程貴良，何　濤，趙長財

（1.蘭州交通大學(xué) 光電技術(shù)與智能控制教育部重點實驗室，甘肅 蘭州730070；2.蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州730070）

便攜式直流轉(zhuǎn)轍機測試儀的研究與設(shè)計*

程貴良1，何濤1，趙長財2

（1.蘭州交通大學(xué) 光電技術(shù)與智能控制教育部重點實驗室，甘肅 蘭州730070；2.蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州730070）

根據(jù)6502電氣集中道岔控制電路原理，設(shè)計了一種基于Atmega16處理器和電流傳感器的便攜式四六線直流轉(zhuǎn)轍機測試儀。該系統(tǒng)包括道岔模擬驅(qū)動電路、信號采集電路、智能分析顯示電路。道岔模擬驅(qū)動電路由單片機通過光耦合開關(guān)控制繼電器完成對轉(zhuǎn)轍機的操作，信號采集電路主要由電流傳感器采集電流信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，發(fā)送給上位機顯示模塊，實時監(jiān)測和分析轉(zhuǎn)轍機工作狀態(tài)和繪制道岔動作電流曲線。測試結(jié)果表明：該測試儀能夠完整地采集到轉(zhuǎn)轍機工作時的信息，且性能穩(wěn)定，可以幫助電務(wù)人員檢驗配線的正確與否以及診斷道岔故障。

道岔控制電路；電流互感器；轉(zhuǎn)轍機；道岔故障診斷

0　引言

轉(zhuǎn)轍機是鐵路系統(tǒng)中重要的電氣信號設(shè)備，其可靠工作直接關(guān)系到鐵路運輸?shù)陌踩虼藢D(zhuǎn)轍機的檢測與維護是十分必要的。對于轉(zhuǎn)轍機檢修人員來說，一種測量準(zhǔn)確、可靠耐用的轉(zhuǎn)轍機專用測試儀對他們的日常維修工作有很大幫助[1]。我國對轉(zhuǎn)轍機專用測試儀的研究開始于本世紀(jì)初期，在此方法的研究并不多。目前，對電動轉(zhuǎn)轍機的測試設(shè)備主要有兩類：一是由閆衛(wèi)剛[2]等研究的電動轉(zhuǎn)轍機綜合參數(shù)測試儀，每次進行測試時需要拆卸轉(zhuǎn)轍機，不適合現(xiàn)場實時測量。二是由王安[3]等研究的便攜式轉(zhuǎn)轍機測試儀，雖然能實時在線檢測，但是在測量時需要人工安裝夾鉗式傳感器，“人為因素”會影響測試結(jié)果。但是，對于轉(zhuǎn)轍機模擬驅(qū)動電路直接驅(qū)動轉(zhuǎn)轍機，在其動作、表示回路中接入穿心電流互感器來測試轉(zhuǎn)轍機性能的方法在國內(nèi)外文獻(xiàn)報道中較少。

本文是基于 Atmega16處理器和電流傳感器的便攜式四六線直流轉(zhuǎn)轍機智能測試儀。通過光電隔離開關(guān)控制繼電器，模擬6502電氣集中四線制和六線制道岔組合電路驅(qū)動直流轉(zhuǎn)轍，可實現(xiàn)雙機牽引。通過電流傳感器來采集電流信息，將一次側(cè)的大電流按比例轉(zhuǎn)化成小電流，通過電壓轉(zhuǎn)換電路供給單片機A/D端口，經(jīng)電流循環(huán)檢測處理算法分析道岔的位置以及動作電流曲線的繪制，使用時無需人工安裝傳感器。該系統(tǒng)由3個部分組成，分別是道岔模擬驅(qū)動電路、信號采集電路、智能分析顯示模塊。實驗證明該測試儀對轉(zhuǎn)轍機的檢測效果明顯，方便于電務(wù)人員對其工作狀態(tài)的診斷。

1　系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1道岔模擬驅(qū)動電路

Atmega16處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為增強型低功耗 8位CMOS微控制器，比普通的CISC微控制器數(shù)據(jù)處理能力更高，并且自身有10位逐次比較的A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換精度高，能夠?qū)Χ丝谳斎腚妷哼M行采樣。本文在 6502電氣集中四線制道岔控制電路[5-6]基礎(chǔ)上，根據(jù)其功能需求，設(shè)計了以 Atmega16為處理器的道岔驅(qū)動電路[7]，硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　道岔模擬驅(qū)動電路

1.2道岔動作工作原理

當(dāng)處理器檢測到定操、反操按鈕按下時，單片機通過光耦開光控制DCJ↑（吸起）、FCJ↑。DCJ、FCJ的前接點接通動作電路X1與X5、X2與X6線，X4為動作專用線，從而接通轉(zhuǎn)轍機驅(qū)動電路。當(dāng)?shù)啦碓谵D(zhuǎn)動過程中遇到異物轉(zhuǎn)換不到位時，需按下急停按鈕以防止燒壞轉(zhuǎn)轍機，單片機控制輸出使得DCJ↓（落下）、FCJ↓，DCJ、FCJ后接點閉合，斷開轉(zhuǎn)轍機驅(qū)動電路。因此可以用DCJ、FCJ的↑和↓兩個狀態(tài)來反映操作人員對道岔的操作。

另外，在此過程中為了防止道岔沒轉(zhuǎn)到位而落下，采用軟件延時的方法來模擬其自閉電路功能，等待其可靠落下。

1.3道岔動作時間檢測原理

只有在道岔動作的時候有動作電流，當(dāng)DCJ↑或者FCJ↑時，單片機定時器開始計時，說明道岔開始轉(zhuǎn)動。當(dāng)DCJ↓或者FCJ↓并且檢測3個電流傳感器的電流大小來表明道岔轉(zhuǎn)換結(jié)束，此時計時停止。為了在顯示模塊中準(zhǔn)確反映道岔轉(zhuǎn)動時間，因此在發(fā)送該狀態(tài)數(shù)據(jù)時只傳送產(chǎn)生中斷定時的次數(shù)，實際時間是中斷次數(shù)的0.25倍（定時周期為0.25 s）。

1.4道岔狀態(tài)分析原理

道岔驅(qū)動板取消了電氣集中電路中傳統(tǒng)的DBJ和FBJ，由電流傳感器替代。當(dāng)?shù)啦磙D(zhuǎn)換完畢后，DCJ↓、FCJ↓。其后接點閉合接通表示電路，通過檢測道岔定位/反位傳感器電流有效值,記錄道岔位置。

通過對采集到的電流信號，CPU對道岔的工作狀態(tài)進行反饋和判斷。為了提高所采集數(shù)據(jù)的有效性，本設(shè)計中使用了軟件電流循環(huán)檢測的算法（即在回路中循環(huán)檢測采樣周期電流的有效值）。

對于道岔表示電路：在判斷道岔位置時，加以門限電壓，其目的是防止干擾電壓。只有當(dāng)表示電流有效值大于門限電壓的時候，作為表示電流有效值。利用電流循環(huán)檢測算法判斷道岔位置。具體算法如圖2所示。

圖2　表示電流循環(huán)檢測算法

同理在道岔動作電路中也串入該傳感器，雖然繼電器能夠控制道岔的動作，但是當(dāng)?shù)啦磙D(zhuǎn)換到位后，需給MCU進行到位信息的反饋。在動作電流加以門限電流 Imin和超限電流 Imax，在多次采樣周期內(nèi)如果電流有效值在 Imin

最后表示電流信息和動作電流信息實現(xiàn)“邏輯與”功能綜合判斷轉(zhuǎn)轍機性能。

在道岔轉(zhuǎn)動過程中加入了限時保護功能?？蓪崿F(xiàn)30 s道岔轉(zhuǎn)動不到位即刻停止驅(qū)動的保護功能。即在正常情況下道岔操動到位后停止驅(qū)動，如果連續(xù)驅(qū)動 30 s仍然不能到位。測試儀主動停止驅(qū)動，用以保護轉(zhuǎn)轍機。

1.5信號采集調(diào)理電路

在驅(qū)動電路中的道岔動作電路和表示電路回線中串入穿心感應(yīng)式電流傳感器，隔離采樣電流[4]。由于電流互感器輸出的雙極性電平信號，感應(yīng)電流轉(zhuǎn)換成電壓后，經(jīng)運算放大，利用加法器原理將輸入電壓 I·R1和參考電壓V1相加，電平移位處理成0～5 V單極性電壓，供給單片機A/D轉(zhuǎn)換通道。轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

此時輸出電壓U和I的關(guān)系為：

ADC單次轉(zhuǎn)換結(jié)果為

式中I為互感器輸出電流有效值，V1為參考電壓，U為轉(zhuǎn)換后的電壓，Vref為 A/D轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓。

圖3　信號采集電路

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電后，首先進行系統(tǒng)初始化，然后通過命令按鈕發(fā)送相應(yīng)的指令，讓MCU完成相應(yīng)的功能。功能主要包括：驅(qū)動轉(zhuǎn)轍機動作、采集傳感器的測試信號、緩存采集信號、將數(shù)據(jù)上傳到顯示模塊。系統(tǒng)總體流程設(shè)計如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)主流程圖

2.1采集數(shù)據(jù)的緩存

根據(jù)技術(shù)要求，道岔驅(qū)動采集模塊向上位機顯示模塊發(fā)送兩種信息，一是驅(qū)動板每隔0.5 s向上位機傳送轉(zhuǎn)轍機工作的目前狀態(tài)，其字節(jié)長度為M，編碼順序依次為道岔位置和操作命令、動作時間、動作電流 （高位）、動作電流（低位）、四/六線類型以及故障信息編碼。二是當(dāng)按下顯示“曲線按鈕”開始發(fā)送所采集的道岔動作電數(shù)據(jù)信息，其字節(jié)長度N，且M

表1　數(shù)據(jù)格式

道岔驅(qū)動采集模塊對采集到的數(shù)據(jù)采用周期循環(huán)檢測的方式，將數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，把兩種數(shù)據(jù)暫存在存儲器中，向顯示模塊傳送。

2.2采集數(shù)據(jù)的判斷原理

由于電流互感器穿入在交流電路中，交流電信號的有效值為交流電信號瞬時值的均方根值[3]，即：

為了能夠提高采樣數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性，根據(jù)式(3)，把轉(zhuǎn)轍機整個過程分成若干個小周期進行采樣，求其有效值。

值得注意的是，上面返回的電流有效值只能反映動作電流的相對大小，不能直接代替實際值。在動作電流監(jiān)測采集模塊之前串入電流表實測W值，在串口調(diào)試助手中測量有效值w值。由于為線性電路，所以轉(zhuǎn)轍機的實際值W與采集的有效值w之間基本上呈線性關(guān)系。其比例系數(shù)為k，數(shù)學(xué)關(guān)系式為W=kw0，其中w0為w轉(zhuǎn)換后的十進制的數(shù)據(jù)。

表2　電流測試數(shù)據(jù)

3　智能分析顯示模塊的設(shè)計

顯示模塊是可編程TFT LCD模組(PS-LCD)，自身具有TTL三線串口，可以與單片機異步通信接口直接連接。界面采用JavaScript腳本語言編程。本顯示模塊的主要功能為實時顯示道岔的位置、動作時間、動作方向、動作平均電流和道岔動作電流曲線。

另外，作為一個測試系統(tǒng)，當(dāng)驅(qū)動板故障造成顯示分析模塊無法接收數(shù)據(jù)時，為了避免顯示分析模塊對道岔工作狀態(tài)的誤判斷，必須要將驅(qū)動板故障和道岔自身故障區(qū)別出來。因此在上位機顯示模塊中加入定時器功能，用以監(jiān)督驅(qū)動板狀態(tài)。

4　硬件測試

圖5為反位操動轉(zhuǎn)轍機時的測試數(shù)據(jù)，通過異步通信串口上傳給該上位機顯示模塊，按照“幀頭 FBFB+采集數(shù)據(jù)+幀尾 FCFC”格式傳輸。從圖5可以看出，讀回的數(shù)據(jù)符合幀結(jié)構(gòu)，幀計數(shù)是連續(xù)的，沒有出現(xiàn)丟數(shù)現(xiàn)象。通過智能分析處理得出圖6和圖7。首先轉(zhuǎn)轍機在定位狀態(tài)（編碼6A）時，測試為單機牽引，類型為四線（編碼 6B），當(dāng)按下反操按鈕，系統(tǒng)響應(yīng)反操命令（編碼95），轉(zhuǎn)轍機到達(dá)定位后（編碼 A6）測試的時間為0x0A；電流為0X003A；故障編碼為 00，說明沒有故障。按下“顯示曲線”按鈕后，發(fā)送類型編碼 0x42的電流數(shù)據(jù)，發(fā)送完畢后，又實時地發(fā)送數(shù)據(jù)類型為0x41道岔狀態(tài)信息。由于A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)寄存器為10位，在發(fā)送一個電流數(shù)據(jù)點時，需先將高2位發(fā)送，再發(fā)低8位，共占2 B。實際在上位機處理時按照 “有效值等于高字節(jié)×256+低字節(jié)”處理。

當(dāng)?shù)啦磙D(zhuǎn)換到位后，顯示屏上顯示其工作狀態(tài)。此時按下顯示曲線按鈕，上位機自動繪制出道岔動作電流曲線，分析出動作時間和道岔動作平均電流，如圖7所示。其道岔動作電流曲線、道岔工作狀態(tài)基本符合實際情況。

圖5　反操時采集數(shù)據(jù)

圖6　反操過程界面

圖7　反操結(jié)束時界面

圖8是在模擬道岔被異物卡住時四開的情況。

圖8　道岔故障界面

5　結(jié)論

便攜式智能四六線轉(zhuǎn)轍機測試儀是一種將傳統(tǒng)的道岔控制電路、道岔采集機和站機一體化的智能儀器，它能夠模擬四線制或六線制道岔組合電路的功能，驅(qū)動直流轉(zhuǎn)轍機。另外還實現(xiàn)了對電流傳感器信號的采集和儲存，并通過上位機顯示模塊實時地監(jiān)測和分析其工作狀態(tài)。該設(shè)備具有體積小、便攜式、接線方便、操作簡單和表示直觀的特點，可以幫助電務(wù)人員提高檢驗配線的正確性以及對道岔故障診斷的準(zhǔn)確性，提高工作效率。

[1]李書維.便攜式轉(zhuǎn)轍機測試儀的設(shè)計[D].西安：西北工業(yè)大學(xué).2004(3)：1-21.

[2]閆衛(wèi)剛.ZC_3型便攜式轉(zhuǎn)轍機綜合測試儀的開發(fā)與應(yīng)用[J].技術(shù)改進，2013(3)：31-32.

[3]王安，袁學(xué)飛，彭志永.基于 ARM的便攜式轉(zhuǎn)轍機測試儀的設(shè)計[J].計算機測量與控制，2006，14(9)：1270-1276.

[4]趙相容，李萍.TJWX-2000型信號微機監(jiān)測系統(tǒng)[M].北京：中國鐵道出版社，2003.53.

[5]Antonio Hernando，Eugenio-Lozano，Roberto Maestre-Martinez，et al.A logic-algebraic approach to decision taking in a railway interlocking system.Annals of Mathematics and Artificial intelligence，2012，65(4)：317-328.

[6]何文卿，王大地.6502電氣集中電路[M].北京：中國鐵道出版社，2012(12)：105-108.

[7]何濤，范多旺，魏宗壽.計算機聯(lián)鎖全電子三相交流轉(zhuǎn)轍機控制模塊[J].鐵道學(xué)報，2011，33(4)：81-82.

The research and design of a portable DC point machine tester

Cheng Guiliang1，He Tao1，Zhao Changcai2
(1.Key Laboratory of Opto-Technology and Intelligent Control Ministry of Education，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China；2.School of Electronic and Information Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China)

According to the principle of switch control circuit in the 6502 electric interlocking system,a portable DC point machine tester of 4/6 wires-type based on Atmega16 processor and current sensors is designed.The system compose of switch analog driving circuit,signal acquisition circuit and intelligent analysis display circuit.The driving circuit completes the operation of point machine by SCM,which controls circuit apparatus through optical coupling switch;in the system of signal acquisition circuit,the analog signal collected by current sensor is converted to the digital one via A/D converter,which is transmitted to display module of upper computer,so that the circuit can measure and analyze the working conditions of point machine timely,as well as draw the current curves of switch action on the screen.The experimental results show that the tester can completely gather the working information of point machine,which with a stable performance can enable electrical workers to check whether the installation of wiring is correct and diagnose whether the switch fails.

switch control circuit；current sensors；point machine；switch fault diagnosis

TP216

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.01.011

甘肅省青年科技基金（1308RJYA096）

2015-09-13)

程貴良（1991-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：交通信息工程及控制，E-mail：cgl_lzjtu@qq.com。

何濤（1977-），男，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向：交通信息工程及控制。

趙長財（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向：電子通信工程。

中文引用格式：程貴良，何濤，趙長財.便攜式直流轉(zhuǎn)轍機測試儀的研究與設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(1)：44-47.

英文引用格式：Cheng Guiliang，He Tao，Zhao Changcai.The research and design of a portable DC point machine tester[J]. Application of Electronic Technique，2016，42(1)：44-47.