻率信號調(diào)理電路,主要是將移頻信號從正 弦信號調(diào)理成為適合CPU 處理的脈沖信號。

　　2.3 主機電路

　　電碼化接口模塊的主機電路由 CPU 及其外圍電路、地址碼輸入電路和通信電路組成。 其中地址碼輸入電路由兩個上拉電阻和母板配合以確定本模塊的地址。通信電路采用CAN 通信，CPU 采用ATMEl 公司的ATmaga128 芯片，如圖2 所示。

　　2.4 控制電路

　　控制電路包括編碼開關(guān)控制電路和發(fā)碼開關(guān)控制電路兩部分。這兩部分電路均采用了雙 CPU“與”邏輯控制電路，輸出的移頻信號分別送至兩個CPU 進(jìn)行頻率檢測，經(jīng)檢測符合要 求即產(chǎn)生控制輸出信號，經(jīng)“與門”使移頻信號送至濾波放大電路，放大輸出的移頻信號再 進(jìn)行電壓檢測。只有當(dāng)兩個CPU 對移頻信號的參數(shù)檢測符合規(guī)定后同時給出有效信號時， FBJ 勵磁吸起，相應(yīng)的編碼開關(guān)才能動作。兩個CPU 獨立工作，這樣保證了在有一個CPU 錯誤動作時及時關(guān)閉安全與門，F(xiàn)BJ 失磁落下，切斷發(fā)送通道，不至于輸出非安全側(cè)的移頻信號。為了防止對主機和輸出電路的干擾，主機和輸出電路間采用光電耦合進(jìn)行隔離。而且 兩部分電路均采用雙斷控制，如果一個開關(guān)由于過流擊穿后，另一個開關(guān)仍可斷開回路，從 而保護(hù)了整個模塊。

　　2.5 反饋監(jiān)測電路

　　反饋監(jiān)測電路包括電壓、電流、頻率反饋監(jiān)測電路和開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測電路。主要完成的功 能是：

　?。?） 實時監(jiān)測輸出移頻信號的電壓幅度；

　　（2） 實時監(jiān)測輸出移頻信號的電流幅度；

　?。?） 實時監(jiān)測輸出移頻信號的載波和調(diào)制信號；

　　（4） 實現(xiàn)對移頻信號的過流進(jìn)行檢測；

　　（5） 實時監(jiān)測電子開關(guān)的狀態(tài)。

　?。?、軟件構(gòu)成原理

　　該方案的軟件主要由主過程模塊程序、主控模塊程序、控制開關(guān)模塊程序、移頻信號檢 測模塊程序等幾部分組成。軟件采用模塊式結(jié)構(gòu)，可根據(jù)需要進(jìn)行選擇。下面給出主控模塊 程序和移頻信號檢測模塊程序的流程圖。

　　圖3、 主控模塊程序流程圖

　　3.1 主控模塊程序設(shè)計

　　主控模塊的作用是根據(jù)聯(lián)鎖機下發(fā)的命令控制相應(yīng)的編碼開關(guān)和發(fā)碼開關(guān)進(jìn)行動作。

　　3.2 移頻信號檢測模塊程序設(shè)計

　　移頻信號檢測模塊的作用是對移頻發(fā)送盒發(fā)出的移頻信號進(jìn)行檢測，判斷該信號所代表 信息的含義，然后和聯(lián)鎖機的命令相互校核，確定向軌面上發(fā)送的移頻信息是否正確。移頻信號檢測軟件模塊的程序為：移頻信號檢測存儲程序和與聯(lián)鎖命令相校核程序。檢測 移頻信號采用的方法是頻譜分析法，即先將模擬移頻信號通過微處理器內(nèi)置的A/D 通道變 換成時域的數(shù)字信號存于RAM 中。然后采用FFT 快速傅立葉變換將存于RAM 中的時域數(shù) 字信號變換成為離散的頻域信號。

　　圖4、移頻信號檢測模塊程序流程圖

　　4、系統(tǒng)抗干擾措施

　　系統(tǒng)在硬件方面采取的措施有：

　?。?）采取一些常用的抗干擾措施，如：在系統(tǒng)電源入口處并聯(lián)小電容和大電容濾除高 頻、低頻干擾；合理設(shè)計印刷電路板；在電路板的弱電部分空余出鋪上網(wǎng)格線作為接地線。

　　（2）采用隔離技術(shù)。如電流環(huán)隔離、光電耦合器等使干擾源和易干擾部分隔離開來。

　?。?）在頻率調(diào)理電路中抬高了比較器的閥值，用來抑制高頻噪聲干擾。

　?。?）通信電路中三條通信總線用獨立的三個電源，避免了三者之間的相互干擾。

　　系統(tǒng)在軟件方面采取的措施有：

　?。?）采用常用的一些軟件抗干擾措施，如軟件陷阱技術(shù)、指令冗余技術(shù)、CPU自帶看門 狗等。

　?。?）采用軟件重復(fù)檢測的方法達(dá)到去偽存真的目的。

　　（3）輸出端口采用動態(tài)刷新的方法，防止CPU受干擾后狀態(tài)發(fā)生變化。

　　5、總結(jié)與展望

　　隨著鐵路運量的增加和列車運行速度的不斷提高，原來有分立元件構(gòu)成的設(shè)備在安 全、效率及維護(hù)方面的問題日益突出，采用微處理器技術(shù)的移頻電碼化接口設(shè)備采用了閉環(huán) 檢測的系統(tǒng)設(shè)計方法，提高了移頻發(fā)送設(shè)備的可靠性。它還具有很強的擴展性和通用性，對 鐵路信號基礎(chǔ)設(shè)備的升級換代具有重要的參考價值，對進(jìn)一步保證鐵路行車安全具有重要意 義，該設(shè)備已研制成功，并通過鐵道部技術(shù)鑒定。

　　創(chuàng)新點：采用以ATmaga128 芯片為的微處理器技術(shù)來代替分立元件，提高了移頻發(fā)送設(shè)備的可靠性和安全性，該設(shè)備具有很強的擴展性和通用性，對鐵路信號基礎(chǔ)設(shè)備的升級換代具有重要的參考價值。