專利名稱：機車信號運行監(jiān)測及隔離系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及機車信號監(jiān)測技術，特別是一種機車信號運行監(jiān)測及隔離系統(tǒng)。
背景技術：
傳統(tǒng)的機車運行信號系統(tǒng)是以地面信號為主，機車信號為輔。隨著列車運行速度的提升，機車運行信號系統(tǒng)逐步發(fā)展為以機車信號為主，地面信號為輔的信號系統(tǒng)，機車信號也逐漸成為列車運行的主要信號引導，機車信號是否穩(wěn)定可靠將直接關系到列車的運行安全。為保證列車安全運行，必須對機車信號進行全程監(jiān)測，現(xiàn)行的辦法是依靠有經驗的維護人員，憑經驗判斷機車信號運行故障成因，適時進行清障維護，以保證機車信號運行穩(wěn)定無亂碼。但這種方法對維護人員要求較高，而且準確性往往因人而異，不夠穩(wěn)定，難以保證機車信號運行故障都能夠得到及時排除。

發(fā)明內容
本發(fā)明的任務是提出一種機車信號運行監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對機車信號參數進行實時采集、分析和處理，普通值班人員根據報表即可排除故障。
本發(fā)明因此提出一種機車運行信號監(jiān)測及隔離系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一臺機車信號監(jiān)測及隔離裝置、一臺手持設備和一臺管理計算機組成。機車信號監(jiān)測及隔離裝置由電源模塊、電壓采集模塊、感應電壓采集模塊、八路信號燈采集隔離模塊、公里標讀取模塊、漏電流傳感器、單片機系統(tǒng)等組成。其中電壓采集模塊用于監(jiān)測機車輸入電壓的變化和機車信號電源電壓輸出的變化，當該電壓超出規(guī)定范圍時，即把當前電壓值連同當前監(jiān)測的其它參數包括當前時間、公里數作為一條記錄保存到專用存儲器中，其余時間只監(jiān)測不記錄；感應電壓采集模塊用于監(jiān)測軌道電路感應電壓值的大小。當機車信號燈出現(xiàn)調白燈和頻繁跳變時，即把當前此感應電壓值連同當前監(jiān)測的其它參數，包括當前時間和公里數等作為一條記錄保存到專用存儲器中，其余時間只監(jiān)測不記錄；八路信號燈采集模塊用于監(jiān)測八路信號燈和上/下行開關狀態(tài)。當八路信號燈出現(xiàn)調白燈和頻繁跳變時或上/下行狀態(tài)改變時，即將當前燈位和上/下行狀態(tài)連同當前監(jiān)測的其它參數，包括當前時間和公里數等作為一條記錄保存到專用存儲器中，其余時間只監(jiān)測不記錄。漏電流傳感器用于監(jiān)測機車輸入電壓對機車車體的漏電流的變化。通過漏電電流可計算出機車輸入電壓對車體的絕緣電阻值，當絕緣電阻小于規(guī)定范圍時，即把當前此絕緣電阻值連同當前監(jiān)測的其它參數，包括當前時間、公里數等作為一條記錄保存到專用存儲器中，其余時間只監(jiān)測不記錄。單片機系統(tǒng)由單片機、存儲器、時間系統(tǒng)及串口等構成，執(zhí)行如下程序系統(tǒng)初始化，確定各端口的功能，設置串口波特率、A/D采樣率、采樣間隔，打開定時器和全局中斷，系統(tǒng)進入等待狀態(tài)如果采樣時間到，系統(tǒng)進入采樣定時中斷服務程序，采樣定時中斷服務程序完成對所有參數的采集和處理；如果本次采集中有某項參數超標，則將本次采集的所有參數連同時間和公里標信息記錄到專用存儲器中；如果本次采集中無超標參數，系統(tǒng)直接返回主程序，等待下一次采樣時刻的到來。手持設備由CPU、顯示屏、鍵盤、串口等構成，通過串口將機車信號監(jiān)測及隔離裝置采集到的記錄數據轉存到手持設備的存儲器中，然后通過串口與管理計算機通信，將記錄數據導入管理計算機中進行分析處理、顯示、打印。
本發(fā)明的機車信號監(jiān)測及隔離裝置安置在機車上，可對機車信號連續(xù)監(jiān)測、隔離并進行實時分析和處理，普通值班人員根據報表即可排除故障，從而保障機車運行安全。本發(fā)明可通過手持設備，實現(xiàn)對每臺機車信號監(jiān)測及隔離裝置進行機車車號，運行區(qū)段，日期，時鐘校對等管理操作，使用范圍廣。


圖1為本發(fā)明組成結構框圖 圖2為信號監(jiān)測及隔離裝置模塊關系3為電壓采集模塊原理圖 圖4為感應電壓采集模塊原理5為八路信號燈采集模塊原理6為公里標讀取模塊原理7為單片機系統(tǒng)工作程序流程9為采樣定時中斷服務程序流程8為串口服務程序流程圖具體實施方式
以下結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述圖1為本發(fā)明組成結構框圖，如圖所示，本發(fā)明由機車信號監(jiān)測及隔離裝置、手持設備和管理計算機三部分組成。機車信號監(jiān)測及隔離裝置通過串口、手持設備、串口與管理計算機相連，由電源模塊、電壓采集模塊、感應電壓采集模塊、八路信號燈采集模塊、公里標讀取模塊、漏電流傳感器、、單片機系統(tǒng)等組成。單片機系統(tǒng)由單片機、存儲器、時間系統(tǒng)、串口等構成。
圖2為機車信號監(jiān)測及隔離裝置模塊關系圖，描述了各個模塊和主板之間的連接關系，圖中標有“?！钡碾娐范俗佣际窍到y(tǒng)通過航空插頭與外部設備的接口，系統(tǒng)與外部設備的接口采用了規(guī)定的格式，此接口形式使系統(tǒng)能與不同的機車信號系統(tǒng)兼容，且便于安裝，只要將對應的插頭互相對插即可。
機車110V輸入電壓經過漏電流傳感器后接入機車信號監(jiān)測及隔離裝置，一方面它接到裝置的電源模塊上，經電源模塊的DC/DC變換，為裝置提供工作電壓；另一方面，它作為裝置監(jiān)測的參數之一接到電壓采集模塊上，通過電壓采集模塊的隔離和線性變換，輸入到單片機的A/D采樣端口0，由單片機進行采樣和處理。漏電流傳感器將漏電流的大小轉換成電壓量輸出，此電壓量直接輸入到單片機的A/D采樣端口2，由單片機進行采樣和處理。如果機車110V輸入電壓對機車車體有漏電流存在，漏電流傳感器將有電壓輸出，此漏電流與漏電流傳感器的電壓輸出成線性正比關系，即U(輸出電壓)＝K*I(漏電流)。機車信號電源50V輸出電壓也作為本發(fā)明需要監(jiān)測的參數之一接到機車信號監(jiān)測及隔離裝置的50V輸入的接線端子上，通過電壓采集模塊的隔離和線性變換，輸入到單片機的A/D采樣端口1，由單片機進行采樣和處理。感應電壓的采集是將軌道電路感應線圈的兩端分別接到感應電壓采集模塊的S1和S2端子上，此感應線圈的輸出為一個交流小信號，經感應電壓采集模塊的隔離、線性放大和真有效值變換后，成為直流電壓量輸入到單片機的A/D采樣端口3，由單片機進行采樣和處理。機車八路信號燈狀態(tài)(L、LU、UU、U、U2、HU、H、B)和上/下行狀態(tài)(U/D)分別通過接線端子接到八路燈信號采集模塊，由八路信號燈采集模塊進行隔離和線性變換，輸入到單片機的9個通用輸入/輸出端口，由單片機采集這9個端口的電平狀態(tài)來判斷機車信號燈和上/下行狀態(tài)。
單片機每隔500ms采集一次信息，并將它們看作一條記錄，在采集完成每條記錄后要對這條記錄進行處理，判斷這條記錄中的每條域是否存在超出機車信號運行正常的情況，如果有，單片機則從時間系統(tǒng)和公里標采集模塊讀取當前時間和公里數，并將這條記錄連同時間和公里數保存到專用存儲器內，值班人員可通過手持設備將所有的記錄傳到管理計算機進行分析處理。
圖3所示為電壓采集模塊原理圖。為了保證機車信號系統(tǒng)不受本系統(tǒng)的影響，系統(tǒng)在對機車110V電壓和機車信號電源輸出50V電壓采集時，采用Slc800精密線性光耦合器對采集的電源量進行隔離。Slc800精密線性光耦合器由紅外光LED照射分叉配置的一個隔離反饋光二極管和一個輸出光二極管組成。反饋光二極管吸收LED光通量的一部分而產生控制信號，輸出光二極管產生的輸出信號與LED發(fā)出的伺服光通量成線性比例。Slc800是以電流方式工作的，它的發(fā)光管LED的工作電流IF工作在1-10mA左右，因此用運算放大器作為輸入以驅動LETD，反饋光二極管產生電流IP1流過R15+R16，R15+R16接到輸入運放的反相輸入端。光電流IP1的值滿足關系式IP1＝VI/R15+R16(VI為輸入模擬電壓)，此電流與LED電流成正比，比例系數為反饋傳輸增益K1(K1＝IP1/IF)。同樣輸出光二極管產生的電流IP2流過串聯(lián)的R11和R13，且兩串聯(lián)電阻接到輸出運放的正相輸入端，輸出運放的輸出端與反相輸入端相連，所以線性隔離后的輸出電壓VO滿足關系式VO＝IP2*(R11+R13)，此電流與LED電流成正比，比例系數為正向傳輸增益K2(K1＝IP2/IF)。電阻的選擇基本上滿足R15+R16≈R11+R13，有輸出關系VO＝VIK3(R11+R13)/(R15+R16)，K3為傳輸增益，是正向增益與伺服增益之比，及K3＝K2/K1，K3的典型值為1。為了抵消K3造成的線性偏差通過調整電位器R16和R11使K3(R11+R13)/(R15+R16)＝1，來補償K3超出部分，使輸入和輸出的線性關系比較理想。
圖4示出了感應電壓采集模塊原理圖。為了不至于對機車信號主機接收軌道感應信息造成影響，保證行車安全，在軌道感應線圈和AD736芯片的輸入端之間插入一個隔離放大器ISO124，軌道感應電壓經ISO124隔離后輸入到AD736的高阻抗輸入端，對輸入的感應電壓進行“平方→求平均值→開平方”的運算而得到感應電壓的有效值。
圖5示出了八路信號燈采集模塊原理圖。八路燈信號采集模塊將八路信號燈狀態(tài)經隔離后提供給其它用戶設備使用，這種經隔離后的八路燈信號，當其它用戶在使用過程中出現(xiàn)對這些信號的短路、過流、過壓等不正確操作時，將不會對機車上的八路信號燈狀態(tài)造成影響。為了保證采集時系統(tǒng)不會影響機車上八路燈信號和上/下行的狀態(tài)，八路燈信號和上/下行開關量的采集選用光耦隔離器TLP521-4和4N35兩種芯片。TLP521-4和4N35在用法上完全相同，TLP521-4是四路的光耦隔離器，4N35只是一路光耦隔離器。當某路信號為高電平50V時，經分壓和穩(wěn)壓后使光耦的輸入端的發(fā)光二極管導通，導致光耦隔離器的輸出端光敏三極管飽和導通，對應輸出為高電平。反之，當某路信號為低電平0V時，光耦輸入端的發(fā)光二極管不導通，導致光耦隔離器的輸出端光敏三極管關斷，對應輸出為低電平。
圖6所示為公里標讀取模塊原理圖。列車TAX2箱每隔50ms以RS-485格式實時向外發(fā)送一次列車信息，其中包括列車的公里標信息。為了保證系統(tǒng)在工作中不會影響TAX2，公里標讀取芯片選用了電器完全隔離的RS-485通信數據接口芯片MAX1480B，MAX1480B的信號和電源通過隔離阻擋層傳遞。電源由邏輯側(非隔離側)通過中心抽頭變壓器傳遞到阻擋層的隔離側，通過阻擋層的信號經由光耦合器傳到邏輯側。它一般具有隔離幾千伏峰值的能力，能使檢測單元的數據不受干擾，也使系統(tǒng)出了故障而不影響其他單元。公里標信息經MAX1480B轉換成RS-232格式的信息，由單片機的UART口接收，圖中74HC86芯片用于控制信號的發(fā)送。
圖7是機車信號監(jiān)測及隔離裝置的單片機工作程序流程圖，即單片機對數據采集和處理的程序流程圖。如圖7所示，在上電復位后，單片機首先進行系統(tǒng)的初始化，確定各端口的功能，并設置串口波特率(19200bps)、A/D采樣率(8MHz/16)、采樣間隔(500ms)，并打開定時器和全局中斷，系統(tǒng)進入等待狀態(tài)。如果采樣時間(500ms)到，系統(tǒng)進入采樣定時中斷服務程序，如9所示，采樣定時中斷服務程序中完成對所有參數的采集和處理。如果本次采集中有某項參數超標，則將本次采集的所有參數連同時間和公里標信息記錄到存儲器中。如果本次采集中無超標的參數，系統(tǒng)直接返回主程序，等待下一次采樣時刻的到來。
機車信號監(jiān)測及隔離裝置安裝在機車上，機車在出車前應該進行一次校準，即操作人員通過手持設備從管理計算機取得當前時間和本機車的機車編號，通過對機車信號監(jiān)測及隔離裝置的校準操作，將這些初始化信息下載到本裝置上。同時值班人員需要獲取本裝置的數據時，也可通過手持設備將本裝置采集的超標數據傳送到管理計算機進行分析、統(tǒng)計、打印和顯示。這些通過手持設備的“校準”和“取數”操作都是通過串口通信實現(xiàn)的。機車信號監(jiān)測及隔離裝置在初始化完畢后，除了進行參數的500ms定時采樣外，如有串口通信中斷請求，則進入串口中斷服務程序中，如圖8所示，串口中斷服務程序首先判斷是“取數”還是“校準”命令，如是“取數”命令則將所有保存在存儲器的記錄傳給手持設備，如是“校準”命令，則從手持設備接收當前時間和機車編號信息。該裝置監(jiān)測周期為0.5秒，即每隔0.5秒對所有影響機車信號的參數采集一次，所有采集均為光電隔離工作模式。
權利要求
1.一種機車信號運行監(jiān)測及隔離系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括一臺信號監(jiān)測及隔離裝置、一臺手持設備和一臺管理計算機，該信號監(jiān)測及隔離裝置由電源模塊、電壓采集模塊、感應電壓采集模塊、八路信號燈采集模塊、公里標讀取模塊、漏電流傳感器、單片機系統(tǒng)等組成，電壓采集模塊經過漏電流傳感器與機車輸入電壓相接，用于監(jiān)測機車輸入電壓的變化，通過接線端子與機車信號電源輸出電壓相接，用于監(jiān)測機車信號電源電壓輸出的變化；感應電壓采集模塊通過端子分別與軌道電路感應線圈兩端相連，用于監(jiān)測軌道電路感應電壓的變化；八路燈信號采集模塊通過接線端子與機車八路信號燈狀態(tài)(L、LU、UU、U、U2、HU、H、B)和上/下行狀態(tài)(U/D)連接，用于監(jiān)測八路信號燈和上/下行狀態(tài)；漏電流傳感器通過接線端子分別與電壓采集模塊、電源模塊及機車輸入電壓相連，用于監(jiān)測機車輸入電壓對機車車體漏電流的變化，并分別輸入到單片機的相應采樣端口，由單片機進行采樣和處理；該手持設備由CPU、串口、顯示屏和鍵盤構成，可通過串口將機車信號監(jiān)測及隔離裝置采集的記錄數據用通信的方式導入管理計算機進行分析處理。
2.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述電壓采集模塊通過Slc800精密線性光耦合器對采集的電源量信號進行線性隔離。
3.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述感應電壓采集模塊通過在軌道感應線圈和AD736芯片的輸入端之間插入一隔離放大器ISO124，將軌道感應電壓經隔離后再輸入到AD736芯片進行感應電壓有效值變換。
4.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于八路信號燈采集模塊通過光耦隔離器TLP521-4、4N35兩種芯片對信號進行隔離。
5.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于公里標讀取模塊通過電氣完全隔離的RS-485通訊數據接口芯片MAX1480B，將公里標信息由RS-485格式轉換到RS-232格式。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種機車信號監(jiān)測及隔離系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由機車信號監(jiān)測及隔離裝置，手持設備、管理計算機組成，手持設備通過串口將信號監(jiān)測及隔離裝置采集到的數據記錄轉存到其存儲器中，然后通過串口與管理計算機通信，將記錄數據導入管理計算機進行分析處理、統(tǒng)計，打印報表和運行曲線。本發(fā)明機車信號監(jiān)測及隔離裝置部分安置在機車上，可對機車信號連續(xù)監(jiān)測、隔離并進行實時分析和處理，及時排除行車安全隱患，從而保障機車安全運行。本發(fā)明采用標準接口，可以對任何機車信號系統(tǒng)進行監(jiān)測，適用范圍廣。
文檔編號B60L3/00GK1763789SQ20041008387
公開日2006年4月26日 申請日期2004年10月21日 優(yōu)先權日2004年10月21日
發(fā)明者史天運, 馮云梅, 蔣秋華, 郭洪軍, 陳民生, 王成, 于鑫 申請人:北京經緯信息技術公司