实时断轨检测技术发送系统设计*

刘鹍鹏，张友鹏，赵 斌，李军丽

(兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃兰州730070)

断轨问题是铁路运输安全关注的一个重要课题，特别是当断轨发生在隧道内，将造成极其严重的后果［1－4］。另外，在长大隧道中，由于无缝长轨和整体道床的应用以及其恶劣的环境，使得传统轨道电路的应用受到限制。目前我国隧道内用计轴加环线取代了传统的轨道电路，原轨道电路的实时断轨检测功能消失［1－2］，所以，迫切需要一种能适应隧道环境，实现全程实时断轨检测的新设备。综合分析比较现有的实时断轨检测设备［2－3］，由于长大隧道环境的特殊性，使得现有的实时断轨检测技术设备［2－5］无法适应。因此，研发一种能适应复杂的隧道环境，实现全程实时断轨检测的设备显得尤为重要。文献［1］提出了一种基于轨道电路原理的实时断轨检测方法，该方案弱化了传统轨道电路的占用检测功能，而强化了实时断轨检测功能。因此有效地解决了传统的基于轨道电路原理的检测技术受道床环境影响大的缺点，提高了系统的抗干扰能力，所以，适合环境较恶劣的长大隧道内的实时断轨检测。但该检测方案还没有分析设计具体的发送系统设备，本文在分析检测系统原理的基础上，设计了具体的发送系统设备。

1 实时断轨检测系统

1．1 实时断轨检测系统的基本原理

实时断轨检测系统的基本原理如图1所示。当检测区段无车占用时，用检测信号检测。每个检测区段两端的1对串联的电流传感器(A和D，C和F)对检测信号电流产生感应电压，若钢轨构成的回路中某处断裂，则流过回路的电流将发生变化，因此，可以通过检测感生电压的变化判断钢轨是否断裂。由于电流传感器按照串联的连接方式，使得每对传感器的牵引回流感生电动势互相抵消，从而有效地消除了牵引回流同模信号的干扰，提高了系统的抗干扰能力。

当检测区段有车占用时，因列车分路作用使电流传感器的感应电压降低，就会出现分路态和断轨态不易区分的现象，所以，无法用上述方法检测。上位机通过决策系统判别轨道处于分路状态时断开发送设备，通过检测两端短接线及中间的发送防护盒引接线上所加电流传感器对不平衡牵引回流的感应电压变化来判断是否发生断轨故障。当列车离开检测轨道电路区段时，复位继续用检测信号检测。

图1 基于轨道电路原理的实时断轨检测原理图Fig．1 Schematic of real－ time broken rail detection based on the track circuit

1．2 检测系统数学模型分析

由于钢轨作为传输导体的特殊性，在设计发送系统参数时要充分考虑各种因素，所以，首先要对其传输模型进行分析研究。轨道电路与通信系统中信息传输线一样，可以用四端网络和均匀传输线的基本理论进行分析与计算［10－11］。

该检测方案采用“一送两受”式无绝缘轨道电路，使用两端直接用短接棒短路的强制衰耗式隔离措施。由于检测区段两端直接用短接棒断路，其阻抗近似为0。根据建立的轨道电路数学模型［1－2］，对检测轨道电路调整态和断轨态进行四端网等效，并得出四端网系数计算表达式，从而用MATLAB对信号进行相应的轨道电路条件下的仿真分析设计，检测轨道电路调整态四端网络等效模型如图2所示。

图2 调整态四端网络模型Fig．2 Four－ port network model of adjustment state

则调整态四端网传输方程为:

式中:

γ为轨道电路传播常数，1/km;Zrr为轨道电路特性阻抗，Ω;rd为道床电阻，Ω·km;La为钢轨末端距钢轨发送始端的距离，km;z为无砟轨道钢轨单位阻抗，Ω/km。495 Hz时其值为 3．36∠75．88°Ω;Zrr为信号源左端的钢轨等效输入阻抗:

对应于调整态的发送端输入阻抗为:

发送端输入阻抗随道床电阻的变化如图3所示。从图可以看出，发送端输入阻抗随道床电阻的增大而增大，尤其在比较恶劣的道床环境下(rd=0．6～ 10 Ω·km)比较明显。

根据电路原理［8］将图2等效简化可得图4，则由于信号源等效内阻Zs的存在，发送端轨面电压随道床电阻的变化如图5所示。从图5可以看出:发送端轨面电压受道床电阻的影响较大。

图3 调整态发送端输入阻抗曲线Fig．3 Sending end input impedance of adjustment state

图4 调整态等效简化电路Fig．4 Equivalent circuit of adjustment state

图5 发送端轨面电压随道床电阻变化曲线Fig．5 Track surface voltage of sending end change with the ballast resistance

发送端轨面电压对检测系统的可靠性和可行性及灵敏度有相当重要的作用。若发送端检测电压波动较大，则接受端电流的波动性也较大。又因本检测系统是通过电流传感器采集接收端电流变化时所引起的感应电压变化来判断是否发生断轨故障。所以，信号发送端轨面电压恒定，对后期数据的精确分析和处理相当重要，故本检测系统要求发送端轨面电压幅度恒定。

2 发送端轨面电压

方案中电流传感器采用ZPW1－18型无绝缘移频自动闭塞系统中的型号为WYZ1－97的传感器，在设计中采用的检测信号频率为495 Hz，根据相关数据及公式可得出电流的最佳接受区间［1，7］为:

在调整态条件下，设接受端钢轨中电流达到最佳电流接受区间的最小值，即I2n=221．4 mA时，则发送端轨面电压与道床电阻对应的关系如图6所示。由图6可以看出，在调整态最不利条件下(rd=0．6 Ω·km)，发送端轨面电压为2．6 V时才能满足。所以，发送端轨面电压应大于2．6 V，此处其值取为3 V。

图6 I2n=221．4 mA时发送端轨面电压Fig．6 Track surface voltage of sending end when I2n=221．4 mA

当轨面电压为3 V时对应的断轨态最不利条件下［1，11］终端接收到的最大电流始终小于0．1 A，如图7所示，与调整态最小电流相差121．4 mA。所以，只要检测轨道电路接受端钢轨电流小于电流传感器最佳接受区间最小值221．4 mA，就可确定为钢轨断裂，故该检测方案能很好的实现断轨检测。

图7 断轨态接收端电流随道床电阻变化Fig．7 Receiving end current of broken rail state change with ballast resistance

3 发送系统组成

系统框图如图8所示。整个系统主要由正弦信号发生功能模块、幅值控制电路模块、防护和检测模块、滤波电路模块、上位机与信息传输模块5部分组成。

3．1 信号发生模块

图8 发送系统结构框图Fig．8 Structure diagram of transmission system

DDS(Direct Digital Synthesis)技术［12，13］是从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成技术，其基本原理如图9所示。其系统的核心是相位累加器，它由1个加法器和1个N位相位寄存器构成。每来1个时钟信号fclk，相位累加器的输出就增加1个步长K的相位增加量，相位增加量的大小由频率控制字确定，相位累加器的溢出频率就是输出的信号频率。正弦查询表包含1个周期正弦波的数字幅度信息，相位寄存器的输出与相位控制字相加，然后输入到正弦查询表地址上，从查询表中读出对应的幅度数据，通过DAC将该数据转换成所需的模拟信号波形输出。与传统的频率合成技术相比，DDS技术具有频率分辨率高、频率转变速度快、输出相位连续、相位噪声低、可编程和全数字化、便于集成等突出优点，越来越得到广泛应用。

设相位累加器的位数为N，频率控制字内的相位量为K，参考时钟频率为fclk，则DDS系统输出信号的频率fout为:

输出信号的频率分辨率Δfout为:

AD9850是AD公司生产的一款DDS芯片，有40位控制字，32位用于频率控制，5位用于相位控制，1位用于电源休眠控制，2位用于选择工作方式。并行输入方式下，在W_CLK的上升沿装入8位数据，并把指针指向下一个输入寄存器，连续5个W_CLK上升沿后，W_CLK的边沿不再起作用，直到复位信号或FQ_UD上升沿把地址指针复位到第一个寄存器。在FQ_UD的上升沿把40位数据从输入寄存器装入到频率/相位数据寄存器(更新DDS输出频率和相位)。表1所示为AD9850模块频率输出测试数据。由表1可以看出:模块输出信号的频率稳定度优于10－4，满足系统对高精度信号源的要求。

表1 频率测试数据Table 1 Test data of frequency

3．2 幅度控制模块

正弦信号的幅度控制是通过D/A转换器DAC0832和LM358运算放大器构成的程控基本放大电路实现的［14］，使用DAC0832内部电阻网络作为运算放大器的反馈电阻。通过采样将轨面电压的实际幅度值输入到单片机，由单片机进行比较调整，控制对DAC0832的数字量输出，实现幅度的AGC(Automatic Gain Control)功能。使用数字控制与采样反馈调整控制技术，使系统可靠性和精度更高。

AD9850输出的正弦信号经滤波处理后接在DAC0832的参考电压引脚VREF上。DAC0832的八位数据输人引脚与单片机的P0口相连。由图10可知:DAC0832工作在直通寄存器方式。

图10 DAC0832幅度控制电路Fig．10 Amplitude control circuit of DAC0832

根据D/A转换的工作原理，有:

第一级运算放大器将电流转化为电压输出，则有:

将式(13)代入(14)得:

第二级运算放大器起反向放大作用，它的输入和输出电压的关系为:

将式(15)代入(16)，最后得到如下关系:

由于 (D02－1+D12－2+ … +D72－8)＜ 1，所以，输入电压通过该电路后，其输出受到由数字控制的衰减，在第一级最大输出电压接近于输入电压，最小输出电压等于输入电压的1/256。单片机通过采样检测到发送端轨面电压信号发生改变后进行比较调整，改变D0～D7，从而使输出电压恢复到恒定值。图11所示为在Proteus中对系统自动增益控制的仿真效果图。从图11可以看出:当某时刻道床电阻变化使发送端轨面电压发生突变，系统采集到幅值发生改变后进行比较调整，使其在26．25 ms内恢复正常。

图11 系统发送端电压控制效果图Fig．11 Figure of system voltage control effect

3．3 防护和检测模块

在电气化区段，将会有大至上千安的牵引回流流过钢轨，检测设备必将受其影响，所以，在信号源发送端并接了防护盒，防护盒采用串并联谐振的方式。主要作用为对牵引回流呈现低阻抗，近似于短路，起到平衡牵引回流的作用，从而降低牵引回流对信号发送设备的干扰。而对检测信号呈现高阻抗，通过其将检测信号发送到钢轨上。检测设备主要实现发送设备的故障自检能力，保证系统可靠运行。

3．4 滤波模块

AD9850内部无低通滤波器，内部D/A转换及系统时钟等可能产生高频噪声，为了提高输出信号的质量，必须对AD9850所产生的信号进行滤波处理。由于该发送盒对正弦信号的频率要求为495 Hz，所以，选用MAX262来构成1个中心频率为495 Hz的带通滤波器。MAX262有3个可程控参数:中心频率f0和Q和工作模式。所有程控参数都通过数据引脚D0和D1输入，地址引脚A3～A0控制输入数据进入不同的寄存器。AD9850硬件电路输出的正弦波滤波后的波形如图12所示，由图12可见:滤波后的波形比较好，有效地滤除了高频的噪声信号。

图12 滤波后输出波形图Fig．12 The filtered output waveform

3．5 上位机与信息传输模块

在PC机上用C++Builder软件开发上位机发送和接收界面，上位机通过RS232通信单元实时接收并显示判断发送盒和接收盒传输的信息。上位机和下位机的有机结合，实现轨道信号信息的形象显示及其可视化。并对分路态和断轨态进行判断，分路态时给发送盒发送切断命令，系统通过检测不平衡牵引回流判断是否发生断轨。若发送盒和接收盒有故障信息时，上位机驱动相应的报警电路和故障显示电路，保证系统能满足铁路系统故障－安全的要求。

4 系统软件设计

系统软件设计采用汇编语言与C语言相结合来编写程序，这样不但提高程序对电路硬件的可控制性，同时也增加了程序的可读性和可移植性。软件部分主要由初始化子程序(AT89S52初始化、AD9850初始化、MAX262初始化、DAC0832初始化)、信号发生与控制子程序、频率检测子程序、幅度控制子程序等4部分组成。发送系统主程序流程如图13所示。

图13 发送系统主程序流程图Fig．13 The main program flow chart of transmission system

5 结论

(1)结合DDS和AGC技术，设计了适应长大隧道恶劣道床环境的实时断轨检测发送系统。

(2)该发送系统的精度和稳定度高，有助于检测系统终端对数据的精确处理与分析，提高了系统的检测精度和可靠性。

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