??? 摘 要： 針對UM71無絕緣軌道電路" title="軌道電路">軌道電路中補償電容" title="補償電容">補償電容的測量，設計了一種基于超低功耗單片機MSP430的補償電容以及鐵路信號頻率測量的便攜式測試儀。
??? 關鍵詞： 無絕緣軌道電路" title="無絕緣軌道電路">無絕緣軌道電路? MSP430? 補償電容? 在線測試
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??? 隨著列車車速的不斷提高，對列車軌道的要求也越來越高。原有的有絕緣軌道電路已無法滿足鐵路運輸事業發展的需要，因而世界各先進工業國家開始研制無絕緣軌道電路[1]。其中，以法國CSEE公司研制成功的UM71無絕緣軌道電路應用最為廣泛。該系統于20世紀80年代末引入我國, 這種無絕緣軌道電路利用諧振原理，把低頻調制的FSK信號(4種載頻，18種低頻)通過鋼軌進行傳輸。由于平行的鋼軌具有等效感抗特性，嚴重影響信號傳輸的距離，為了使輸出信號不失真，在每一閉塞分區，每隔100米便安裝1個33μF的諧振電容，與鋼軌的等效電感組成串聯諧振電路來提高信號傳輸距離。為確保該系統工作正常，鐵路工作人員必須經常沿鐵軌檢查軌道電路的運行參數。其中重要的一項便是對并接補償電容容值的測量，而目前通用的電橋法電容測量設備無法進行在線測量。對軌道上運行的列車，補償電容離線測量存在巨大的安全隱患[2]。專用的UM71無絕緣軌道電路補償電容在線測量設備雖可進行在線測量，但由于采用被動測量方式，對鉗型電流傳感器的分辨能力要求很高，提高了設備復雜度，大大增加了設備的成本，并且設備體積較大，不便于攜帶。鑒于此，本文設計了一種便攜式在線測試儀。
1 工作原理
??? 通過向待測電容兩端施加高于軌道電路本身所傳信號頻率的激勵信號" title="激勵信號">激勵信號，同時采集電容兩端的響應信號，并將該信號經帶通濾波器濾除噪聲后送至單片機MSP430（內部含有A/D轉換器和采樣保持模塊）內進行A/D轉換。由于補償電容的容值同轉換后的數值之間存在著一定的對應關系，根據這個關系，把經過A/D轉換后的數值同預先標定好的數值進行比較就可以得出其容值。該測量方法已通過實驗證實了合理性。同時，本測試儀還具有對載頻和調頻頻率進行測量的功能。由于待測信號為較高頻率的載頻信號和低頻調制信號調制成的混合信號，將此信號經過零比較器比較后送至單片機內的定時器計數得到載頻頻率，同時將該信號通過低通濾波器濾除較高的載頻信號，經過零比較器后送至單片機得到調制信號頻率。
2 系統硬件設計
??? 該測試儀采用的是主動測量方法，整個系統的框圖如圖1所示，主要由信號發生模塊、驅動電路模塊、信號采集模塊、單片機和顯示模塊組成。
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2．1信號發生及驅動模塊設計
??? 首要問題是激勵信號頻率的選定，該儀器選擇的激勵信號頻率不能太低，若太低，根據感抗公式：XL=2πfL，將使得導軌感抗過小，這樣會形成補償電容的并聯效果，使測量失去意義。同時頻率也不能選擇太高，由于測量系統的內阻在測量中起分壓作用，頻率過高將使得輸出電壓過小，影響測量系統的分辨率。綜合以上兩點并結合試驗，選取的激勵信號頻率為10kHz。
本模塊設計" title="模塊設計">模塊設計思想是：對2MHz晶振的輸出進行200分頻后得到穩定的10kHz的方波信號，并將該信號經達林頓管提高其驅動能力。
2．2信號采集模塊設計
??? 通過測量探頭采集到的信號是比較微弱的，因此必須將該信號經放大器進行放大。由于鐵路的工作環境比較惡劣，采集到的信號不可避免地混入了干擾信號。在經過放大器時干擾信號同樣被放大，這將嚴重影響測量結果。為濾除該噪聲信號，本測試儀采用了MAXIM公司開發的8階連續時間有源濾波器MAX274進行濾波[3]。
2．3 鑒頻模塊設計
??? 采集到的信號經過零比較器后被送入MCU的TimerA進行計數,從而得到較高頻率的載頻信號(1 700Hz、2 000Hz、2 300Hz和2 600Hz)的頻率。信號繼續經低通濾波濾除高頻信號后，得到的就是低頻調制信號的頻率。
2．4 主控芯片和顯示模塊設計
??? 考慮到運行環境等因素，最終選擇TI公司生產的高性能、超低功耗16位的單片機MSP430F147[4]為主控芯片。MSP430系列器件均為工業級產品，運行環境溫度為-40～+85℃，采用RISC結構，具有豐富的尋址方式和較高的處理速度。MSP430系列單片機的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。當系統處于省電的備用狀態時，用中斷請求將它喚醒只需6μs。顯示部分采用的是低功耗，美觀的LCD液晶顯示模塊。
3 系統軟件設計
??? 本系統軟件設計采用高效的C語言編程，根據系統的硬件構成，系統軟件設計主要由系統初始化、電容容值測量、鑒頻及人機交互四個部分組成。
??? 整個系統軟件的工作流程如圖2所示。
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4 試驗結果分析
??? 圖3所示為測得的容值同響應信號電壓峰-峰值之間的對應關系。從圖中可以看出：隨著待測電容容值的增大，響應信號電壓的峰-峰值逐漸減小。根據這一對應關系就可以得到電容的容值。假設以第一組數據為標定數據，由圖3可知，第二組數據最大誤差為35.3－34.1＝1.2μF。由于33μF補償電容的精度一般為±10%。即實際值在29.7μF～36.3μF之間，由此可知，該測量結果是比較精確的。鐵路工作人員可以根據測量結果來確定電容是否需要更換。同時為減小測量誤差，可以進行多次測量，取平均值作為標定數據。
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??? UM71補償電容測試儀是應實際需要而研制開發的,實現了移頻軌道電路參數的在線測量，便攜易用，降低了員工勞動強度，排除了由于補償電容離線測量導致的安全隱患。這種儀表具有直觀顯示電容容值以及傳輸信號的載頻和調頻頻率的功能。同時該測試儀具有抗電磁干擾能力強、體積小、重量輕、便攜性好等優點。
參考文獻
[1] 程明景. UM71軌道電路在中國的應用及改進. 甘肅科技, 2003,19(6):22-24.
[2]?韓佩富，高振天. UM71軌道電路補償電容在線測試系統的實現.電子技術應用, 2005,31(8)：38-40.
[3] 周俊,劉立柱，金俊利. 基于MAX274的有源帶通濾波器的設計.電子工程師, 2002,28(12)：47-51.
[4] 王少卿，汪仁煌. 低功耗MSP430單片機在3V與5V混合系統中的邏輯接口技術.電子技術應用, 2002,28(10):16-19.