0 引言

    轉轍機是鐵路系統中重要的電氣信號設備，其可靠工作直接關系到鐵路運輸的安全，因此對轉轍機的檢測與維護是十分必要的。對于轉轍機檢修人員來說，一種測量準確、可靠耐用的轉轍機專用測試儀對他們的日常維修工作有很大幫助^[1]。我國對轉轍機專用測試儀的研究開始于本世紀初期，在此方法的研究并不多。目前，對電動轉轍機的測試設備主要有兩類：一是由閆衛剛^[2]等研究的電動轉轍機綜合參數測試儀，每次進行測試時需要拆卸轉轍機，不適合現場實時測量。二是由王安^[3]等研究的便攜式轉轍機測試儀，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”會影響測試結果。但是，對于轉轍機模擬驅動電路直接驅動轉轍機，在其動作、表示回路中接入穿心電流互感器來測試轉轍機性能的方法在國內外文獻報道中較少。

    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轍機智能測試儀。通過光電隔離開關控制繼電器，模擬6502電氣集中四線制和六線制道岔組合電路驅動直流轉轍，可實現雙機牽引。通過電流傳感器來采集電流信息，將一次側的大電流按比例轉化成小電流，通過電壓轉換電路供給單片機A/D端口，經電流循環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。該系統由3個部分組成，分別是道岔模擬驅動電路、信號采集電路、智能分析顯示模塊。實驗證明該測試儀對轉轍機的檢測效果明顯，方便于電務人員對其工作狀態的診斷。

1 系統硬件設計

1.1 道岔模擬驅動電路

    Atmega16處理器的內部結構為增強型低功耗8位CMOS微控制器，比普通的CISC微控制器數據處理能力更高，并且自身有10位逐次比較的A/D轉換器，轉換精度高，能夠對端口輸入電壓進行采樣。本文在6502電氣集中四線制道岔控制電路^[5-6]基礎上，根據其功能需求，設計了以Atmega16為處理器的道岔驅動電路^[7]，硬件結構圖如圖1所示。

1.2 道岔動作工作原理

    當處理器檢測到定操、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，從而接通轉轍機驅動電路。當道岔在轉動過程中遇到異物轉換不到位時，需按下急停按鈕以防止燒壞轉轍機，單片機控制輸出使得DCJ↓（落下）、FCJ↓，DCJ、FCJ后接點閉合，斷開轉轍機驅動電路。因此可以用DCJ、FCJ的↑和↓兩個狀態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DCJ↑或者FCJ↑時，單片機定時器開始計時，說明道岔開始轉動。當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換結束，此時計時停止。為了在顯示模塊中準確反映道岔轉動時間，因此在發送該狀態數據時只傳送產生中斷定時的次數，實際時間是中斷次數的0.25倍（定時周期為0.25 s）。

1.4 道岔狀態分析原理

    道岔驅動板取消了電氣集中電路中傳統的DBJ和FBJ，由電流傳感器替代。當道岔轉換完畢后，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對道岔的工作狀態進行反饋和判斷。為了提高所采集數據的有效性，本設計中使用了軟件電流循環檢測的算法（即在回路中循環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。利用電流循環檢測算法判斷道岔位置。具體算法如圖2所示。

    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，但是當道岔轉換到位后，需給MCU進行到位信息的反饋。在動作電流加以門限電流I_min和超限電流I_max，在多次采樣周期內如果電流有效值在I_min<I<I_max之間，則說明轉轍機在轉動過程中，如果I<I_min，則說明轉轍機已停止轉動。

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

    在道岔轉動過程中加入了限時保護功能。可實現30 s道岔轉動不到位即刻停止驅動的保護功能。即在正常情況下道岔操動到位后停止驅動，如果連續驅動30 s仍然不能到位。測試儀主動停止驅動，用以保護轉轍機。

1.5 信號采集調理電路

    在驅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，感應電流轉換成電壓后，經運算放大，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轉換通道。轉換電路如圖3所示。

    此時輸出電壓U和I的關系為：

式中I為互感器輸出電流有效值，V1為參考電壓，U為轉換后的電壓，V_ref為A/D轉換的基準電壓。

2 系統軟件設計

    系統上電后，首先進行系統初始化，然后通過命令按鈕發送相應的指令，讓MCU完成相應的功能。功能主要包括：驅動轉轍機動作、采集傳感器的測試信號、緩存采集信號、將數據上傳到顯示模塊。系統總體流程設計如圖4所示。

2.1 采集數據的緩存

    根據技術要求，道岔驅動采集模塊向上位機顯示模塊發送兩種信息，一是驅動板每隔0.5 s向上位機傳送轉轍機工作的目前狀態，其字節長度為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。二是當按下顯示“曲線按鈕”開始發送所采集的道岔動作電數據信息，其字節長度N，且M<N，其中一個電流數據點為一個采樣周期內的有效值。具體數據格式定義如表1所示。

    道岔驅動采集模塊對采集到的數據采用周期循環檢測的方式，將數據進行預處理，把兩種數據暫存在存儲器中，向顯示模塊傳送。

2.2 采集數據的判斷原理

    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據的可靠性和準確性，根據式(3)，把轉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。在動作電流監測采集模塊之前串入電流表實測W值，在串口調試助手中測量有效值w值。由于為線性電路，所以轉轍機的實際值W與采集的有效值w之間基本上呈線性關系。其比例系數為k，數學關系式為W=kw₀，其中w₀為w轉換后的十進制的數據。

3 智能分析顯示模塊的設計

    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，當驅動板故障造成顯示分析模塊無法接收數據時，為了避免顯示分析模塊對道岔工作狀態的誤判斷，必須要將驅動板故障和道岔自身故障區別出來。因此在上位機顯示模塊中加入定時器功能，用以監督驅動板狀態。

4 硬件測試

    圖5為反位操動轉轍機時的測試數據，通過異步通信串口上傳給該上位機顯示模塊，按照“幀頭FBFB+采集數據+幀尾FCFC”格式傳輸。從圖5 可以看出，讀回的數據符合幀結構，幀計數是連續的，沒有出現丟數現象。通過智能分析處理得出圖6和圖7。首先轉轍機在定位狀態（編碼6A）時，測試為單機牽引，類型為四線（編碼6B），當按下反操按鈕，系統響應反操命令（編碼95），轉轍機到達定位后（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，發送類型編碼0x42的電流數據，發送完畢后，又實時地發送數據類型為0x41道岔狀態信息。由于A/D轉換器的數據寄存器為10位，在發送一個電流數據點時，需先將高2位發送，再發低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×256+低字節”處理。

    當道岔轉換到位后，顯示屏上顯示其工作狀態。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、道岔工作狀態基本符合實際情況。

    圖8是在模擬道岔被異物卡住時四開的情況。]

5 結論

    便攜式智能四六線轉轍機測試儀是一種將傳統的道岔控制電路、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，驅動直流轉轍機。另外還實現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測和分析其工作狀態。該設備具有體積小、便攜式、接線方便、操作簡單和表示直觀的特點，可以幫助電務人員提高檢驗配線的正確性以及對道岔故障診斷的準確性，提高工作效率。

參考文獻

[1] 李書維.便攜式轉轍機測試儀的設計[D].西安：西北工業大學.2004(3)：1-21.

[2] 閆衛剛.ZC_3型便攜式轉轍機綜合測試儀的開發與應用[J].技術改進，2013(3)：31-32.

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

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

[5] Antonio Hernando，Eugenio-Lozano，Roberto Maestre-Mar-tinez，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.計算機聯鎖全電子三相交流轉轍機控制模塊[J].鐵道學報，2011，33(4)：81-82.