基于ARM和相关算法的轨道信号检测系统设计.doc

基于ARM和相关算法的轨道信号检测系 统设计熊志金广州铁路职业技术学院轨道交通学院摘要：为丫保证列车的安全运行，需要对轨道电路中的二元二位继电器两端的电压信 号和相位差进行高精确度的检测在比较FI前几种常用测量方法的棊础上，提出 基于相关算法的测量方法，给出了信号检测系统的硬件构成、各种电路和算法的 软件实现，并对测量方法的抗干扰性能进行了分析关键词：ARM;相关算法;轨道电路;信号检测;作者简介：熊志金（1974—），硕士研允生，副教授，工程师，从事嵌入式控制 技术、无线传感器网络及应用研宄收稿日期：2017-06-05Received： 2017-06-050引言轨道电路广泛应用于轨道交通领域，是轨道交通系统运行实现自动控制和远程 监控的必不可少的设备通过对轨道电路中的电压信号和相位差信号的检测，可 以实现列车定位、判断当前轨道是否被列车占用；同时也是轨道.午.辆和控制地面 之间的一个信息传输通道，保证控制轨道车辆安全运行在现实的轨道交通系统 中，必须采取精确、可靠的方法测量轨道电路的电压和相位差信号，确定轨道的 使用情况，保证轨道车辆运行安全1轨道电路工作原理轨道电路电源采用的是25 Hz、25 V的交流电源，其结构组成如图1所示，A、B 表示两条铁轨，R是调节电阻。

当没有列车占用轨道时，A、B开路，继电器吸合; 当列车占用轨道的时候，A、B短路，继电器释放轨道电路的电压信号和相位 差检测能够反映轨道是否被列车占用然而，轨道现场运行情况很复杂，存在50 Hz的干扰信号，使继电器不能正确动作，同时由于轨道常年暴露在外，容易 生锈，列车占用轨道后会产生比较大的残压，使继电器不能正确的释放，给釆 集系统造成错误判断随着列车的提速，对轨道电路信号的检测要求也更加严 格为了克服干扰信号，目前采用二元二位继电器，其结构如图2所示，左边110 V、25 Hz的局部电压，右边是轨道电压当继电器通以规定频率电流，且局部 电压与轨道电压的相位相差90左右时轨道电路处于纯电阻状态，即最佳状态， 此吋继电器的驱动能力达到最大，使前接点闭合为了提高检测的准确性，先检 测两端电压的相位差，然后采取相应的补偿措施因此，轨道电路的信号检测就 变成了测量二元二位继电器两端的局部电压、轨道电压值以及局部电路和轨道电 路的和位差图1轨道电路结构图 下载原图图2二元二位继电器结构图 下载原图2硬件设计2. 1硬件结构组成轨道电路的信号检测系统以高性能的32位的STM32F103工业级芯片为控制核心, 包括电源电路、隔离变换电路、滤波电路、信号处理电路、通信电路、报警电路 和键盘显示接U电路，检测系统的结构组成如图3所示。

隔离变换和信号处理电 路对输入信号进行滤波放大处理，然后将信号传递到系统控制核心进行采样和 计算，由通信电路将控制核心计算处理的结果传递到上位机，键盘和显示电路 实现参数的设置与测量结果显示，如果检测出来的信号有异常，则进行声光报 警，提醒相关人员对轨道进行勘测2.2离、变换电路设计硬件系统采用SPT205电流互感器作为隔离变换电路的主元件，断开轨道电路与 信号检测电路之间的直接电路连接，保证轨道电路和测景检测电路两端的接地 电平不在同一基准上，杜绝环路电流对各级电位信号的损害同时，为了能够让 微处理器的A/D转换通道对信号直接处理，通过SPT205隔离变换电路将轨道电 路上大信号转换成小信号SPT205是一种精密的电流互感器，精确度达到毫安 级，它的输入输出额定电流均为2m A，并且一次电流和二次电流相等，通过电 阻R30将电压信号转换为电流信号，最后通过负载电阻得到输入和输出电压信 号的比值在输出端，采用电流/电压变换电路将得到的电流信号转换为电压信 号，如图4所示图3系统硬件结构图 下载原图图4隔离变换电路图 下载原图2.3信号处理电路设计轨道电路中掺杂丫很多干扰信号，它们并不是理想的正弦波信号，从而导致轨 道电路中的电压在某一个区域中波动，若直接采用电压比较电路对掺杂干扰的 信号进行处理，则很难保证输出是一种理想的矩形波信号。

另一方面，由于滤波 器电路木身会改变电压信号的相位，而且也存在相位的误差，如果直接釆用滤 波电路对信号进行滤波处理，将导致轨道电路中电压信号的相位失真，经过微 处理器处理后相位的误差将更大为了实现对轨道电路中轨道电压与参考电压之 间相位差的准确测量，系统先放大隔离变换后得到的信号，然后在此基础上叠 加直流分量，最后再送入微处理器A/D转换通道进行测量计算信号处理电路如 图5所示3软件设计STM32F103微处理器的A/D转换通道对隔离、滤波电路处理后的电信号进行采样, 采用和关算法对采样数据进行运算，计算出信号的和位差和电压幅度，并存储， 最后根据测量的结果进行显示和异常报警，软件主流程图如图6所示阁5信号处理电路阁 下载原阁图6主程序流程图 下载原图3.1轨道信号相位差测量目前主耍采用积分法、过零检测法进行相位测量积分法先将轨道电路的电压信 号和参考电压分别进行信号处理，通过比较电路将两个电压信号转换为矩形波， 然后让两矩形波通过异或门电路分别计算出两个电压信号的占空比，再根据占 空比计算相位差过零检测法是将两个同频率的正弦信号经过信号处理电路后变 成方波信号，正向过零点和负向过零点分别对应方波信号的前后沿，并与RS触 发器的置位端和复位端连接，RS触发器输出的脉冲宽度就是两个信号之间的时 间差，最后将时间差转换为相位差。

由于轨道电路中存在很多干扰信号，轨道电路的电压并不是一个理想的正弦波 信号，因此实际的轨道电压在一个区域中波动，经过比较电路处理后，难以获 得一个理想的矩形波信号为了准确测量轨道电路电压信号与参考电压相位差， 本文采用基于相关算法的测量方法3.1.1相关算法假设经过信号处理后，两个同频率的信号分别是局部电源信号X (t)和轨道电 路信号Y (t),表示为：式中，*是两个信号的相位差值，频率均为25 11Z;NX (t)和凡(t)是它们的 噪声信号那么它们的相关函数为：Rxy (T) = (T)乙 X (t) y (t+T) ]dt (3)当t取0时，相关函数为：因为噪声之间不相关，噪声和信号之间也不相关，所以有:由此得出:下面分析A, B的值和相关函数的关系X (t)的自相关函数为:因为噪声之间不相关，噪声和信号之间也不相关，所以有:因此，有:综合式(6)、 (9)、 (10)可得，两个信号的和位差为:经过离散处理后给再由微处理器计算处理，相关函数离散后为:因此，和位差的计算公式为:3.1.2相位差计算根据奈圭斯特定理，频带为F的连续信号f U)可用一系列离散的采样值f (b), f (UtAt，f (titZAt)，...来表示，只要这些采样点的时间间隔△ t

考虑随机噪声的影响， 按照1 k Hz的频率进行采样，通过微处理器的定时器中断分别读取两路通道的 A/D采样值，每秒钟对采样数据进行处理，并保存采样值到数组中，采够k个点 的采样值后，先通过求平均值求出两个信号的直流分量，然后每个采样值减去 直流分量的值得到信号抬高之前的原始值，此时的原始值才可以代入式(15)， 分别求出两信号的自相关及互相关的值，最终可以得到两信号的相位差3.2电压有效值测量某一个信号周期内，一个纯负载所产生的热量与一个直流电压在同一个负载上 产生的热量相等时，该直流电压的数值就是交流电压的有效值对于负载电阻 R,交流电压U (t)产生的热量为：直流电压队在此负载R上产生的热量为:通过电压有效值的定义可得，Wl=W2,因此电压有效值为:根据采样定理，为了计算电压有效值，需要对信号进行离散采样，通过 STM32F103微处理器内部的DAC对u (t)进行等间隔采样，得到一系列的时间离 散的信号组合，再通过数值积分来求其有效值最终得到的电压有效值计算公式 为：将N次采样的uk代入式(19)即可计算出电压的有效值4抗干扰性分析50 Hz的工频干扰信号是存在于轨道电路中最大的干扰源，因此在系统设计中需 要充分考虑对50Hz工频信号的处理，保证系统检测系统的正常运行。

通过理论 分析，相关算法能够有效的抑制5011z工频的干扰假设轨道电路信号中混入的 50Hz工频牵引电流为：则相关函数为:而 ，因此相关算法有效抑制了工频牵引电流信号对系统的干扰5测试结果系统测试采用信号源模拟轨道电路中的两路独立交流电信号，通过铁路专用变 压器升压，并设罝信号源两路信号输出的和位差，达到与实际轨道电路电压和 符合对升压后测量的结果见表1测试数据表明，系统电压有效值的精确度在 0. 001 V以上，相位差的精确度达到0.1度表1测试结果 下载原表参考文献［1］ 肖玮，涂亚庆，等.频率估计的一种多段同频正弦信号频谱相关算法［J］.电 子与信息学报，2012 (3) : 564-570.［2］ 赵喜桢.25Hz相敏轨道电路的计算［J］.铁道通信信号，2007 (7) :28-30.［3］ 熊志金.基于共聚物压电传感器和ARM的交通数据采集系统［J］.计算机测量 与控制，2012 (2) : 552-555.［4］ 杨明极，刘宮庆，等.轨道移频信号频率参数检测方法的研宄［JL仪表技术 与传感器，2012 (7) : 87-89.［5］ 沈廷鳌，涂亚庆，等，基于相关原理的非整周期信号和位差测量算法［J］.仪 器仪表学报，2014 (9) : 2153-2160.。