移频电码化接口装置的智能化研究

0、前言 　　

电码化装置主要应用于铁路车站内，保证站内正线电码化轨道电路连续不断地向机车 发送所需的电码化信息，是行车指挥控制系统的技术设备之一。电码化设备的任务就是利用 区段内所采用的自动闭塞设备的发送设备，通过站内进路上的轨道电路向机车传递前方信号 机的信号显示所确定的信息内容，使机车信号不间断的复示前方地面信号机的显示。目前的 移频发送设备仍采用的是分离元件，原有的这种设备随着铁路运量的增加和列车运行速度的 提高，在安全、效率及其日常的维护上逐渐暴露出一些问题。例如，分离元件老化后参数会 发生变化，导致移频信号的频率发生较大的偏移，直接影响行车的安全和效率。尤其是近年 来微处理器及相关技术的迅速发展，为铁路信号设备的智能化提供了技术支持。

1、方案研究 　　

本方案是以微处理器为核心的电路板来替代原继电器所构成的接口电路，保留了原有设 备的所有接口。其设计思想是：移频电码化接口装置接收到联锁机下发的有效命令后，控制 相应的发码开关和编码开关动作。假如有一个区段的载频为650Hz，联锁机下发绿码（L） 命令， CPU 通过控制开关模块程序处理后，闭合相应的编码开关（LK），此时移频发送盒 发出移频信号，同时移频信号经过移频电码化接口装置的模拟量调理电路和移频信号调理电 路后送入 CPU 。经过移频信号检测模块程序处理，检测出移频信号的幅度、低频信号的频 率，然后将联锁机下发的命令与处理后的移频信号进行校核，若二者一致，继续发送命令; 若 不一致则上传报警信息，并断开所有的发码开关和编码开关。

２、 硬件构成原理 　　

该方案的硬件构成原理如图 1 所示。它主要由输入采集电路、信号调理电路、主机电路、控制电路、过流检测电路等组成。

2.1 输入采集电路 　　

输入采集电路的功能是将移频发送盒发出的移频信号采集到模块中，本设计中采用电压 型输入采集电路。

2.2 信号调理电路 　　

调理电路将输入电路采集上来的信号分别调理成适合 CPU 处理的模拟信号和脉冲信号 送入CPU。一路采集到的移频信号经半波整流、运放电路调理成0～3.5V 的信号送入CPU ， 即模拟量调理电路,主要完成对移频信号电压幅度的测量功能；另一路采集到的信号经两级 比较器电路调理成5V 的方波信号送入CPU ，即频率信号调理电路,主要是将移频信号从正 弦信号调理成为适合CPU 处理的脉冲信号。

2.3 主机电路 　　

电码化接口模块的主机电路由 CPU 及其外围电路、地址码输入电路和通信电路组成。 其中地址码输入电路由两个上拉电阻和母板配合以确定本模块的地址。通信电路采用CAN 通信，CPU 采用ATMEl 公司的ATmaga128 芯片，如图2 所示。

2.4 控制电路 　　

控制电路包括编码开关控制电路和发码开关控制电路两部分。这两部分电路均采用了双 CPU“与”逻辑控制电路，输出的移频信号分别送至两个CPU 进行频率检测，经检测符合要 求即产生控制输出信号，经“与门”使移频信号送至滤波放大电路，放大输出的移频信号再 进行电压检测。只有当两个CPU 对移频信号的参数检测符合规定后同时给出有效信号时， FBJ 励磁吸起，相应的编码开关才能动作。两个CPU 独立工作，这样保证了在有一个CPU 错误动作时及时关闭安全与门，FBJ 失磁落下，切断发送通道，不至于输出非安全侧的移频信号。为了防止对主机和输出电路的干扰，主机和输出电路间采用光电耦合进行隔离。而且 两部分电路均采用双断控制，如果一个开关由于过流击穿后，另一个开关仍可断开回路，从 而保护了整个模块。

2.5 反馈监测电路 　　

反馈监测电路包括电压、电流、频率反馈监测电路和开关状态监测电路。主要完成的功 能是：

（1） 实时监测输出移频信号的电压幅度； 　　

（2） 实时监测输出移频信号的电流幅度； 　　

（3） 实时监测输出移频信号的载波和调制信号； 　　

（4） 实现对移频信号的过流进行检测； 　　

（5） 实时监测电子开关的状态。

３、软件构成原理 　　

该方案的软件主要由主过程模块程序、主控模块程序、控制开关模块程序、移频信号检 测模块程序等几部分组成。软件采用模块式结构，可根据需要进行选择。下面给出主控模块 程序和移频信号检测模块程序的流程图。

　　图3、 主控模块程序流程图 　　

3.1 主控模块程序设计 　　

主控模块的作用是根据联锁机下发的命令控制相应的编码开关和发码开关进行动作。

3.2 移频信号检测模块程序设计 　　

移频信号检测模块的作用是对移频发送盒发出的移频信号进行检测，判断该信号所代表 信息的含义，然后和联锁机的命令相互校核，确定向轨面上发送的移频信息是否正确。移频信号检测软件模块的核心程序为：移频信号检测存储程序和与联锁命令相校核程序。检测 移频信号采用的方法是频谱分析法，即先将模拟移频信号通过微处理器内置的A/D 通道变 换成时域的数字信号存于RAM 中。然后采用FFT 快速傅立叶变换将存于RAM 中的时域数 字信号变换成为离散的频域信号。

　　图4、移频信号检测模块程序流程图 　　

4、系统抗干扰措施 　　

系统在硬件方面采取的措施有： 　　

（1）采取一些常用的抗干扰措施，如：在系统电源入口处并联小电容和大电容滤除高 频、低频干扰；合理设计印刷电路板；在电路板的弱电部分空余出铺上网格线作为接地线。

（2）采用隔离技术。如电流环隔离、光电耦合器等使干扰源和易干扰部分隔离开来。

（3）在频率调理电路中抬高了比较器的阀值，用来抑制高频噪声干扰。

（4）通信电路中三条通信总线用独立的三个电源，避免了三者之间的相互干扰。

系统在软件方面采取的措施有： 　　

（1）采用常用的一些软件抗干扰措施，如软件陷阱技术、指令冗余技术、CPU自带看门 狗等。

（2）采用软件重复检测的方法达到去伪存真的目的。

（3）输出端口采用动态刷新的方法，防止CPU受干扰后状态发生变化。

5、总结与展望 　　

随着铁路运量的增加和列车运行速度的不断提高，原来有分立元件构成的设备在安 全、效率及维护方面的问题日益突出，采用微处理器技术的移频电码化接口设备采用了闭环 检测的系统设计方法，提高了移频发送设备的可靠性。它还具有很强的扩展性和通用性，对 铁路信号基础设备的升级换代具有重要的参考价值，对进一步保证铁路行车安全具有重要意 义，该设备已研制成功，并通过铁道部技术鉴定。

创新点：采用以ATmaga128 芯片为核心的微处理器技术来代替分立元件，提高了移频发送设备的可靠性和安全性，该设备具有很强的扩展性和通用性，对铁路信号基础设备的升级换代具有重要的参考价值。