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【摘 要】随着我国社会经济的发展，铁路交通事业也得到了较快的发展。由于列车具有较重的质量、较快的运行速度等，其制动距离也变得较长，为了保证列车的行驶安全，需要确保相应的区间内没有其他列车运行，这就需要进行线路的检测。而计轴是检测铁路轨道相关区间内通过的车轮个数的信号设备，计轴轨道电路信号检测采集模块能够测量计轴频率信号，其具有专业的测量能力和独特的应用特点，表现出较强的现场适应性，在多种交通轨道计轴系统信号的监测中得到了广泛的应用。文章主要探讨了计轴轨道电路信号检测采集模块的设计和实现，为计轴系统的更好应用提供了一定的参考。
【关键词】计轴轨道电路;信号检测采集模板;设计与实现
【中图分类号】U284.47 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）10-0028-02
0 引言
在目前情况下，计轴轨道电路信号检测采集模块是唯一能够对计轴频率信号进行测量的产品。随着铁路现代化的发展不断加快，加强对铁路线路是否被占用的检测能够保证列车的安全、稳定运行。使用计轴采集模块能够根据采集的信号及时发现系统中将要发生的故障，并且进行相应的预报警，确保系统的安全可靠运行。当计轴采集模块检测出系统中存在的故障后，它能够根据相应的数据对故障的位置及性质进行快速、准确的判断，帮助维修人员及时发现问题并减少相应的维修时间，从而有效保证铁路的安全稳定运行。计轴设备的运行情况与铁路轨道的状态无关，使用计轴设备可以对长轨道区间空闲占用状态进行检测，也不会因为轨道的变化而影响到铁路的正常运行。
1 计轴系统相关概述及信号检测采集模块主要原理
1.1 计轴系统相关概述
在铁路交通领域中，计轴是一种广泛用于检测铁路轨道相关区间内通过的车轮个数的信号设备，其工作原理是利用闭环传感器对经过相应区间的车轮对数进行检测，通过计轴设备处理后将车轮对数发送到对方站进行相应的对比，进而判断列车行使过的空间处于空闲的状态。计轴系统与传统的轨道电路相比较具有较多优点，不会受到相关环境的影响，即使铁道的钢轨生锈或者发生其他状况，计轴系统仍然可以正常对相应区间内轨道的状态进行检测，判断该区间是否被占用，以防止发生交通安全事故。在容易受潮等环境因素影响的隧道轨道上，计轴系统仍然可以进行正常的检测工作而不受到轨道条件的影响，而且也不会发生红光带的问题。
1.2 信号检测采集模块主要原理
对于计轴轨道电路信号检测采集模块而言，当采集到室外的通信信号时，它能够进行模拟隔离电路并对相应的信号进行AD采集，得到混合频率信号，使用该信号处理不同频带的带通滤波算法，能够分离出相应的交流电压伏值。采用隔离总线的方式及相关协议输出，能够有效提高采集模块的现场适应能力。信号检测采集模块功能原理图如图1所示。
2 计轴轨道电路信号检测采集模块硬件设计
2.1 输入采集电路设计
在计轴轨道电路信号检测采集模块中，输入端口信号是通过交流电压信号进行采集的，计轴系统通过检测室内外的通信信号状态而得到该信号，同时在输入采集端口使用了高阻输入，并增加了过流过热保护装置，从而避免影响到相关信号线路的其他设备的正常运行。输入采集电路结构图如图2所示。
2.2 信号隔离及通信接口隔离电路设计
信号隔离电路的主要作用是把前端采集的信号，通过隔离芯片传递到后端，确保前后端的信号不在同一个参考地，保证后端信号的独立性，并使其不受到其他信号的影响，提高其抗干扰能力。在计轴轨道电路信号检测采集模块中，信号隔离电路能够保证采集模块的相关功能，具有十分重要的作用。信号隔离电路简图如图3所示。
在信号隔离电路简图中可以发现，N2是其中关键隔离器件，通过运算放大器的作用，能够利用发光管中发出的光把接收的电流传递到右边接收管中。其中，滤波电容能够有效消除电路中相关器件产生的噪声和毛刺。隔离器件N2还可以传递交流信号和直流信号，并且表现出精度高、较低的非线性度及较宽的频带等特点。
通信接口隔离电路的设计采用的是高速光电耦合器，它能够对相应的信号进行隔离输出，而且光电耦合器的带宽能够满足数据传输的要求。采用这种设计方式能够很好地提高通信接口上的抗干扰能力，其通信接口利用高速光电耦合结合外围电路的方式，既可以很好地满足电路高速通信速率的需求，又控制了成本。
2.3 PCB布局布线设计
在衡量产品的性能时，PCB布局设计思路是其中一个重要的指标，而在计轴轨道电路信号检测采集模块设计中，除了要合理设计相应的原理电路图，对于PCB的设计也是其中比较重要的环节。在设计PCB布局布线时，要确保结构的合理、有准确的接口定位。在布局关键芯片时，要充分考虑芯片在结构上的限定，对于卡板上的高热器件等主芯片而言，在进行设计的时候要考虑其散热效果，进行合理的放置使得其具有相对均匀的散热效果。
在PCB布局布线设计中，还要考虑高速信号和敏感信号的抗阻匹配、空间距离，滤波电容要尽量靠近芯片额电源引脚，这样能够更好地发挥滤波的作用，储能电容要尽量设置在有源芯片的四周。通过对高压和耐压方面进行考虑来设计安全距离，并对两者进行相应的设计，不同强度的信号的走线要分开设计，充分考虑到相应的爬电距离。在计轴轨道电路信号检测采集模块的硬件的PCB布局布线设计中，需要遵循上述原则及要求，这样能够更好地保证计轴轨道电路信号检测采集模块的性能。
3 计轴轨道电路信号检测采集模块的测试和实现
针对计轴轨道电路信号检测采集模块的测试，主要是从精度误差、幅频特性、响应时间及电磁兼容等方面进行相应的测试工作。对于采集模块精度误差的测试，从相应的测试数据可以观察出不同频率的最大电压有效值误差，而且进行测试得到的精度能够满足采集模块设计的相关要求。对于幅频特性的测试，测试的频率覆盖到全频率范围内，根据相应的数据可以得知不同频率的中心频点在一定频率范围内具有良好的频率特性，而且其最大误差精度也能夠满足设计的相关要求。
对于响应时间测试，在测试时采用的是双通道示波器，对信号的测试是从有到无，再从无到有的过程，而在整个频段内，信号的变化时间要控制在15 ms之内。2 500 Hz频段下进行的响应时间测试如图4所示。
4 总结
综上所述，随着铁路交通事业的快速发展，计轴轨道电路信号检测采集模块的成功设计，能够满足计轴系统的使用要求，使得铁路轨道计轴系统应用的性能更加完善。通过对计轴轨道电路信号检测采集模块进行相应的研究设计，能够促进我国铁路交通事业的进一步发展。
参 考 文 献
[1]倪伟，景小军，袁霞.计轴轨道电路信号检测采集模块的设计与实现[J].工业控制计算机，2016，29（11）：31-32，119.
[2]倪伟.计轴轨道电路信号检测采集模块的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2016.
[3]成巍坤.基于光纤传感计轴技术的轨道电路监测系统设计[D].石家庄：石家庄铁道大学，2016.
【关键词】计轴轨道电路;信号检测采集模板;设计与实现
【中图分类号】U284.47 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）10-0028-02
0 引言
在目前情况下，计轴轨道电路信号检测采集模块是唯一能够对计轴频率信号进行测量的产品。随着铁路现代化的发展不断加快，加强对铁路线路是否被占用的检测能够保证列车的安全、稳定运行。使用计轴采集模块能够根据采集的信号及时发现系统中将要发生的故障，并且进行相应的预报警，确保系统的安全可靠运行。当计轴采集模块检测出系统中存在的故障后，它能够根据相应的数据对故障的位置及性质进行快速、准确的判断，帮助维修人员及时发现问题并减少相应的维修时间，从而有效保证铁路的安全稳定运行。计轴设备的运行情况与铁路轨道的状态无关，使用计轴设备可以对长轨道区间空闲占用状态进行检测，也不会因为轨道的变化而影响到铁路的正常运行。
1 计轴系统相关概述及信号检测采集模块主要原理
1.1 计轴系统相关概述
在铁路交通领域中，计轴是一种广泛用于检测铁路轨道相关区间内通过的车轮个数的信号设备，其工作原理是利用闭环传感器对经过相应区间的车轮对数进行检测，通过计轴设备处理后将车轮对数发送到对方站进行相应的对比，进而判断列车行使过的空间处于空闲的状态。计轴系统与传统的轨道电路相比较具有较多优点，不会受到相关环境的影响，即使铁道的钢轨生锈或者发生其他状况，计轴系统仍然可以正常对相应区间内轨道的状态进行检测，判断该区间是否被占用，以防止发生交通安全事故。在容易受潮等环境因素影响的隧道轨道上，计轴系统仍然可以进行正常的检测工作而不受到轨道条件的影响，而且也不会发生红光带的问题。
1.2 信号检测采集模块主要原理
对于计轴轨道电路信号检测采集模块而言，当采集到室外的通信信号时，它能够进行模拟隔离电路并对相应的信号进行AD采集，得到混合频率信号，使用该信号处理不同频带的带通滤波算法，能够分离出相应的交流电压伏值。采用隔离总线的方式及相关协议输出，能够有效提高采集模块的现场适应能力。信号检测采集模块功能原理图如图1所示。
2 计轴轨道电路信号检测采集模块硬件设计
2.1 输入采集电路设计
在计轴轨道电路信号检测采集模块中，输入端口信号是通过交流电压信号进行采集的，计轴系统通过检测室内外的通信信号状态而得到该信号，同时在输入采集端口使用了高阻输入，并增加了过流过热保护装置，从而避免影响到相关信号线路的其他设备的正常运行。输入采集电路结构图如图2所示。
2.2 信号隔离及通信接口隔离电路设计
信号隔离电路的主要作用是把前端采集的信号，通过隔离芯片传递到后端，确保前后端的信号不在同一个参考地，保证后端信号的独立性，并使其不受到其他信号的影响，提高其抗干扰能力。在计轴轨道电路信号检测采集模块中，信号隔离电路能够保证采集模块的相关功能，具有十分重要的作用。信号隔离电路简图如图3所示。
在信号隔离电路简图中可以发现，N2是其中关键隔离器件，通过运算放大器的作用，能够利用发光管中发出的光把接收的电流传递到右边接收管中。其中，滤波电容能够有效消除电路中相关器件产生的噪声和毛刺。隔离器件N2还可以传递交流信号和直流信号，并且表现出精度高、较低的非线性度及较宽的频带等特点。
通信接口隔离电路的设计采用的是高速光电耦合器，它能够对相应的信号进行隔离输出，而且光电耦合器的带宽能够满足数据传输的要求。采用这种设计方式能够很好地提高通信接口上的抗干扰能力，其通信接口利用高速光电耦合结合外围电路的方式，既可以很好地满足电路高速通信速率的需求，又控制了成本。
2.3 PCB布局布线设计
在衡量产品的性能时，PCB布局设计思路是其中一个重要的指标，而在计轴轨道电路信号检测采集模块设计中，除了要合理设计相应的原理电路图，对于PCB的设计也是其中比较重要的环节。在设计PCB布局布线时，要确保结构的合理、有准确的接口定位。在布局关键芯片时，要充分考虑芯片在结构上的限定，对于卡板上的高热器件等主芯片而言，在进行设计的时候要考虑其散热效果，进行合理的放置使得其具有相对均匀的散热效果。
在PCB布局布线设计中，还要考虑高速信号和敏感信号的抗阻匹配、空间距离，滤波电容要尽量靠近芯片额电源引脚，这样能够更好地发挥滤波的作用，储能电容要尽量设置在有源芯片的四周。通过对高压和耐压方面进行考虑来设计安全距离，并对两者进行相应的设计，不同强度的信号的走线要分开设计，充分考虑到相应的爬电距离。在计轴轨道电路信号检测采集模块的硬件的PCB布局布线设计中，需要遵循上述原则及要求，这样能够更好地保证计轴轨道电路信号检测采集模块的性能。
3 计轴轨道电路信号检测采集模块的测试和实现
针对计轴轨道电路信号检测采集模块的测试，主要是从精度误差、幅频特性、响应时间及电磁兼容等方面进行相应的测试工作。对于采集模块精度误差的测试，从相应的测试数据可以观察出不同频率的最大电压有效值误差，而且进行测试得到的精度能够满足采集模块设计的相关要求。对于幅频特性的测试，测试的频率覆盖到全频率范围内，根据相应的数据可以得知不同频率的中心频点在一定频率范围内具有良好的频率特性，而且其最大误差精度也能夠满足设计的相关要求。
对于响应时间测试，在测试时采用的是双通道示波器，对信号的测试是从有到无，再从无到有的过程，而在整个频段内，信号的变化时间要控制在15 ms之内。2 500 Hz频段下进行的响应时间测试如图4所示。
4 总结
综上所述，随着铁路交通事业的快速发展，计轴轨道电路信号检测采集模块的成功设计，能够满足计轴系统的使用要求，使得铁路轨道计轴系统应用的性能更加完善。通过对计轴轨道电路信号检测采集模块进行相应的研究设计，能够促进我国铁路交通事业的进一步发展。
参 考 文 献
[1]倪伟，景小军，袁霞.计轴轨道电路信号检测采集模块的设计与实现[J].工业控制计算机，2016，29（11）：31-32，119.
[2]倪伟.计轴轨道电路信号检测采集模块的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2016.
[3]成巍坤.基于光纤传感计轴技术的轨道电路监测系统设计[D].石家庄：石家庄铁道大学，2016.