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ZPW-2000A无绝缘轨道电路调试模拟器研制.docx

附件 2：实用技术成果详细说明书

（中铁六局集团电务工程有限公司）

该器材是利用目前较为先进的数字信号模拟器通过多级分频产生ZPW—2000系列的载频与低频信号，模拟轨道侧的信号传输，使区间轨道区段达到试验的条件，采用计算机技术，实现了数据自动储存，形成测试报告，满足了轨道电路一次性调整的需要，解决了设备调试与运输的矛盾，同时也避免了轨道侧设备的反复拆装带来的设备损坏和人力的浪费。

该器材可以代替室外轨道侧设备，直接连接室外发送、接收端设备引接线，对整个区段的技术参数进行调整，满足《信号维护规则》的相关要求。主要功能是能够真实模拟室外线路，配合室内发送端完成接收端的模拟试验和模拟室内发送端配合完成接收端的试验，点外就能完成室内外设备联调联试的效果，有效地检验区间轨道设备安装及其配线的正确性，从而减少因室外设备器材、安装故障问题影响复联试验的情况，可使区间复联要点次数减少、要点时间缩短，有效地减少施工对运输造成的影响。

连接方式：轨旁设备不连接钢轨钢筋工程施工方案-长城杯，通道设备线线缆直接连模拟器发送或接受端对应接口，不接入空芯线圈；

连接距离：模拟器放置于空芯线圈处，通过配套设备线缆与调谐区内轨旁设备连接。考虑到现行标准及应用场景，为了同时适用于有砟线路和无砟线路的路基、隧道和桥梁地段，总长度为33米。

通过模拟器使调谐区内的发送端、接收端建立传输通道，发送端信号经传输通道至接收端设备传输至室内，使小轨道具备调整条件；模拟器中的移频发生模块输出主轨信号，经传输通道至接收端设备传输至室内，使主轨道具备调整条件，满足调试。

数据采集主要用于采集电压、电流等参数，经监测程序、维护程序显示在人机界面。对电压的采集采用电阻分压的方式，交流电压传感器将送端（或受端）电压信号隔离转换成同频率的交流信号；电流的采集采用电流互感器进行实现，电流互感器将送端（或受端）电流信号隔离转换成同频率的交流信号；然后经过跟随电路、低通滤波电路，进入模拟数字转换器转换为数字信号；再经过数字信号处理器运算、分析，最终将采集电压值、电流值、频率等信息显示在屏幕上。此外该数据还用于设备阻抗、隔离度等技术参数计算。

预留维护接口实现数据的导出功能。

根据信号控制界面下的用户数据（载频频率、低频频率），数字信号处理器控制FPGA芯片发送相应频率的FSK方波信号，经过高阶低通滤波电路，转化成FSK正弦波信号，再经过功率运放电路放大、隔离变压器隔离，最终输出；当用户动态调整FSK输出信号的幅值时，数字信号处理器通过驱动数字电位器变化，动态调整运算放大电路的放大比例，实现FSK输出信号的幅值调整。移频发生输出可调FSK信号，涵盖8种载频、18种低频。

模拟器硬件结构以DSP为核心处理器展开硬件设计，在DSP处理器基本电路基础上增加多个外围电路。使用不同电源模块为各芯片供电；通过电压、电流传感器监测各点参数；使用ADC芯片将各点参数进行采集并传至DSP处理器进行处理；通过RS232电路设计使DSP处理器与外部显示屏进行交互；在FPGA基础上设计的FSK发码电路通过另一路RS232与DSP处理器进行数据传输，FPGA输出的FSK信号通过大功率运放进行放大输出至变压器，产生移频信号。

其总共分为电源单元、RS232通信单元、DSP处理器单元、采集处理单元、FPGA发码单元、功率放大单元：电源单元负责将输入24V电源转换为各模块需要的电源电压，并在其中设计了电源电压监测功能；RS232通信单元负责DSP处理器与外部显示屏进行通信；DSP处理器单元设计了DSP基础系统，为整体设计核心部分，DSP处理器单元与各个单元进行交互；采集处理单元负责对各点电压、电流进行采集，并将结果传输至DSP处理器单元； FPGA发码单元负责对外发出FSK信号，将信号传输至功率放大单元；功率放大单元负责将传输进来的FSK信号进行功率放大，放大后的信号通过变压器匹配后向目标电路输出。

2）硬件单元设计

①电源单元设计

电源单元主要功能是负责将输入电源转换为各模块需要的电源电压，包括：±12V、5V、3.3V、1.9V。硬件设计上为了确保转换后电压的稳定性，各个电压点分别设计滤波电路和防护电路，并在其中配置了电源电压监测功能。

②RS232通信单元设计

RS232通信单元负责DSP处理器与外部显示屏进行通信，其中在基础设计上增加了电压防护器件，防止在通信过程中受到干扰导致通信错误。

③DSP处理器单元设计

DSP处理器单元为设计中的核心处理单元，对采集处理单元传来的各点电压、电流值进行采集，并对数据进行处理，从而做出相应的操作，并且将采集的数据传输至外部显示屏；读取外部显示屏的传输数据，对数据进行分析，根据分析结果对FPGA发码单元进行控制。

④采集处理单元设计

采集处理单元通过传感器对各点电压、电流进行检测，将检测结果通过运放传输至ADC芯片，ADC芯片将检测结果采集后传输至DSP处理器单元进行处理。

⑤FPGA发码单元设计

FPGA发码单元与DSP处理器单元进行通信，FPGA将通信得到的载频信息进行处理，通过FPGA向外发送不同频率的方波信号，再对方波信号进行滤波等处理后得到不同频率的FSK信号，FSK信号传输至功率放大单元。

⑥功率放大单元设计

功率放大单元负责将传输进来的FSK信号进行功率放大，放大后的信号功率不大于10W，放大后的信号再通过变压器将电压升高至功出所需电压值。

通过DSP嵌入式对所需输入进行采集，计算其各点参数，通过RS232与控显单元进行交互，将采集的数据传输给显控单元进行显示；工作人员通过显控单元对输出进行调整，并通过RS232将指令传输给DSP，使其按照指令控制输出信号，从而使目标电路进行正常工作。

其总共分为监测单元、显控单元、以及控制单元：监测单元负责监测信号输入以及信号输出，并将数据通过RS232发送给显控单元；显控单元负责显示监测单元上传的数据，以及下发工作人员对界面的控制指令；控制单元是通过显控单元下发的控制指令对输出信号进行调整。

2）软件单元设计

①监控软件设计

监控软件主要实现对电压、电流的监测及FSK信号发码的控制功能。

AD数据采集：应用AD7865对送端极阻抗信号、送端零阻抗信号、送端极阻抗电流、受端极阻抗电流、受端极阻抗信号、受端零阻抗信号和输出信号电流等信号，采样率按8192Hz，方便后续FFT计算处理。

核心算法计算：对AD7865采集的数字量，采用轨道电路行业成熟的FFT算法将时域信号转化为频域信号，计算信号的载频、低频、电压和电流等信息，计算的结果应用RS232实时传输给界面软件，供其解析显示。

监测数据通信设计：核心算法计算的结果应用RS232进行传输给界面软件，传输的数据包括电压、电流、载频和低频等信息，波特率115200bps，每300ms通信一次，实时更新监测数据。

发码控制输出设计：由界面软件获取操作人员输入信息(载频、低频及信号增减信息)，然后根据输入信息，通过RS232传输给监控软件，由监控软件控制数据FSK信号。

②界面软件设计

首页设计：首页适用环境为电气绝缘节处，左侧一列由上至下依次显示发送端极阻抗电压、发送端零阻抗电压、发送端极阻抗电压载频、发送端极阻抗电压低频、发送端极阻抗电流；右侧一列由上至下依次显示接收端极阻抗电压、接收端零阻抗电压、接收端极阻抗电压载频、接收端极阻抗电压低频、接收端极阻抗电流。监测数据具有三种状态，一是未输出状态，二是输出合格状态，三是输出不合格状态；状态根据界面的输出状态以及内部设置的上下限值进行区分并显示不同的颜色。其他界面的监测值，也同样如此。

实时数据界面设计：实时数据界面主要显示电气绝缘节处各点参数地毯地面工程交底，通过自动计算隔离系数、调谐设备阻抗来判断是否存在故障。理论值电气绝缘节隔离系数不小于8，调谐设备阻抗300～600毫欧范围内。与首页显示模式相同。

历史数据界面设计：历史数据界面主要记录电气绝缘节处各点参数，通过点击开始存储数据按钮，程序自动存储当前数据（所有数据项的数据，不会只存取当前现实界面的数据）；插入U盘，点击导出数据，数据将保存至U盘内。其中上一页和下一页是提供当前页面数据项的翻页，显示当前时间之前的更多数据；更换监测项是将当前界面的数据项更换为其他测试项，共有14个数据项，分为三页。

空芯＆调谐：空芯＆调谐界面用于单独测试空芯线圈、调谐单元，通过自动计算设备阻抗来判断是否存在故障。理论值设备阻抗300～600毫欧范围内，显示模式与首页相同。

机械节：机械节界面用于发送端为机械绝缘节或接收端为机械绝缘节处，当发送端为机械绝缘节时只连接发送端轨旁设备连接线，接收端为机械绝缘节时只连接接收端轨旁设备连接线，采集点同“首页”，显示模式也与首页相同。

其他功能界面设计：其他功能界面内集成了一些个性化工具，如U盘下载为模拟器软件升级预留端口；触摸声音设置可开启或关闭触摸屏幕时的反馈声音。

关于界面设计：主要描述软件版本号，生产厂商等。

盾构下穿京山铁路专项施工方案 （4）系统集成、测试及优化

按照模拟器设计方案，完成硬件及软件开发工作后，进行系统集成，形成样机。样机首先经实验室测试，各项指标数据合格后，再进行现场论证测试。

为了使模拟器中测试功能相关数据更精准,能够适应各种线路，在多个项目复联试验施工中反复试用，对模拟器的功能、精度以及现场使用的便捷度进行了全面的现场调测。该仪器实现了小型化、智能化，携带方便，操作简单，现场测试仅需要将调谐区的钢轨引接线拆除，将模拟器的测试线连接调谐单元即可，仪表测采用航空插头连接，在连接时只需要确认发送端和接受端即可，现场安装较为便捷。电气绝缘现场将发送与接受的调谐单元分别连接模拟器的对应航插即可，数据随即就可以显示在模拟器上，送、受数据同时再现，也可以单侧再现，模拟器自动将数据流保存。现场测试图片见下图。