一种基于FPGA二取二架构的25 Hz轨道信号抗干扰采集电路设计

林伟欣， 秦洁心， 杨春， 刘晓男， 张辉

(卡斯柯信号有限公司， 上海 200071)

0 引言

轨道电路是铁路信号自动控制的基础，可以用于检测列车的位置，也可以通过轨道将地面信号传递给机车，控制列车的运行。相敏轨道电路的信号电源为25 Hz交流电，传统的接收器是交流二元二位继电器。

智能全电子25 Hz相敏轨道接收器用于取代传统的二元二位继电器，通过对25 Hz相敏轨道电路上的信号进行采集和处理，作为判断轨道占用状态的依据，并将得到的轨道占用状态信息发送给联锁系统进行联锁逻辑处理。

1 25 Hz相敏轨道电路工作原理

25 Hz相敏轨道电路采用25 Hz电源供电电源。电源模块生成两路25 Hz交流电源，1路为轨道电源，1路为局部电源，局部电源的相位超前轨道电源90°。轨道电源通过送电端送到轨道上，如果轨道上为空闲状态(没有车)，那么轨道电源信号将会通过轨道传送到受电端。通过受电端，这个交流信号进入到二元二位相敏轨道继电器的输入端线圈，形成一个交流磁场。同时局部电源信号也进入二元二位相敏轨道继电器的另外一个输入端线圈，形成了另外一个交流磁场。两个磁场中间有块金属翼板，在两个磁场的共同作用下进行转动，带动接点支架向上动作，从而中接点和上接点接通,如图1所示。

图1 相敏轨道电路工作原理

如果轨道上为占用状态(有轮对跨压在轨道上)，则轨道处于短路状态，轨道电源无法到达受电端，则二元二位相敏轨道继电器中轨道电源形成的交流磁场消失，金属翼板在回位弹簧的作用下回位，中接点和上接点断开。

因此，继电器有没有吸起，取决于翼板是不是有足够的转矩。根据，翼板的转矩为

M=KΦJΦGsinθ

其中，ΦJ为局部电源产生的磁通有效值，正比于局部电源电流有效值，ΦG为轨道电源产生的磁通有效值，正比于轨道电源电流有效值，θ为局部电源超前轨道电源的相位。从公式可以看出，当θ为90°的时候，力矩最大。因此，这个继电器具有相位选择性。但不是说相位差必须是90°，只要在一定的相位差范围内，就有足够的转矩让继电器吸起。

轨道电路中，主要存在的干扰来自于电气化铁路牵引系统中不平衡电流的干扰。

当轨道电源中存在工频50 Hz干扰时，则50 Hz信号对翼板的转矩为

M=M2-M1=CΦJΦG[cos(-ωt-90°+θ)-cos(3ωt-90°-θ)]-CΦJΦG[cos(ωt-90°-θ)-cos(3ωt-90°-θ)]

这个转矩在一个25 Hz周期内，式中各项求平均值都为0，则翼板的转矩M为0。因此可以看出，这个继电器具有频率选择性。它对50 Hz的干扰，具有极强的抗干扰能力。

因此开发智能全电子25 Hz相敏轨道继电器，必须具备以下的特性：

具有通过局部电源进行鉴频鉴相的功能

具有抵抗50 Hz牵引电流干扰的能力

2 FFT变换的基本原理及采样定理

离散傅里叶变换是X(n)的频谱X(ejw)在[0,2π]上的N点等间隔采样，也就是对序列频谱的离散化。

根据采样定理，若连续信号x(t)是有限带宽的，其频谱的最高频率为fc，对x(t)抽样时，若保证抽样频率

fs≥2fc

则可以通过离散采样值x(nTs)无损地恢复出原始信号x(t)。

但是离散傅里叶变换计算量巨大，工程应用上要实现实时处理有难度，因此采用快速傅里叶变换(fast Fourier transform，简称FFT)。FFT是一种利用计算机计算离散傅里叶变换(DFT)的高校快速的计算方法。FFT利用离散傅里叶变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅里叶变换的算法进行改进，采用FFT可以有效减少计算离散傅里叶变换所需要的乘法次数，随着被变换的抽样点数N的增多，FFT算法能减少的计算量就越显著[3,4]。

3 系统设计

本文设计了一种基于FPGA二取二架构的25 Hz轨道信号抗干扰采集电路,如图2所示。

系统由采集模块(A和B)，模数转换模块(A和B)，采样模块(由FPGA_A和FPGA_B组成)，运算处理和判断模块(由CPU_A和CPU_B组成)。

图2 基于FPGA二取二架构的25 Hz轨道信号采集电路

轨道电路采集模块对轨道信号进行采集后，初步滤波，消除高频干扰信号。然后通过ADC，将模拟信号转换为数字信号。通过FPGA_A和FPGA_B对轨道信号进行采样，并将结果分别发送给CPU_A和CPU_B。CPU_A/B中采用FFT算法对采集得到的数字信号进行处理，并参考局部信号作为相位基准，得到轨道信号的电压、频率和相位。并与设定的阈值进行比较后，得到轨道占用或空闲状态的结果。CPU_A和CPU_B将各自判断的结果进行交互，若CPU_A和CPU_B判断得到的轨道占用状态不一致，则系统导向安全侧。若CPU_A和CPU_B判断得到的轨道占用状态一直，则将该结果送给外部联锁设备。

4 仿真实验

不平衡牵引电流干扰的幅度不大于100A，频率为50 Hz±0.5 Hz(考虑一定的冗余量，仿真时频率偏差设定为1 Hz，即49 Hz-51 Hz)。25 Hz的轨道信号，在有车占用区段的情况下，其有效值最大为7.4 V的正弦信号，频率为25±0.5 Hz(由50 Hz工频电源变频来的，同样考虑冗余量)。上述两种信号叠加后得到的信号，即为25 Hz轨道信号采集电路的输入信号。该信号经过FFT变换后得到的信号，在25 Hz频点上的有效幅值是作为判断轨道占用情况的依据。若其大于判断为无车的阈值，则可能将轨道占用误判为轨道空闲，这是危险的。

仿真时，设定FFT采样频率位6 400 Hz，采样点为256。对轨道信号，不平衡电流信号按照0.1 Hz的步进进行扫频，经过比较得到当25 Hz信号的中心频率为24.5 Hz，有效幅度7.4 V，50 Hz牵引电流干扰的中心频率49 Hz，有效幅度78 V(100 A对应输入阻抗得到的幅值)时，得到的25 Hz频点的幅值最大。其结果随初始相位的变化规律如图3所示：

图3 初始相位对25 Hz正弦波叠加50 Hz工频信号在

由图可知，24.5 Hz信号，叠加49 Hz牵引电流干扰，经过FFT计算后，在25 Hz处的幅值，随着初始相位的不同，呈现周期性的变化规律。最大值出现在24.5 Hz初始相位为，49 Hz初始相位为时，幅值为：16.423 9 V。

5 总结

通过上述分析可知，50 Hz牵引电流干扰叠加上25 Hz信号得到的新的信号，经过FFT后。25 Hz频点上的最大幅值为16.423 9 V。因此，CPU在选取阈值的时候，判断为空闲的阈值只要大于这一数值，就不会有危险发生。