基于MSP430的轨道电路在线测试仪设计与实现

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随着列车车速的不断提高，对列车轨道的要求也越来越高。原有的有绝缘轨道电路已无法满足铁路运输事业发展的需要，因而世界各先进工业国家开始研制无绝缘轨道电路[1]。其中，以法国CSEE公司研制成功的UM71无绝缘轨道电路应用最为广泛。该系统于20世纪80年代末引入我国, 这种无绝缘轨道电路利用谐振原理，把低频调制的FSK信号(4种载频，18种低频)通过钢轨进行传输。由于平行的钢轨具有等效感抗特性，严重影响信号传输的距离，为了使输出信号不失真，在每一闭塞分区，每隔100米便安装1个33μF的谐振电容，与钢轨的等效电感组成串联谐振电路来提高信号传输距离。为确保该系统工作正常，铁路工作人员必须经常沿铁轨检查轨道电路的运行参数。其中重要的一项便是对并接补偿电容容值的测量，而目前通用的电桥法电容测量设备无法进行在线测量。对轨道上运行的列车，补偿电容离线测量存在巨大的安全隐患[2]。专用的UM71无绝缘轨道电路补偿电容在线测量设备虽可进行在线测量，但由于采用被动测量方式，对钳型电流传感器的分辨能力要求很高，提高了设备复杂度，大大增加了设备的成本，并且设备体积较大，不便于携带。鉴于此，本文设计了一种便携式在线测试仪。
1 工作原理
??? 通过向待测电容两端施加高于轨道电路本身所传信号频率的激励信号，同时采集电容两端的响应信号，并将该信号经带通滤波器滤除噪声后送至单片机MSP430（内部含有A/D转换器和采样保持模块）内进行A/D转换。由于补偿电容的容值同转换后的数值之间存在着一定的对应关系，根据这个关系，把经过A/D转换后的数值同预先标定好的数值进行比较就可以得出其容值。该测量方法已通过实验证实了合理性。同时，本测试仪还具有对载频和调频频率进行测量的功能。由于待测信号为较高频率的载频信号和低频调制信号调制成的混合信号，将此信号经过零比较器比较后送至单片机内的定时器计数得到载频频率，同时将该信号通过低通滤波器滤除较高的载频信号，经过零比较器后送至单片机得到调制信号频率。
2 系统硬件设计
??? 该测试仪采用的是主动测量方法，整个系统的框图如图1所示，主要由信号发生模块、驱动电路模块、信号采集模块、单片机和显示模块组成。
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2．1信号发生及驱动模块设计
??? 首要问题是激励信号频率的选定，该仪器选择的激励信号频率不能太低，若太低，根据感抗公式：XL=2πfL，将使得导轨感抗过小，这样会形成补偿电容的并联效果，使测量失去意义。同时频率也不能选择太高，由于测量系统的内阻在测量中起分压作用，频率过高将使得输出电压过小，影响测量系统的分辨率。综合以上两点并结合试验，选取的激励信号频率为10kHz。
本模块设计思想是：对2MHz晶振的输出进行200分频后得到稳定的10kHz的方波信号，并将该信号经达林顿管提高其驱动能力。
2．2信号采集模块设计
??? 通过测量探头采集到的信号是比较微弱的，因此必须将该信号经放大器进行放大。由于铁路的工作环境比较恶劣，采集到的信号不可避免地混入了干扰信号。在经过放大器时干扰信号同样被放大，这将严重影响测量结果。为滤除该噪声信号，本测试仪采用了MAXIM公司开发的8阶连续时间有源滤波器MAX274进行滤波[3]。
2．3 鉴频模块设计
??? 采集到的信号经过零比较器后被送入MCU的TimerA进行计数,从而得到较高频率的载频信号(1 700Hz、2 000Hz、2 300Hz和2 600Hz)的频率。信号继续经低通滤波滤除高频信号后，得到的就是低频调制信号的频率。
2．4 主控芯片和显示模块设计
??? 考虑到运行环境等因素，最终选择TI公司生产的高性能、超低功耗16位的单片机MSP430F147[4]为主控芯片。MSP430系列器件均为工业级产品，运行环境温度为-40～+85℃，采用RISC结构，具有丰富的寻址方式和较高的处理速度。MSP430系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只需6μs。显示部分采用的是低功耗，美观的LCD液晶显示模块。
3 系统软件设计
??? 本系统软件设计采用高效的C语言编程，根据系统的硬件构成，系统软件设计主要由系统初始化、电容容值测量、鉴频及人机交互四个部分组成。
??? 整个系统软件的工作流程如图2所示。
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4 试验结果分析
??? 图3所示为测得的容值同响应信号电压峰-峰值之间的对应关系。从图中可以看出：随着待测电容容值的增大，响应信号电压的峰-峰值逐渐减小。根据这一对应关系就可以得到电容的容值。假设以第一组数据为标定数据，由图3可知，第二组数据最大误差为35.3－34.1＝1.2μF。由于33μF补偿电容的精度一般为±10%。即实际值在29.7μF～36.3μF之间，由此可知，该测量结果是比较精确的。铁路工作人员可以根据测量结果来确定电容是否需要更换。同时为减小测量误差，可以进行多次测量，取平均值作为标定数据。
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??? UM71补偿电容测试仪是应实际需要而研制开发的,实现了移频轨道电路参数的在线测量，便携易用，降低了员工劳动强度，排除了由于补偿电容离线测量导致的安全隐患。这种仪表具有直观显示电容容值以及传输信号的载频和调频频率的功能。同时该测试仪具有抗电磁干扰能力强、体积小、重量轻、便携性好等优点。