便携式AF904数字轨道电路测试仪设计与实现

2019-01-03魏丽丽陆鑫源王振明

铁路计算机应用 2018年12期

魏丽丽，施聪，陆鑫源，王振明

（1.上海工程技术大学，上海 201620；2.上海地铁维护保障有限公司，上海 200235；3.通号通信信息集团上海有限公司，上海 200070）

AF904型轨道电路是数字轨道电路的一种，能够实现对轨道线路占用情况的监督及传递行车信息，已应用到多条地铁线路中。其工作状态直接关系列车是否正常运营。目前，对AF904型轨道电路的维护方式是利用示波器和万用表定期测试轨道电路的电流、频率，以判断其工作状态。这种传统的维护手段存在效率低、可测试参数少，无法判断轨道电路数据传输是否正常等缺点。因此，有必要提供一个可测多种参数、能分析、解码轨道电路数据、具备故障报警功能的测试设备。

在轨道电路测量方面，文献[1]提出了基于相关算法的轨道电路测量方法；文献[2]提出了一种基于故障预测与健康管理开放式分层体系的轨道电路特征参数采集及信息处理设备；文献[3]提出了基于51单片机测试25 Hz相敏轨道电路的设计方案。在轨道电路故障诊断方面，文献[4]提出了基于粒子群支持向量机的轨道电路故障诊断方法；文献[5]提出了基于遗传算法的无绝缘轨道电路故障综合诊断方法；文献[6]建立了基于ANFIS的音频轨道电路故障诊断和预测模型；文献[7]提出了一种便携式可检测多种轨道电路故障的测试仪的设计方案。

本文针对AF904数字轨道电路，提出一种基于数字信号处理（DSP）的离散短时傅立叶变换（DSTFT）、数字滤波等关键技术的便携式测试仪的设计和实现方案，以解决日常维护保养中传统维护手段效率低，无法实现数据解码等问题。该测试仪结合专门研制的轨道拖行小车，可实现在钢轨上连续测试，并实时解码、显示轨道电路信息，为轨道电路的日常维护保养、故障诊断提供了非常重要的支撑数据。

1 测试仪功能设计

综合AF904数字轨道电路现场应用情况及维护需求，测试仪具有电流、频率等基本参数测量功能、测试数据分析功能、检测结果可视化功能、辅助排查干扰源及报警等功能。

1.1 基本参数测量

具备对AF904轨道电路的基本参数电流、电压和频率进行测量的功能。测量范围：

电压：5 mV～200 V

电流：5 mA～20 A

频率：20 Hz～20 kHz

测量精度：±5%

1.2 测试数据分析

测试仪采集轨道电路的电压、电流和频率等参数，对采集参数进行计算分析，根据所设阈值自动判断轨道电路的工作状态，实现对轨道电路性能指标的定量化分析。

1.3 数据解码

传统的测试手段不能对数字轨道电路传输的数据进行解码，无法获知速度码等轨道电路的内部编码信息，导致无法及时发现误操作等造成的数据篡改。本测试仪可采集AF904数字轨道电路传输的数据，并对数据进行解码，解析出轨道电路号、目标速度、目标距离等关键信息，便于维护人员核对及维护。

（1）微藻微观水平的认识。从分子水平上认知微藻，了解其代谢途径和机理，如微藻油脂积累途径和太阳能转化途径。微观水平的认识有利于使用现代化基因技术构建生长速度快、生物量高的优良藻种，提高微藻的太阳能转化效率，解决油脂积累与生物量积累的矛盾。

1.4 测试结果可视化

测试仪可以在显示屏上显示信号电压值、频率、轨道电路号等信息，还可以在智能终端APP的界面中显示解码后的目标速度、目标距离等值，实现检测结果的可视化。

1.5 辅助排查干扰源

目前,轨道电路的故障中除硬件故障外，发生最多的是干扰造成的故障，但由于现场设备较多，干扰信号很难排查，单靠市面上现有的仪器仪表，很难发现干扰源。该测试仪可以同时显示轨道电路上接收到的3个信号最强的信号，便于预先查到干扰源。

1.6 报警

测试仪可事先设定各参数的阀值，并在超出阈值范围时发出报警，辅助维护人员判断轨道电路的工作状态。

1.7 测试数据存储和下载

测试仪预留数据对外输出接口，可实现测试数据下载功能。另外，测试内置存储芯片，可实现测试数据保存的功能，数据存储容量为500 M。

1.8 手持式测试

测试仪体积小（长184 mm，宽110 mm，高75 mm），重量轻，可实现手持式测试。如需查看详细测试数据，可以通过手机、平板电脑等智能终端APP实时查看测试参数及解码后的数据，操作简单便捷。

2 测试仪工作原理

测试仪采用电压探头、电流钳、天线等多种方式作为信号采集工具，实现对轨道电路信号的采集，采集的信号经滤波后传输给DSP进行分析、解码、显示，并在参数超限时报警。原理如图1所示，测试仪主要包含信号采集单元、信号滤波单元、信号处理单元和手持式终端等部分。

2.1 信号采集单元

信号采集模块主要完成对轨道电路数据进行采集的功能。测试仪对信号的采集可采用电流钳、电压探头和感应天线3种方式。电流钳用来夹在棒线上采集轨道电路的信号。用电压探头采集信号时，可将电压探头与轨面直接接触。感应天线用来在轨面上方以感应的方式采集轨道电路信号，可固定在轨道拖行小车上，实现对轨道电路信号的连续采集。

图1 原理框图

2.2 信号滤波单元

采集的信号经滤波器进行滤波。滤波器包含硬件滤波器和软件滤波器两种。硬件滤波器采用MAXIX带通滤波器，软件滤波采用FIR带通滤波器，采样率（Fs）为68 kHz。

2.3 信号处理单元

信号处理单元采用基于DSP的数据处理模块，主要完成AD采样、移频键控（FSK）信号解调、数据解码、参数定量化分析和数据传输等功能。AF904轨道电路的信号采用二进制移频键控（BFSK）方式对载频进行调制，构成不归零反转编码数据（NRZI）。传统的FSK信号解调主要采用相干解调算法，但其对噪声比较敏感。由于轨道电路现场存在较多干扰信号，因此在解调时选择采用了短时傅里叶变换（STFT）的算法实现对数字轨道电路FSK信号的解调。解调后的信号根据编码协议进行解码，解码出轨道电路号、目标速度、目标距离等信息，传送给信号显示单元进行显示。同时，对电压、电流、频率参数进行分析，在参数异常时发出报警信息。

2.4 智能终端APP

智能终端APP是基于安卓系统开发的可实现智能终端用户与测试仪之间交互工作的软件。把APP软件预装在任一安卓系统的智能终端上（如手机、平板电脑），在测试时可通过运行APP软件对测试仪进行操控，并可实时在APP上查看解析的轨道电路的电压、电流、频率及编码信息。同时，通过事先设定的门限值，APP软件可根据采集到的电流大小判断该轨道电路工作状态是否正常，并在参数超标时在显示屏上提示报警。

3 测试仪组成

测试仪由测试盒、采集工具（电流钳、天线或电压探头）、智能终端APP和轨道拖行车（需要连续测试轨道电路信号时使用）组成，如图2所示。测试盒是测试仪的核心，主要完成测试信号的处理、分析和报警功能。采集工具可采用电流钳、电压探头或天线，采集工具与测试盒之间用基本网络卡（BNC）接头相连接。根据不同的测试需求，选择不同的采集工具。如需要在轨面上单点测量，可选择使用电压探头；如需要在棒线上测量，可以采用电流钳夹在棒线上；如需要在轨面上连续测量则选择天线作为信号采集工具，将天线固定在轨道拖行车上，实现连续测量的功能。

图2 测试仪组成

4 关键技术

4.1 基于DSP的FIR数字滤波器

根据移频信号相位连续的特性，测试仪采用了基于DSP的FIR数字滤波技术。根据实际的AD采样频率及信号的频谱特征确定滤波器参数，利用Matlab计算滤波器系数，在Matlab中的计算如图3所示。FIR滤波器主要的特点是没有反馈回路，因此，它是无条件稳定系统。它的单位脉冲响应h(n)是一个有限长序列。FIR滤波算法实际上是一种乘法累加运算，它不断地输入样本x(n)，经延时做乘法累加，再输出滤波结果y(n)。滤波器参数设计如下：

（1）采样频率（Fs）：68 kHz

（2）带通滤波器的下过渡带的参数：Fstop1=8 kHz；Fpass1=9 kHz

（3）带通滤波器的上过渡带的参数：Fstop2=18 kHz；Fpass2=17 kHz

（4）通带波纹不超过0.2 dB，阻带衰减不小于60 dB。

图3 Matlab计算滤波器参数

4.2 基于 DSTFT的 FSK 信号解调技术

AF904轨道电路数据信息以二进制移频键控（BFSK）方式对载频进行调制，构成不归零反转编码数据（NRZI），其数据波形如图4所示[8]。

图4 NRZI数据编码波形

测试仪采用了DSTFT解调BFSK信号。DSTFT定义为：

其中： x(n)为输入信号序列，w(n)为移动窗函数，N为窗宽度。式（1）可以看作是信号 x(n)在“分析时间”n附近的“局部频谱”,当n变化时,得到信号频率随时间n变化的规律[9]。根据 DSTFT的原理，实现对AF904轨道电路BFSK信号的解调，实现框图如图5所示。

图5 利用DSTFT解调BFSK信号流程

5 应用及应用效果

便携式AF904数字轨道电路测试仪已经在现场测试中得到了应用，经过与示波器测试结果对比，该测试仪能够准确测量AF904数字轨道电路的基本参数，测试精度在±5%之内，满足日常维护要求，且能够实时查看解码后的数据，为维护人员判断轨道电路的状态提供了有力的数据支撑。另外，与传统的维护工具示波器和万用表相比，测试仪体积小，重量轻，操作简便，很大程度上减少了维护人员的工作量，在轨道电路的日常维护保养中发挥了重要作用。