基于STM32的轨道电路高压脉冲测量仪的设计

张玮

(西安铁路职业技术学院，陕西 西安 710000)

0 引 言

铁路的整个设备系统中至关重要的电路就是轨道电路，它可以检测到有没有车占用轨道，工作人员可以准确的控制列车行驶安全，所以说，轨道电路直接的影响着列车的行驶安全。铁轨受到风吹日晒，容易出现腐蚀，生锈，灰尘沉积等现象，使得列车和轨道接触不稳定，无法检测到列车占用车道的情况，这种接触问题严重影响了运输效率，甚至影响列车的安全[1]13。

国际上，对于轨道电路接触不稳定的问题进行不断地研究，针对每个国家不同的情况，做了很多的研究并在不断寻找更好的解决办法。在德国，他们使用的是“计轴方式”，在接触不稳定的问题上成功实现突破，解决了接触不良的问题；在法国，他们使用的是轨道高压脉冲电路，解决了接触不良的问题，并且逐步发展成了高压不对称脉冲轨道电路；在日本，轨道脉冲电路使用的是100 V高压工作，解决了接触不稳定的问题。在我们国家，对于生锈的路段区间，最多的是运用高压不对称轨道脉冲电路的方法，并且效果很明显，能够解决接触不稳定的问题。大量材料表明，研究人员的探索方向大多是在怎么解决轨道接触不稳定的问题上，怎么稳定高效的检测其电路参数，进而能够快速判断高压脉冲电路的好坏，在这个方面的研究工作却是不多的。本文则针对这个问题进行了相应的研究设计。

1 设计方案

高压脉冲测量仪能够直接测量轨道上的电路电压，有着很好的实用价值。所以对于高压脉冲测量仪来说，其本身的良好稳定性能对于轨道电路的安全有着重要的影响；如果轨道电路本身出现了问题，同时也会对铁路上列车行驶造成安全隐患。

针对轨道电路安全检测的问题，本文基于STM32设计了一款轨道电路高压脉冲测量仪器，其主控芯片是STM32F103C8T6，控制着所有的测量芯片及外部设备。与之相连的有：液晶屏，将检测到的信号利用波形的形式显示在屏幕上，便于观察；按键，可以通过按键选择菜单，返回上一级，关机等操作；AD736有效值测量芯片，检测到的信号通过处理电路后，进入AD736芯片，再进入控制芯片STM32，进而测出实时有效值；AD8253程控放大器，输入阻抗高、噪声干扰弱、增益漂移小，非常适合用于信号放大作用，可以将检测到的信号以波形的形式清晰地显示在液晶屏上；LM311电压比较器，它的正极和LF398保持器相连接，负极和原始未处理信号相连接，输出信号连接到控制芯片STM32上，如此，经过了前后两个信号的对比便可以找出检测信号出现峰值的时间点，再参照该时间点的有效值便能够精确地检测出信号峰值；本课题的重点是检测信号，信号控制，信号波形显示。整体设计框图如图1所示[2-3]。

图1 整体设计框图

2 硬件设计

硬件电路的设计平台是在软件AD8.0上进行的，比传统的Protel要先进得多，为避免信号线之间的相互干扰，可以通过设计芯片间导线的宽带来消除干扰[4]。而且在信号线布局时，可以将数字和模拟电路分隔开，进行合理的布置信号线。

2.1 控制芯片的选择

本设计采用的控制芯片是STM32F103C8，它是基于Cortex-M3内核的ARM微控制器芯片。它的工作电压范围是2 V～3.6 V，芯片内部的功能非常丰富：72 MHz的CPU；20 K字节的RAM存储器；64K字节的FLASH程序存储器；8个中断源、3个定时器、2个看门狗；51个I/O端口引脚，绝大多数的端口是通用的[1]22。此芯片比普通种类芯片有更快的CPU运行速度，而且能够使用USB接口，通过U-link即可连上电脑，能够快速地了解控制芯片的工作情况，同时进行程序的调试工作，属于增强型芯片。

2.2 测量有效值的电路设计

在实际运用中，有效值的测量会包含很多的非正弦波。针对此种情况，传统的测量工具是通过使用平均值的转换法来解决非正弦波干扰的，但是此种方案有着很大的理论误差。避免干扰可以利用真有效值转换技术，对交流信号中的有效电压值进行准确检测，不会受到非正弦波的干扰。这种技术最大的方便之处就是可以准确测量不同波形的有效电压值，不用考虑所测信号的失真情况。有效值的测量电路如图2所示，电路中包括两个主要芯片：AD736和Op07。AD736属于精密型AD/DC转换器，是通过激光矫正的，具有测量速度快、精确度高、频率范围广、功耗低、电源范围宽等特点，可以达到精确测量电路的要求；Op07同样属于精密型芯片，高精度地运算放大器，具有较低的输入失调电压和漂移[1]26，非常适合做前级的放大器，用于微小信号放大作用，具有失调低、开环增益高、噪声低、输入偏置电流低等特点，非常适合用于微小信号的放大处理电路。

图2 有效值的电路设计

2.3 检测峰值的电路设计

测量峰值电路的实际包括有两种主要芯片：LF398采样/保持器和LM311电压比较器。LF398芯片能够经合理的外接电容使本身的性能到最佳状态，驱动电压可接±5 V～±18 V，电源电压范围广，不会影响芯片运行效果。其逻辑控制可以通过和电平TLL相连。其实际应用范围很广，包括数据采样系统、高速A/D转换系统等；LM311芯片比较常见，同样其驱动电压范围宽。另外，能够驱动继电器，电流可至50 mA。两种芯片均符合设计要求，其电路设计如图3所示。

图3 峰值的电路设计

3 系统软件设计

系统软件方面的设计使用的是模块化的方式，这样设计有利于系统编写和后期调试。系统编程方面主要使用STM32控制器自身带的函数库，如表1所示，这样就降低了程序编写的难度，提高了编程效率，而且调试检查起来很容易。

表1 常用的函数文件

软件的开发平台是LEIL4+ULink V4.081，程序开发是在uVision环境下进行的，其开发环境稳定，适合各种用户开发使用。在此环境下设计的总的程序流程包括：初始化系统、按键操作、信号分析、界面显示功能，大致的流程如图4所示[5]。

图4 程序流程图

4 系统功能测试

该测量仪包括功能：不同频率的测量，峰值及波形的检测，有效值的测量。功能测试效果图如下所示。

轨道电路高压脉冲测量仪关于频率测量的选择界面如图5所示。

图5 频率选择测量界面

图6 测量值得选择界面

图7 检测结果显示界面

轨道电路高压脉冲测量仪关于峰值和有效值测量的选择界面如图6所示。

轨道电路高压脉冲测量仪的检测结果显示界面如图7所示。

如图7所示，高压脉冲测量仪可以输出高压脉冲，产生高压脉冲信号，提高了轨面的瞬间击穿电压，有利于解决铁轨面生锈带来的分路不良的问题。

5 结束语

本设计通过采用高压脉冲电路来增强轨道上的不对称脉冲电压的方法，得到高压来击穿铁路轨道上的锈层，解决长时间灰尘沉淀所造成的轨道分路不良的现象。此设计可以使用在铁轨上的区间电路，也可以用在各个车站之间的连接电路；可以用在电气化轨道上，也可以用在非电气化轨道上。可以广泛使用，减少开支。

[1] 李磊.轨道电路高压脉冲测量仪表的研究[D].西安：长安大学，2013.

[2] 黄赞武，魏学业，李绍斌.轨道电路故障预测与健康管理体系结构设计[J].计算机工程,2012,24(20):232-235.

[3] 杨新华，胡大斌.采用高压脉冲轨道电路解决长钢专用线钢轨锈蚀故障的探讨[J].特钢技术,2004,4(3):26-28.

[4] 刘红梅.浅谈高压脉冲轨道电路故障处理[J].科技展望,2016,35(13):92.

[5] 张永光. 高压脉冲轨道电路的调整与维护方法探讨[J].海峡科学,2013,12(11):74-77.