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ZPW-2000 衰耗盒电压采集处理研究与实现

热度0票浏览78次时间：2021年9月01日 09:40

（柳州铁道职业技术学院，广西?柳州?545616）

摘. . 要：轨道电路设备对提高铁路运输效率、保证列车运行安全有重要的作用，为确保 ZPW-2000A 轨道电路设备时刻处于良好的状态，通过采集处理电路在衰耗盒处对其主要参数进行采集监测，根据相关参数的特点，采用相应的电路进行处理，达到真实、准确反映轨道电路设备工作状态的目的，促进设备可靠稳定地工作，确保铁路运营组织顺利执行。

关键词：铁路；ZPW-2000；参数；采集

0 引言

ZPW-2000 型无绝缘轨道电路设备广泛应用于铁路站内电码化、自动闭塞区间轨道电路等领域，在普速铁路、高速铁路线路担负室外轨道空闲或占用状态检查、向列车发送行车控制信息等任务，对列车安全、高效运行发挥非常关键的作用，是铁路运输的“千里眼、顺风耳”，如果轨道电路设备发生故障，将会严重影响铁路运输效率，甚至可能导致行车安全事故发生。由此可见确保ZPW-2000 轨道电路设备的可靠运行非常重要，该设备运行状态是否良好，可从 ZPW-2000 衰耗盒的相关电压参数进行分析判断，在衰耗盒处可人工用 ZPW-2000 轨道电路专用测试仪测试轨道电路的工作电源、功出、轨入、主轨出、小轨出、GJ、XGJ 等电压参数，根据读取的数值是否在标准范围内，可了解设备工作状态是否良好。

由铁路信号设备维护人员人工进行参数测试存在测试周期长、劳动强度高等问题，不利于确保设备稳定可靠工作。可通过增加采集设备对 ZPW-2000 轨道电路的相关参数进行测试、处理，并将处理结果通过显示器输出，维护人员可便捷地查看，设备状态发生异常时能及时发现并处理。

1 电压采集系统的整体框架

ZPW-2000 轨道电路设备的主要电气参数集中在衰耗盒处，需要测试的电压信号可分成交流、直流两部分，交流部分包括功出电压、轨入电压、主轨出电压、小轨出电压共 4 路信号，直流部分包括发送工作电源、接收工作电源、GJ、XGJ 等 9 路信号，直流电压的取值范围是 0-50v，交流电压的取值范围是 0-200v。

[1] 基于此条

件，本设计的电压采集系统主要由待测信号模块、模数转换模块、主控制器模块和电压显示模块四部分组成。其整体构架如图 1 所示。

图 1 系统总体结构

首先将交流待测信号通过整流电路转化为对应的直流待测信号；两路直流信号通过降压电路得到 0-5V 的电压信号，在分别通过对应的 ADC0808 模数转换电路得到对应的数字量，将获取的数字量送到主控芯片的 P1 和 P2 端口，经过主控芯片的内部计算将采集到的电压值用 LCD 进行显示。

2 系统硬件电路

本系统的硬件设计主要包括微控制器的最小系统电路设计、LCD 显示电路设计、A/D 数模转换电路设计、交-直转换电路设计和降压电路设计 5 部分。

2.1 微控制器电路设计

微控制器 MCU 是整个单片机系统的核心，因此对于它的选取要考虑多个方向。首先要考虑它的端口资源是否能达到本设计的功能需求；其次要考虑它的使用是否较为普遍，便于应用到基础实验中；最后要考虑通信的运行速度，是否能达到要求。通过对本设计的功能需求分析，本系统采用 STC 公司的 STC89C52 芯片作为主控芯片。这款芯片不仅拥有经典的 MCS-51 内核，而且拥有灵巧的 8位 CPU 和系统可编程 Flash

[2] ，有效提高了控制应用系统的灵活性，

内带 4K 字节 EEPROM 存储空间

[3] ，可直接使用串口下载，程序烧

写简单方便，便于基础实验。在使用成本方面，相比众多微控制芯片，它的性价比是最高的。STC89C52 型 MCU 的最小系统包括晶振电路、复位电路和电源电路，其具体构成如图 2 所示。

图 2 STC89C52 型 MCU 的最小系统

2.2 A/D 模数转换电路设计

A/D 模数转换方式很多，对应的芯片也有多种选择。本设计需求，电压值单极性 0-5v（经降压电路输出的电压值）、精度 0.1V、转换时间定于 200us。基于实验探究比较，ADC0808 芯片它不仅是一个 8 位逐次逼近型的 CMOS 器件，具有 8 通道的多路模拟开关和对应的寻址逻辑的特点，精度满足、控制方便；而且它有可控的三态输出缓存器，被广泛的应用于数据循环检测中。基于以上特点，本系统设计采用 ADC0808 芯片。因本设计所要采集的电压较多，为了便于使用者能够准确的观察到数据的显示，缓解处理器的功耗时间，本系统采用 74HC573 锁存器，既扩展了端口又能释放模数转换的处理时间和输出引脚。其中 ADC0808 与 74HC573 连接电路图如图 3 所示。

其中 ADDA、ADDB、ADDC 与单片机相连控制 8 通道的循环导通，EOC 与 OE 组合判断信号是否传输完毕，微处理器通过控制74HC573 的 LE 引脚去获取不同 ADC0808 芯片的电压值。2.3 LED 显示模块的电路设计为了能使用户直观、清楚地了解采集到的设备电压参数信息，设计需求应配有能显示汉字的 LCD 显示屏，在实验设计中选用型号为 LM4229 的液晶显示屏。LM4229 液晶显示器的基本电路如图4 所示。其工作电压为+5V，以 T6963C 作为控制器，KS0086 作为驱动器，最多能显示 15 列*8 行共 120 个（16X16 点阵）的中文字符。

[4] 由图可知该液晶显示器与 MCU 的连接方式为：背光负极 VSS、负电压 VEE、字体选择 FS1（8x8）、停止振动 HALT、字符行 8行接地；VDD 正极接高电平 5V 电源；液晶显示器的背光调节电压VO 与滑动变阻器相连接；RST 端口复位连接；写端口 WR 与 MCU的 P3.2 相连接；CE 使能端口与 MCU 的 P3.3 相连接；数据命令选择端 C/D 与 MCU 的 P3.6 相连接；读端口 RD 与 MCU 的 P3.7 相连接；并行数据口 D0-D7 分别与 MCU 的 P0.0-P0.7 引脚相连接。

图 4 LM4299 液晶显示器基本电路

2.4 交-直转换电路设计

对于 ZPW-2000 轨道电路的功出、轨入、主轨出、小轨出 4路交流信号, A/D 模数转换电路不能直接读取，需经交-直转换电路转成直流信号。交流转换成直流方式较多，常见的有半波整流、全波整流和桥式整流

[5] ，这几种整流方法对于本电路的设计都满足要

求，综合成本、性能等方面考虑，本实验电路采用半波整流方式，但半波整流后的电路不是真正意义上的直流，而是脉动直流[5] ，因

此在利用二极管整流的基础上加入滤波电容；为了防止小信号输入引起的误差，在原有设计的基础上加入 OP07A 芯片，它具有低失调、高开环增益的特性，使输入电压和输出电压成对应的线性关系，交-直流转换电路如图 5 所示。

图 5 交-直流转换电路电路

2.5 降压电路设计

ZPW-2000 轨道电路的发送工作电源、接收工作电源、GJ、XGJ等直流信号的电压范围是 0-50V，经交-直转换电路转换后的功出、轨入、主轨出、小轨出等电压范围是 0-200V，但 ADC0808 芯片单极性电压测量范围为 0-5v，因此要将超过量程的电压信号进行降压处理。本电路采用精密电阻分压器进行分压，采集处理的直流输入信号先送至分压器，由分压器按比例将输入信号分出一份 0-5V的电压输出至 A/D 模数转换电路，最后由微控制器 MCU 根据程序比例进行扩大还原真实数值。

3 软件设计及流程

本系统利用 KeilC51 软件对程序进行仿真，采用 C 语言进行编写。与汇编语言相比，C 语言更具有结构简单，可读性强，维护方便等优势，而且 KeilC51 软件能够使程序模块化，方便功能移植和调试，较好的满足本系统的设计需求。

[6] 本设计程序部分主要包括

主函数、A/D 转换功能子函数、LCD 显示子函数等，主控制器程序设计流程如图 6 所示。上电启动主控芯片，获得要测量的交流和直流电压，将交流电压转化为对应的直流电压；再通过降压电路进行分压，输入到 ADC0808 转换模块；根据程序获得的电压判断是否满足小于 5V 电压，不小于 5V 电压重新获取，将已获取的电压用LCD 子程序进行显示。循环重复完成上述过程，直到显示出所有电压值。

图 6 主控制系统主程序流程

4 结束语

通过以上硬件采集处理电路及软件逻辑运算，可将衰耗盒处的ZPW-2000 轨道电路主要电压参数直观地反映出来，输出的电压参数值与实际值误差极小，满足相关规范要求，达到真实、准确反映轨道电路设备工作状态的目的，可促进 ZPW-2000 轨道电路设备更可靠工作、确保铁路运输安全高效运行。

参考文献：

[1] 林瑜筠. 区间信号自动控制[M].北京：中国铁道出版社有限公司，2014.

[2] 吕友懿, 许建明, 陈炯明. 基于单片机的电子时钟设计[J]. 电子世界, 2016, 000(009):31-31.

[3]向长秋, 胡湘娟, 阳泳. 基于 STC89C52 单片机的电子密码锁设计[J]. 数字技术与应用, 2015, 000(010):25-25.

[4]王永忠, 韩润萍. 基于 T6963C 控制器的液晶模块显示技术[J].

电子科技, 2013, 26(6).

[5]陆志全. 电力电子与变频技术[M].北京：机械工业出版社，2019.

[6]刘秀芬. 基于单片机 C 的教学探究[J]. 现代农村科技, 2016,000(004):65-65.

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