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申请/专利权人：上海铁大电信科技股份有限公司

摘要：本发明25HZ室外轨道电路电气数据采集系统，电流互感器设置于防雷分线柜的底座内；电流互感器用于对轨道电路的电流采样，通过分线端子传至对外接口单元，电流采样调理电路用于对电流值进行调理并将调理后的电流信号传至MCU；电压采样调理电路用于通过对外接口单元和分线端子对轨道电路的电压进行隔离采样，对采样的电压值进行调理并将调理后的电压信号传输至MCU；MCU用于对每一路传输来的电压电流信号进行FFT以获得相应的电压电流有效值和相位角数据，根据相位角数据和采样基准频率确定实际频率，然后根据实际频率更新采样频率以使得实际频率无限接近频率分辨率的整数倍，进而消除FFT上栅栏效应对数据精度的影响。

主权项：1.一种25HZ室外轨道电路电气数据采集系统，其特征在于，其包括电流互感器、对外接口单元、电流采样调理电路、电压采样调理电路和MCU，所述电流互感器设置于防雷分线柜的底座内，所述电流互感器通过防雷分线柜的分线端子与对外接口单元电连接；所述电流互感器用于对室外轨道电路的电流进行采样，并通过分线端子传输至对外接口单元，所述电流采样调理电路用于对接收的电流值进行调理并将调理后的电流信号传输至MCU；所述电压采样调理电路用于通过对外接口单元和分线端子对室外轨道电路的电压进行隔离采样，并对采样的电压值进行调理并将调理后的电压信号传输至MCU；所述MCU用于对每一路传输来的电压电流信号进行FFT以获得相应的电压电流有效值和相位角数据，根据相位角数据和采样基准频率确定实际频率，然后根据实际频率更新采样频率以使得实际频率无限接近频率分辨率的整数倍，进而消除FFT上栅栏效应对数据精度的影响；所述电压采样调理电路包括：第一保险丝和第二保险丝的一端均与对外接口单元电连接，第一保险丝的另一端通过第一电阻与交流电压采样器的第一输入端电连接，第二保险丝的另一端通过第二电阻与交流电压采样器的第二输入端电连接，交流电压采样器的第一输出端通过第三电阻电连接基准电压，交流电压采样器的第二输出端直接电连接基准电压，交流电压采样器的第一输出端与第一运算放大器的正输入端电连接，第一运算放大器的输出端与MCU电连接，第一运算放大器的输出端还与第一运算放大器的负输入端电连接，以将交流负电压抬高到正值；所述电流采样调理电路包括：第二运算放大器的正输入端与对外接口单元电连接、还通过第五电阻电连接基准电压，第二运算放大器的输出端与MCU电连接，第二运算放大器的输出端还与第二运算放大器的负输入端电连接；所述MCU至少具有8路AD采集口，其中包括3路电压AD采集口、3路电流AD采集口、1路基准电压AD采集口以及1路局部110V电压AD采集口；所述MCU用于通过FFT算法获得相邻两个周期的相位角信息，根据公式△f＝2π△θ求出频率偏移值，根据公式Fs＝Fx±△f求出实际频率，其中，△θ表示相邻两个周期的相位角的差值，Fs为实际频率，Fx为采样频率，Fx的初始值为采样基准频率；根据公式Fn＝Fs计算出频率分辨率，根据公式Fx＝Fn64计算出下次的采样频率，通过频率跟踪加冗余迭代方式使实际频率落在采样频率下生成的谱线上，有效的消除栅栏效应。

全文数据：25HZ室外轨道电路电气数据采集系统技术领域[0001]本发明涉及铁路信号集中监测和故障诊断技术领域，特别是涉及一种25HZ室外轨道电路电气数据采集系统。背景技术[0002]轨道电路是用于检测线路是否被机车占用、控制信号和转辙的装置，以保证行车设备的安全，是铁路系统的重要组成部分。因此为了保障铁路运输系统的稳定可靠，对轨道电路工作状态的在线监测和故障诊断显的尤为重要。目前一般25HZ轨道电路的采集点都位于轨道测试盘侧面端子或交流二元继电器组合侧面端子，是经过25HZ防护盒之后的数据，只能采样到基准电压和相位角数据，不能反应出轨道电路的实际工作状态。发明内容[0003]本发明针对现有技术存在的问题和不足，提供一种25HZ室外轨道电路电气数据采集系统，在分线盘处采集数据，用于对25HZ轨道电路运行状态进行全面的监控和诊断。[0004]本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：[0005]本发明提供一种25HZ室外轨道电路电气数据采集系统，其特点在于，其包括电流互感器、对外接口单元、电流采样调理电路、电压采样调理电路和M⑶，所述电流互感器设置于防雷分线柜的底座内，所述电流互感器通过防雷分线柜的分线端子与对外接口单元电连接。[0006]所述电流互感器用于对室外轨道电路的电流进行采样，并通过分线端子传输至对外接口单元，所述电流采样调理电路用于对接收的电流值进行调理并将调理后的电流信号传输至MCU。[0007]所述电压采样调理电路用于通过对外接口单元和分线端子对室外轨道电路的电压进彳丁隔_米样，并对米样的电压值进彳丁调理并将调理后的电压信号传输至MCU。[0008]所述MCU用于对每一路传输来的电压电流信号进行FFT快速傅里叶变换）以获得相应的电压电流有效值和相位角数据，根据相位角数据和采样基准频率确定实际频率，然后根据实际频率更新采样频率以使得实际频率无限接近频率分辨率的整数倍，进而消除FFT上栅栏效应对数据精度的影响。[0009]较佳地，所述MCU用于通过FFT算法获得相邻两个周期的相位角信息，根据公式=2jtA9求出频率偏移值，根据公式Fs=Fx土Af求出实际频率，其中，A0表示相邻两个周期的相位角的差值，Fs为实际频率，Fx为采样频率，Fx的初始值为采样基准频率；[0010]根据公式Fn=Fsn计算出频率分辨率，根据公式Fx=Fn64计算出下次的采样频率，通过频率跟踪加冗余迭代方式使实际频率落在采样频率下生成的谱线上，有效的消除栅栏效应。[0011]较佳地，所述电压采样调理电路包括:第一保险丝和第二保险丝的一端均与对外接口单元电连接，第一保险丝的另一端通过第一电阻与交流电压采样器的第一输入端电连接，第二保险丝的另一端通过第二电阻与交流电压采样器的第二输入端电连接，交流电压采样器的第一输出端通过第三电阻电连接基准电压，交流电压采样器的第二输出端直接电连接基准电压，交流电压采样器的第一输出端与第一运算放大器的正输入端电连接，第一运算放大器的输出端与M⑶电连接，第一运算放大器的输出端还与第一运算放大器的负输入端电连接。[0012]较佳地，所述电流采样调理电路包括:第二运算放大器的正输入端与对外接口单元电连接、还通过第五电阻电连接基准电压，第二运算放大器的输出端与MCU电连接，第二运算放大器的输出端还与第二运算放大器的负输入端电连接。[0013]较佳地，所述系统还包括开关量信息采集电路，所述开关量信息采集电路用于采集开关量信号并将开关量信号传输至MCU。[0014]较佳地，所述系统还包括电源调理电路，所述电源调理电路用于为MCU提供电源。[0015]较佳地，所述系统还包括RS485通信接口，所述M⑶通过RS485通信接口和对外接口单元与上位机或通信接口板进行通信。[0016]较佳地，所述系统还包括看门狗芯片、晶振、拨码开关和外扩SRAM，所述看门狗芯片、晶振、拨码开关和外扩SRAM均与MCU电连接。[0017]较佳地，所述系统还包括一采集盒，所述对外接口单元、电流采样调理电路、电压采样调理电路和MCU均集成于采集盒内。[0018]较佳地，所述MCU至少具有8路AD采集口，其中包括3路电压AD采集口、3路电流AD采集口、1路基准电压AD采集口以及1路局部110V电压AD采集口。[0019]在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。[0020]本发明的积极进步效果在于：[0021]本发明在铁路分线柜处采集25HZ相敏轨道电路原始电气信号，实现了包括25HZ基准频率、电压有效值、电流有效值、相位角、50HZ分量、叠加电码化载频电压、以及叠加电码化低频频率实时数据的采集和传输。这些数据都是信号集中监测和专家故障诊断系统中所需要的基础电气数据。[0022]通过相位角差值法实时跟踪待测波形的频率，通过频率跟踪原理改变采样频率实现对不同频谱波形的分析计算，可以有效的消除FFT的栅栏效应对测试数据的影响。附图说明[0023]图1为本发明较佳实施例的25HZ室外轨道电路电气数据采集系统的结构框图。[0024]图2为本发明较佳实施例的25HZ室外轨道电路电气数据采集系统的细化结构图。[0025]图3为本发明较佳实施例的采集盒的外形图。[0026]图4为本发明较佳实施例的电压采样调理电路原理图。[0027]图5为本发明较佳实施例的电流采样调理电路原理图。[0028]图6为本发明较佳实施例的频率跟踪加冗余迭代算法流程图。具体实施方式[0029]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0030]如图1所示，本实施例提供一种25HZ室外轨道电路电气数据采集系统，采集点位于防雷分线柜2的底座的分线端子处，通过采集盒4通过采集通道3直接对应于室外轨道电路1的采集点，采集到的是最真实的设备数据，可以实现包括基准频率、电压有效值、电流有效值、相位角、50Hz谐波电压电流以及叠加电码化的电气数据。[0031]如图2所示，25HZ室外轨道电路电气数据采集系统包括电流互感器和采集盒见图3，采集盒内集成有对外接口单元41、电流采样调理电路42、电压采样调理电路43、开关量信息采集电路44、电源调理电路45、RS485通信接口46、MCU47、看门狗芯片48、晶振49、拨码开关50和外扩SRAM40，电流互感器设置于防雷分线柜2的底座内，电流互感器通过防雷分线柜2的分线端子与对外接口单元41电连接，MCU47至少具有8路AD采集口，其中包括3路电压AD采集口、3路电流AD采集口、1路基准电压AD采集口以及1路局部110V电压AD采集口。[0032]所述电流互感器用于对室外轨道电路1的接收端和发送端的工作电流进行采样，并通过分线端子传输至对外接口单元41，所述电流采样调理电路42用于对接收的电流值进行调理并将调理后的电流信号传输至MCU47。[0033]所述电压采样调理电路43用于通过对外接口单元41和分线端子对室外轨道电路1的接收端和发送端的工作电压、局部110V电压和内部基准电压进行隔离采样，并对采样的电压值进行调理并将调理后的电压信号传输至MCU47。[0034]如图4所示，所述电压采样调理电路43包括:第一保险丝F1和第二保险丝F2的一端均与对外接口单元41电连接，第一保险丝F1的另一端通过第一电阻R1与交流电压采样器丁的第一输入端电连接，第二保险丝F2的另一端通过第二电阻R2与交流电压采样器t的第二输入端电连接，交流电压采样器T的第一输出端通过第三电阻R3电连接基准电压Vrefl，交流电压采样器T的第二输出端直接电连接基准电压Vrefl，交流电压采样器T的第一输出端与第一运算放大器U1的正输入端电连接，第一运算放大器ui的输出端与MCU电连接，第一运算放大器U1的输出端还与第一运算放大器U1的负输入端电连接。[0035]如图5所示，所述电流采样调理电路42包括:第二运算放大器U2的正输入端与对外接口单元41电连接、还通过第五电阻R5电连接基准电压，第二运算放大器似的输出端与皿⑶电连接，第二运算放大器U2的输出端还与第二运算放大器U2的负输入端电连接。[0036]由于M⑶47的AD采集口只能识别直流信号，所以采用抬高基准偏置电压的方式将交流负电压全部抬到正值。[0037]所述MCU47用于对每一路传输来的电压电流信号进行FFT以获得相应的电压电流有效值和相位角数据，FFT主要实现数据时域和频域的转换，根据相位角数据和采样基准频率确定实际频率，然后根据实际频率更新采样频率以使得实际频率无限接近频率分辨率的整数倍，进而消除FFT上栅栏效应对数据精度的影响。[0038]具体地，如图6所示，所述MCU47用于通过FFT算法获得相邻两个周期的相位角信息，根据公式Af=2V△咪出频率偏移值，根据公式Fs=Fx±Af求出实际频率，其中，△0表疋相邻两个周期的相位角的差值，Fs为实际频率，Fx为采样频率，Fx的初始值为采样基准频率；[0039]根据公式Fn=Fsn计算出频率分辨率，根据公式Fx=Fn64计算出下次的米样频率，通过频率跟踪加冗余迭代方式使实际频率落在采样频率下生成的谱线上，有效的消除栅栏效应。[0040]所述开关量信息采集电路44用于采集开关量信号并将开关量信号传输至MCI[0041]所述电源调理电路45用于为MCU提供电源，使用24V转5V的隔离电源来实现，防止当某个模块电源故障导致同一线路上的其他模块也出线故障。[0042]此外，所述MCU47通过RS485通信接口46和对外接口单元41并配合标准的MODBUS协议与上位机或通信接口板进行数据交互，所述看门狗芯片48、晶振49、拨码开关50和外扩SRAM40均与MCU47电连接。为了防止程序运行过程中出现意外导致的死机，增加了一个外部看门狗芯片对系统运行进行监控。[0043]考虑到系统以后的可扩展性需要扩充一片外部SRAM进行数据的存储。因此选择使用8了1432?1032£丁6作为系统的主芯片1；1〇1。主芯片内部包括5121的？1^31641内部1^11，21*12bit的高速AD接口，2路DMA通道，FSMC总线接口，5路UART口，最高工作频率72MHZ3SRAM选用IS62WV51216高达1Mbyte的外部RAM以备后续算法的扩充使用。[0044]本发明的采样点在分线盘处信号监测防雷分线柜的分线端子处），是直接面向室外设备的采样点。通过特定的相位角差值法、跟踪加冗余迭代法、动态采样频率法实现包括了25HZ基频频率、电压有效值、电流有效值、相位角、50HZ分量、叠加电码化载频电压、叠加电码化低频频率实时数据的采集。监测系统依据这些数据可以全面有效的展示轨道电路的工作状态，专家故障诊断系统可以通过这些数据的异常分析出轨道电路的故障点，及时准确的为信号维护人员提供必要的维修信息。[0045]虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

权利要求：1.一种25HZ室外轨道电路电气数据采集系统，其特征在于，其包括电流互感器、对外接口单元、电流采样调理电路、电压采样调理电路和M⑶，所述电流互感器设置于防雷分线柜的底座内，所述电流互感器通过防雷分线柜的分线端子与对外接口单元电连接；所述电流互感器用于对室外轨道电路的电流进行采样，并通过分线端子传输至对外接口单元，所述电流采样调理电路用于对接收的电流值进行调理并将调理后的电流信号传输至MCU;所述电压采样调理电路用于通过对外接口单元和分线端子对室外轨道电路的电压进行隔离采样，并对采样的电压值进行调理并将调理后的电压信号传输至MCU;所述MCU用于对每一路传输来的电压电流信号进行FFT以获得相应的电压电流有效值和相位角数据，根据相位角数据和采样基准频率确定实际频率，然后根据实际频率更新采样频率以使得实际频率无限接近频率分辨率的整数倍，进而消除FFT上栅栏效应对数据精度的影响。2.如权利要求1所述的25HZ室外轨道电路电气数据采集系统，其特征在于，所述MCU用于通过FFT算法获得相邻两个周期的相位角信息，根据公式△fzSVAe求出频率偏移值，根据公式Fs=Fx土Af求出实际频率，其中，A0表示相邻两个周期的相位角的差值，Fs为实际频率，Fx为采样频率，Fx的初始值为采样基准频率；根据公式Fn二Fsn计算出频率分辨率，根据公式Fx=Fn64计算出下次的采样频率，通过频率跟踪加冗余迭代方式使实际频率落在采样频率下生成的谱线上，有效的消除栅栏效应。3.如权利要求1所述的25HZ室外轨道电路电气数据采集系统，其特征在于，所述电压采样调理电路包括:第一保险丝和第二保险丝的一端均与对外接口单元电连接，第一保险丝的另一端通过第一电阻与交流电压采样器的第一输入端电连接，第二保险丝的另一端通过第二电阻与交流电压米样器的第二输入端电连接，交流电压采样器的第一输出端通过第三电阻电连接基准电压，交流电压采样器的第二输出端直接电连接基准电压，交流电压采样器的第一输出端与第一运算放大器的正输入端电连接，第一运算放大器的输出端与M⑶电连接，第一运算放大器的输出端还与第一运算放大器的负输入端电连接。4.如权利要求1所述的25HZ室外轨道电路电气数据采集系统，其特征在于，所述电流采样调理电路包括:第二运算放大器的正输入端与对外接口单元电连接、还通过第五电阻电连接基准电压，第二运算放大器的输出端与MCU电连接，第二运算放大器的输出端还与第二运算放大器的负输入端电连接。5.如权利要求1所述的25HZ室外轨道电路电气数据采集系统，其特征在于，所述系统还包括开关量信息采集电路，所述开关量信息采集电路用于采集开关量信号并将开关量信号传输至MCU。6.如权利要求1所述的25HZ室外轨道电路电气数据采集系统，其特征在于，所述系统还包括电源调理电路，所述电源调理电路用于为MCU提供电源。7.如权利要求1所述的25HZ室外轨道电路电气数据采集系统，其特征在于，所述系统还包括RS485通信接口，所述MCU通过RS485通信接口和对外接口单元与上位机或通信接口板进行通信。8.如权利要求1所述的25HZ室外轨道电路电气数据采集系统，其特征在于，所述系统还包括看门狗芯片、晶振、拨码开关和外扩SRAM，所述看门狗芯片、晶振、拨码开关和外扩SRAM均与MCU电连接。_9.如权利要求1所述的25HZ室外轨道电路电气数据采集系统，其特征在于，所述系统还包括一采集盒，所述对外接口单元、电流采样调理电路、电压采样调理电路和M⑶均集成于采集盒内。10.如权^要求1所述的25HZ室外轨道电路电气数据采集系统，其特征在于，所述MCU至少具有8路AD采集口，其中包括3路电压汕采集口、3路电流AD采集口、丨路基准电压AD采集口以及1路局部110V电压AD采集口。

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