無絕緣移頻自動閉塞系統(tǒng)中采集系統(tǒng)設(shè)計
隨著我國鐵路向高速、高密、重載、電氣化方向邁進(jìn)，區(qū)間閉塞設(shè)備尤其是移頻自動閉塞系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展，ZPW-2000R型無絕緣移頻自動閉塞系統(tǒng)也因此得到了廣泛的推廣應(yīng)用。為保證ZPW-2000R型無絕緣移頻自動閉塞系統(tǒng)能可靠安全的運行，隨移頻自動閉塞系統(tǒng)配套，提供了系統(tǒng)維護(hù)機，以對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進(jìn)行全天候監(jiān)視，方便維護(hù)人員及時發(fā)現(xiàn)故障，并盡快排除故障，保證安全。本文介紹的采集系統(tǒng)正是為監(jiān)測ZPW-2000R型無絕緣移頻自動閉塞系統(tǒng)維護(hù)機的主要設(shè)備提供接口。
l ZPW-2000R型無絕緣移頻自動閉塞系統(tǒng)簡介
ZPW-2000R型無絕緣移頻自動閉塞系統(tǒng)分室內(nèi)設(shè)備和室外設(shè)備兩部分。室內(nèi)設(shè)備包括發(fā)送器、功放器、接收器、濾波器、電纜模擬單元、采集系統(tǒng)、防雷單元、系統(tǒng)維護(hù)機；室外設(shè)備包括匹配單元(PB)、調(diào)諧單元(BA)、平衡線圈(SVA)、補償電容等。系統(tǒng)構(gòu)成框圖見圖1，其主要工作方式為：
發(fā)送器根據(jù)前方閉塞分區(qū)執(zhí)行繼電器構(gòu)成的編碼條件，輸出相應(yīng)編碼移頻信號。先經(jīng)“N+1”轉(zhuǎn)換、方向電路、紅燈轉(zhuǎn)換條件及發(fā)送通道設(shè)備送至室外電纜，再經(jīng)軌道匹配單元發(fā)送到軌道，并分別向兩個方向傳輸。正向信號經(jīng)主軌道傳送到本區(qū)段調(diào)諧區(qū)的接收側(cè)，并在調(diào)諧區(qū)發(fā)送側(cè)BA處以其對接收信號呈低阻而實現(xiàn)隔離，不再向下一個區(qū)段繼續(xù)傳輸；反向信號經(jīng)調(diào)諧區(qū)傳輸送至相鄰區(qū)段的接收側(cè)，同時以調(diào)諧區(qū)接收側(cè)BA對發(fā)送信號呈低阻而實現(xiàn)隔離，不再向相鄰區(qū)段繼續(xù)傳輸。
經(jīng)主軌道傳輸?shù)谋緟^(qū)段信號和經(jīng)調(diào)諧區(qū)傳輸?shù)泥弲^(qū)段反向信號都送入本區(qū)段的接收匹配單元端，再經(jīng)電纜和通道設(shè)備傳輸，將兩種信號送至接收濾波端，由濾波器兩路混合分離，分出主軌道信號和調(diào)諧區(qū)信號這兩路輸出，分別送至接收器解調(diào)、譯碼，并輸出動作執(zhí)行繼電器，控制區(qū)間信號燈顯示，反映列車占用情況，同時控制后方閉塞分區(qū)發(fā)送的信息，實現(xiàn)自動控制。
系統(tǒng)軌道電路采用調(diào)頻方式。載頻頻率為：1 698．7Hz(1700—1)，1 701．4 Hz(1700—1)，1 998．7 Hz(2000—2)，2 001．4 Hz(2000—1)，2 298．7 Hz(2 300—2)，2 301．4 Hz(1700—1)，2 598．7 Hz(2600—2)，2 601．4 Hz(2600—1)；頻偏為±11 Hz；低頻調(diào)制頻率為10．3 Hz，11．4 Hz，12．5 Hz，13．6 Hz．14．7 Hz，15．8 Hz，16．9 Hz，18 Hz，19．1 Hz。20．2 Hz，21．3 Hz，22．4 Hz，23．5 Hz，24．6 Hz，25．7 Hz，26．8 Hz，27．9 Hz，29 Hz，共18個信息。發(fā)送器、功放器、接收器、濾波器的工作狀態(tài)由采集系統(tǒng)實時采集．并上傳至系統(tǒng)維護(hù)機。
2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計
該系統(tǒng)由輸入信號處理、主控單元、外部通信接口三大模塊組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
主要采集ZPW-2000R型無絕緣移頻自動閉塞系統(tǒng)的接收器、發(fā)送器、功放器等單元設(shè)備的電壓、電流、低頻、載頻及繼電器狀態(tài)等數(shù)據(jù)，并與系統(tǒng)維護(hù)機等上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。如圖2所示，采集的模擬量數(shù)據(jù)包括兩路功出電壓、八路接入電壓、兩路功出電流、兩路濾入電流等；采集的頻率信息包括兩路載頻信息、六路低頻信息等。其中，接入電壓及功出電流輸入均為毫伏級交流信號；功出電壓輸入為高壓交流信號；發(fā)送低頻及接收低頻輸入為交流數(shù)字信號；地址編碼輸入為電平信號；繼電器狀態(tài)輸入為數(shù)字脈沖信號。
3 C805lF020簡介
C8051F020(F020)是美國德州Cygnal公司推出的完全集成混合信號系統(tǒng)級MCU芯片。具有64個數(shù)字I／O引腳。其主要特征為：
(1)高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核；
(2)全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口(片內(nèi))；
(3)真正12位100 kS／s的8通道ADC，帶PGA和模擬多路開關(guān)；
(4)真正8位500 kS／sADC，帶PGA和8通道模擬多路開關(guān)；
(5)兩個12位DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式；
(6)64 KB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器；
(7)4 352(4 096+256)B的片內(nèi)RAM；
(8)可尋址64 KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口；
(9)硬件實現(xiàn)的SPI，SMBus／I2C和兩個UART串行接口；
(10)通用的16位定時器；
(11)具有五個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器／定時器陣列；
(12)片內(nèi)看門狗定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器。
C8051F020單片機的所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件使能／禁止和配置。FLASH存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新805l固件。片內(nèi)JTAG調(diào)試電路允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進(jìn)行非侵入式(不占用片內(nèi)資源)、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持?jǐn)帱c、觀察點、單步及運行和停機命令。在使用JTAG調(diào)試時，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運行。
采用開關(guān)網(wǎng)絡(luò)以硬件方式實現(xiàn)I／O端口的靈活配置，外設(shè)電路單元通過相應(yīng)的配置寄存器控制交叉開關(guān)配置到所選擇的端口上，從而避免了固定方式I／O端口既占用引腳多，配置又不夠靈活的缺點。
4 EPM3256ATCl44-10簡介
EPM3256ATCl44-10是Altera公司MAX3000系列的CPLD芯片，其特點：是以多陣列矩陣(MAX)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的高性能、低功耗的CMOS E2PROM器件，通過內(nèi)置的JTAG(IEEE 1149．1)可實現(xiàn)在系統(tǒng)編程；內(nèi)置符合IEEE 1149．1-1990標(biāo)準(zhǔn)的JTAG BST電路；是一款高密度器件，能提供5 000個可用門，256個宏單元，16個邏輯陣列塊，116個用戶I／O；引腳到引腳的邏輯延遲為5．5 ns，計數(shù)器工作頻率達(dá)172．4 MHz；多電壓I／O接口，使得核心工作在3．3 V時，I／0管腳可同時兼容5．0 V，3．3 V及2．5 V三種邏輯電平；遵守PCI規(guī)定，具有一10速度等級。
5 硬件設(shè)計原理
5．1 電源設(shè)計
該系統(tǒng)外部輸入電源為DC 48 V。DC 48 V電源經(jīng)開關(guān)、防止接反二極管、濾波電容、熔斷電阻至電源濾波器，經(jīng)濾波器濾波后送到兩個電源塊(48 V輸入，5 V輸出)。一個為輸入接口電路及通信接口電路供電，另一個經(jīng)三端穩(wěn)壓片(5 V輸入，3．3 V輸出)為內(nèi)部執(zhí)行電路及指示燈電路提供5 V及3．3 V電源。由于外圍接口電路采用單獨電源，與內(nèi)部電路分開供電，實現(xiàn)了內(nèi)部電路與接口電路的電源隔離，有效保護(hù)內(nèi)部電路器件，提高了可靠性。
5．2 輸入信號處理
低頻、繼電器狀態(tài)及地址編碼等信號經(jīng)光耦隔離后變?yōu)?．3 V方波或電平信號，送入主控單元。輸入模擬信號經(jīng)變壓器隔離或升降壓、濾波、降壓電阻、瞬時過電壓保護(hù)等信號調(diào)理后，輸出信號為交變信號，而本系統(tǒng)中單片機內(nèi)置ADC轉(zhuǎn)換輸入電壓范圍為0～3．3 V，因此在送入ADC之前，還需進(jìn)行電平抬升，變?yōu)闈M足ADC輸入電壓測量范圍要求的信號。其中，功出電壓信號經(jīng)信號調(diào)理后還送至比較器電路，經(jīng)過波形變換后由原來的正弦移頻信號變?yōu)?．3 V的方波信號，作為載頻信號的輸入源。比較器電路如圖3所示。電路由分壓電阻(R56，R59)、直流分壓電阻(R61，R62)、箝位二極管(V7，8V)、比較器N25A(LM393P)、上拉電阻R63及濾波電容等組成。
5．3 主控單元
主控單元包括CPU及兩片CPLD。
CPU采用C8051F020單片機。由于F020內(nèi)部集成有兩個ADC，所以在該系統(tǒng)中利用它的第18～25腳及29～34腳共14個端口作為多路模擬信號的輸入端口，由單片機完成所有模擬量的A／D轉(zhuǎn)換。在采集各路模擬信號的同時，F(xiàn)020還要從兩片CPLD讀取頻率、地址編碼及繼電器狀態(tài)數(shù)據(jù)，并對所有采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行實時計算處理，將所有轉(zhuǎn)換結(jié)果存入32 KB的外部存儲器。對于地址編碼信息，CPU只在每次上電后讀取1次，若有效，則保存，用作與微機監(jiān)測通信的CAN節(jié)點地址，之后不再檢查地址編碼信息的變化。由F020的交叉開關(guān)優(yōu)先權(quán)表可知，兩個UART的TX和RX可連到端口引腳。P0．O～P0．3，該系統(tǒng)中利用一組TX0和RX0接RS 232接口，另一組TXl和RXl接RS 485接口。
兩片CPLD均采用Altera公司的EPM3256ATCl44-lO芯片，數(shù)據(jù)采集及指示燈控制所需的控制時序及地址譯碼等電路均由CPLD產(chǎn)生。其中，CPLDl對48 MHz高精度一體化晶體振蕩器分頻，得到24 MHz及12 MHz同步時鐘信號，分別作為單片機及CAN控制器的系統(tǒng)時鐘。由于要采集的開關(guān)量路數(shù)較多，該系統(tǒng)將所有繼電器狀態(tài)輸入及五路地址編碼輸入均接至CPLDl，再由單片機通過數(shù)據(jù)總線從CPLDl分別進(jìn)行讀取。CPLDl同時還生成兩路不同頻率的低頻測試脈沖，供生產(chǎn)調(diào)試時使用。CPLD2則負(fù)責(zé)完成所有低頻、載頻信息的采集。
5．4 與計算機通信接口
該系統(tǒng)提供RS 232或RS 485串行通信接口及CAN通信接口，其中串行通信接口主要用于生產(chǎn)調(diào)試，而現(xiàn)場應(yīng)用中使用CAN總線與系統(tǒng)維護(hù)機交換數(shù)據(jù)。由于一條CAN總線上需掛接多個設(shè)備，該系統(tǒng)運用外部端子封線的方式為每個設(shè)備定義節(jié)點地址，地址編碼范圍為0～31。當(dāng)節(jié)點地址為O時，CPU將工作于測試狀態(tài)，運行測試程序代碼，供設(shè)備調(diào)試時使用。
6 軟件設(shè)計
6．1 單片機程序設(shè)計
單片機程序固化在C38051F020單片機的內(nèi)部FLASH存儲器中，在Cygnal IDE集成開發(fā)環(huán)境下，采用模塊化程序的設(shè)計方法，將軟件分為一個主程序和若干個子程序模塊，主程序流程見圖4。系統(tǒng)采用定時器O中斷方式，每0．1 ms分別對兩個ADC的某一通道采集一次，每通道連續(xù)采集512次，并將采集到的數(shù)據(jù)分別存入外部存儲器內(nèi)的兩個連續(xù)緩沖區(qū)ADBufO和ADBufl中，再利用采集到的512個點的電壓瞬時值計算交流模擬輸入的電壓有效值。定時器0中斷模塊流程見圖5。
6．2 CPLD程序設(shè)計
CPLD程序是在MaxPlusⅡ開發(fā)環(huán)境下采用AHDL硬件描述語言和圖形混合編寫，限于篇幅，這里只給出其中一路低頻采集的AHDL代碼。
7 結(jié)語
該系統(tǒng)采用單片機內(nèi)部集成ADC實現(xiàn)交流模擬量采集，同時利用C2PLD強大的數(shù)字處理功能和高密度集成的特點，降低了硬件成本，簡化了電路設(shè)計，配合軟件編程的靈活性和可擴充性，在實際生產(chǎn)和現(xiàn)場運用中帶來了很好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。在對測量精度要求不高的其他應(yīng)用中，也不失為較好的選擇。
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