0 引言

    转辙机是铁路系统中重要的电气信号设备，其可靠工作直接关系到铁路运输的安全，因此对转辙机的检测与维护是十分必要的。对于转辙机检修人员来说，一种测量准确、可靠耐用的转辙机专用测试仪对他们的日常维修工作有很大帮助^[1]。我国对转辙机专用测试仪的研究开始于本世纪初期，在此方法的研究并不多。目前，对电动转辙机的测试设备主要有两类：一是由闫卫刚^[2]等研究的电动转辙机综合参数测试仪，每次进行测试时需要拆卸转辙机，不适合现场实时测量。二是由王安^[3]等研究的便携式转辙机测试仪，虽然能实时在线检测，但是在测量时需要人工安装夹钳式传感器，“人为因素”会影响测试结果。但是，对于转辙机模拟驱动电路直接驱动转辙机，在其动作、表示回路中接入穿心电流互感器来测试转辙机性能的方法在国内外文献报道中较少。

    本文是基于Atmega16处理器和电流传感器的便携式四六线直流转辙机智能测试仪。通过光电隔离开关控制继电器，模拟6502电气集中四线制和六线制道岔组合电路驱动直流转辙，可实现双机牵引。通过电流传感器来采集电流信息，将一次侧的大电流按比例转化成小电流，通过电压转换电路供给单片机A/D端口，经电流循环检测处理算法分析道岔的位置以及动作电流曲线的绘制，使用时无需人工安装传感器。该系统由3个部分组成，分别是道岔模拟驱动电路、信号采集电路、智能分析显示模块。实验证明该测试仪对转辙机的检测效果明显，方便于电务人员对其工作状态的诊断。

1 系统硬件设计

1.1 道岔模拟驱动电路

    Atmega16处理器的内部结构为增强型低功耗8位CMOS微控制器，比普通的CISC微控制器数据处理能力更高，并且自身有10位逐次比较的A/D转换器，转换精度高，能够对端口输入电压进行采样。本文在6502电气集中四线制道岔控制电路^[5-6]基础上，根据其功能需求，设计了以Atmega16为处理器的道岔驱动电路^[7]，硬件结构图如图1所示。

1.2 道岔动作工作原理

    当处理器检测到定操、反操按钮按下时，单片机通过光耦开光控制DCJ↑（吸起）、FCJ↑。DCJ、FCJ 的前接点接通动作电路X1与X5、X2与X6线，X4为动作专用线，从而接通转辙机驱动电路。当道岔在转动过程中遇到异物转换不到位时，需按下急停按钮以防止烧坏转辙机，单片机控制输出使得DCJ↓（落下）、FCJ↓，DCJ、FCJ后接点闭合，断开转辙机驱动电路。因此可以用DCJ、FCJ的↑和↓两个状态来反映操作人员对道岔的操作。

    另外，在此过程中为了防止道岔没转到位而落下，采用软件延时的方法来模拟其自闭电路功能，等待其可靠落下。

1.3 道岔动作时间检测原理

    只有在道岔动作的时候有动作电流，当DCJ↑或者FCJ↑时，单片机定时器开始计时，说明道岔开始转动。当DCJ↓或者FCJ↓并且检测3个电流传感器的电流大小来表明道岔转换结束，此时计时停止。为了在显示模块中准确反映道岔转动时间，因此在发送该状态数据时只传送产生中断定时的次数，实际时间是中断次数的0.25倍（定时周期为0.25 s）。

1.4 道岔状态分析原理

    道岔驱动板取消了电气集中电路中传统的DBJ和FBJ，由电流传感器替代。当道岔转换完毕后，DCJ↓、FCJ↓。其后接点闭合接通表示电路，通过检测道岔定位/反位传感器电流有效值,记录道岔位置。

    通过对采集到的电流信号，CPU对道岔的工作状态进行反馈和判断。为了提高所采集数据的有效性，本设计中使用了软件电流循环检测的算法（即在回路中循环检测采样周期电流的有效值）。

    对于道岔表示电路：在判断道岔位置时，加以门限电压，其目的是防止干扰电压。只有当表示电流有效值大于门限电压的时候，作为表示电流有效值。利用电流循环检测算法判断道岔位置。具体算法如图2所示。

    同理在道岔动作电路中也串入该传感器，虽然继电器能够控制道岔的动作，但是当道岔转换到位后，需给MCU进行到位信息的反馈。在动作电流加以门限电流I_min和超限电流I_max，在多次采样周期内如果电流有效值在I_min<I<I_max之间，则说明转辙机在转动过程中，如果I<I_min，则说明转辙机已停止转动。

    最后表示电流信息和动作电流信息实现“逻辑与”功能综合判断转辙机性能。

    在道岔转动过程中加入了限时保护功能。可实现30 s道岔转动不到位即刻停止驱动的保护功能。即在正常情况下道岔操动到位后停止驱动，如果连续驱动30 s仍然不能到位。测试仪主动停止驱动，用以保护转辙机。

1.5 信号采集调理电路

    在驱动电路中的道岔动作电路和表示电路回线中串入穿心感应式电流传感器，隔离采样电流^[4]。由于电流互感器输出的双极性电平信号，感应电流转换成电压后，经运算放大，利用加法器原理将输入电压I·R1和参考电压V1相加，电平移位处理成0～5 V单极性电压，供给单片机A/D转换通道。转换电路如图3所示。

    此时输出电压U和I的关系为：

式中I为互感器输出电流有效值，V1为参考电压，U为转换后的电压，V_ref为A/D转换的基准电压。

2 系统软件设计

    系统上电后，首先进行系统初始化，然后通过命令按钮发送相应的指令，让MCU完成相应的功能。功能主要包括：驱动转辙机动作、采集传感器的测试信号、缓存采集信号、将数据上传到显示模块。系统总体流程设计如图4所示。

2.1 采集数据的缓存

    根据技术要求，道岔驱动采集模块向上位机显示模块发送两种信息，一是驱动板每隔0.5 s向上位机传送转辙机工作的目前状态，其字节长度为M，编码顺序依次为道岔位置和操作命令、动作时间、动作电流（高位）、动作电流（低位）、四/六线类型以及故障信息编码。二是当按下显示“曲线按钮”开始发送所采集的道岔动作电数据信息，其字节长度N，且M<N，其中一个电流数据点为一个采样周期内的有效值。具体数据格式定义如表1所示。

    道岔驱动采集模块对采集到的数据采用周期循环检测的方式，将数据进行预处理，把两种数据暂存在存储器中，向显示模块传送。

2.2 采集数据的判断原理

    由于电流互感器穿入在交流电路中，交流电信号的有效值为交流电信号瞬时值的均方根值^[3]，即：

    为了能够提高采样数据的可靠性和准确性，根据式(3)，把转辙机整个过程分成若干个小周期进行采样，求其有效值。

    值得注意的是，上面返回的电流有效值只能反映动作电流的相对大小，不能直接代替实际值。在动作电流监测采集模块之前串入电流表实测W值，在串口调试助手中测量有效值w值。由于为线性电路，所以转辙机的实际值W与采集的有效值w之间基本上呈线性关系。其比例系数为k，数学关系式为W=kw₀，其中w₀为w转换后的十进制的数据。

3 智能分析显示模块的设计

    显示模块是可编程TFT LCD模组(PS-LCD)，自身具有TTL三线串口，可以与单片机异步通信接口直接连接。界面采用JavaScript脚本语言编程。本显示模块的主要功能为实时显示道岔的位置、动作时间、动作方向、动作平均电流和道岔动作电流曲线。

    另外，作为一个测试系统，当驱动板故障造成显示分析模块无法接收数据时，为了避免显示分析模块对道岔工作状态的误判断，必须要将驱动板故障和道岔自身故障区别出来。因此在上位机显示模块中加入定时器功能，用以监督驱动板状态。

4 硬件测试

    图5为反位操动转辙机时的测试数据，通过异步通信串口上传给该上位机显示模块，按照“帧头FBFB+采集数据+帧尾FCFC”格式传输。从图5 可以看出，读回的数据符合帧结构，帧计数是连续的，没有出现丢数现象。通过智能分析处理得出图6和图7。首先转辙机在定位状态（编码6A）时，测试为单机牵引，类型为四线（编码6B），当按下反操按钮，系统响应反操命令（编码95），转辙机到达定位后（编码A6）测试的时间为0x0A；电流为0X003A；故障编码为00，说明没有故障。按下“显示曲线”按钮后，发送类型编码0x42的电流数据，发送完毕后，又实时地发送数据类型为0x41道岔状态信息。由于A/D转换器的数据寄存器为10位，在发送一个电流数据点时，需先将高2位发送，再发低8位，共占2 B。实际在上位机处理时按照“有效值等于高字节×256+低字节”处理。

    当道岔转换到位后，显示屏上显示其工作状态。此时按下显示曲线按钮，上位机自动绘制出道岔动作电流曲线，分析出动作时间和道岔动作平均电流，如图7所示。其道岔动作电流曲线、道岔工作状态基本符合实际情况。

    图8是在模拟道岔被异物卡住时四开的情况。]

5 结论

    便携式智能四六线转辙机测试仪是一种将传统的道岔控制电路、道岔采集机和站机一体化的智能仪器，它能够模拟四线制或六线制道岔组合电路的功能，驱动直流转辙机。另外还实现了对电流传感器信号的采集和储存，并通过上位机显示模块实时地监测和分析其工作状态。该设备具有体积小、便携式、接线方便、操作简单和表示直观的特点，可以帮助电务人员提高检验配线的正确性以及对道岔故障诊断的准确性，提高工作效率。

参考文献

[1] 李书维.便携式转辙机测试仪的设计[D].西安：西北工业大学.2004(3)：1-21.

[2] 闫卫刚.ZC_3型便携式转辙机综合测试仪的开发与应用[J].技术改进，2013(3)：31-32.

[3] 王安，袁学飞，彭志永.基于ARM的便携式转辙机测试仪的设计[J].计算机测量与控制，2006，14(9)：1270-1276.

[4] 赵相容，李萍.TJWX-2000型信号微机监测系统[M].北京：中国铁道出版社，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电气集中电路[M].北京：中国铁道出版社，2012(12)：105-108.

[7] 何涛，范多旺，魏宗寿.计算机联锁全电子三相交流转辙机控制模块[J].铁道学报，2011，33(4)：81-82.