CN104155910B - 一种微电子相敏接收器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微电子相敏接收器，结构简明，能够准确、可靠地触发继电器工作，并实现异常报警等功能。该微电子相敏接收器，以MCU1、MCU2为核心的两套测量电路结构相同，局部电压和轨道电压通过微型互感器接入MCU的A/D输入脚，MCU采集一个周期的两路电压波形，通过傅里叶变换算法计算两路信号的初相角和有效值，求出相位差，进行逻辑判断，当符合条件时，输出方波信号，经放大、隔离传输、整流滤波，待选择输出。MCU3采集计算所有四路电压，将结果与MCU1、MCU2的处理结果分别进行比较，判断是否正常，依据设定的策略，选择其中一路，经输出电压接线端子输出直流电压使1700继电器工作，必要时发出报警信号。

Description

一种微电子相敏接收器

技术领域

本发明涉及一种可适用于铁路系统的信号检测及逻辑处理电路(装置)，输出直流电压使继电器工作，并实现异常报警等功能。

背景技术

随着电气化铁路的发展和科学技术的进步，电气化铁路25HZ相敏轨道电路的接收设备经历了从机械二元器材向电子二元器材发展的过程。

一、机械二元器材

例如，JRJC170/240型二元二位轨道继电器，专用于电气化铁路站内，25HZ相敏轨道电路，由铁道部沈阳信号工厂和西安信号工厂制造。这种器材体积大而且重，曾经造成过器材的卡阻现象，铁道部提出了改革此种器材的要求。

二、微电子相敏接收器

例如，JXW-25型微电子相敏接收器以微处理为基础，采用数字处理技术对轨道电路信号进行分析，检出有用信息，除去干扰，完成相敏轨道电路的接收功能。在设计使用方案上，制定了两种方案：

1.JXW-25A为单套使用型，即一条轨道电路装一台接收器，优点是建设投资少，容易为建设单位接受，缺点是一旦元器件不良，容易造成行车事故。

2.JXW-25B型为双套使用型，即一条轨道电路装2台接收器，并机工作。优点是安全可靠性提高，缺点是建设投资大，需要成倍增设变压器、报警器及其插座等整套设施。

三、双套一体化微电子相敏接收器

此接收器相当于上述JXW-25A、B两种型号接收器的组合，将双套电路都集成在一个电子盒内。由于实行双套一体化，省去了一半接收盒，节省了投资。但我们总结发现，该方案仍然有难以克服的缺点：(1)其电路结构中需要使用体积较大的变压器，原边直接连接轨道电压，输入端没有串联电阻，因此输入阻抗低(400欧姆)。(2)使用直流电源种类多，有24V，9V，5V三种，且使用7805，7809等线性集成稳压电路，功耗大。(3)使用分立原件和小规模集成电路种类多，数量大，有分立二极管、三极管、光电耦合器、小规模CMOS电路、小规模TTL电路，造成电路板利用率低，故障几率增大。(4)所使用MCU为基本型，功能弱。(5)在相位差测量方法上，将轨道电压和局部电压的正弦波先变换成方波，再判断相位，此种策略所用原件多且效果不好，抗干扰性差，当25HZ信号中有较大50HZ电压干扰时，波形畸变，会造成较大测量误差。(6)虽然使用两套相同电路，无仲裁机制，最终结果的产生机制不完善。(7)由于进行了正弦波-矩形波变换，无法测量输入电压的具体值，在判断电压是否正常方面有缺陷，因此对相位差、局部电压、轨道电压这三个要素只能进行相位差的判断。

发明内容

针对铁路系统中现有的信号检测及逻辑处理电路(装置)存在的上述缺陷，本发明提供一种微电子相敏接收器，结构简明，能够准确、可靠地触发继电器工作，并实现异常报警等功能。

本发明的基本解决方案如下：

一种微电子相敏接收器，包括两套互为备份的测量及信号处理电路和一套独立的信号处理及控制电路；

每一套测量及信号处理电路包括依次连接的输入电路、MCU和直流电源电路；其中输入电路采用两个电压互感器分别测得局部电压和轨道电压，这两路电压信号送入MCU进行相位计算、电压测量和逻辑判断，输出作为逻辑结果的电平信号，并产生设定的方波信号；所述方波信号作为控制信号接入直流电源电路，直流电源电路输出能够驱动继电器的直流电压信号；

两套测量及信号处理电路中的MCU分别记为MCU1和MCU2；

所述信号处理及控制电路包括MCU3、输出切换电路和报警电路，MCU3分别采集送入MCU1、MCU2的电压信号，进行独立的相位计算、电压测量和逻辑判断，相应得出两路电平信号；MCU3采集MCU1和MCU2输出的电平信号与自身得出的所述两路电平信号进行逻辑运算，通过所述输出切换电路控制两套测量及信号处理电路之一输出直流电压信号至待驱动的继电器；MCU3的报警控制信号输出端接报警电路。

基于上述解决方案，本发明还进一步作如下优化设计：

上述直流电源电路包括功率放大电路、隔离电路和整流滤波电路。

上述方波信号通过电容耦合到分别以三极管TR和场效应管VM为核心的两级开关放大电路，场效应管VM间歇导通，经变压器TF隔离输出并整流滤波；变压器TF的接线方式使得：在场效应管VM导通期，位于变压器TF次级的二极管反向截止，电能转化为磁场能储存在变压器TF线圈中；在场效应管VM的截止期，磁场能转化为电能，位于变压器TF次级的二极管导通，产生直流电压。

上述两套测量及信号处理电路可共用一组整流滤波电路。

MCU3还采集所述功率放大电路中放大后的电流信号，以监视所属的测量及信号处理电路输出级的工作电流。

输入电路中，对应于局部电压和轨道电压在电压互感器的初级串联不同阻值的电阻，以适应不同的输入电压；电压互感器的次级输出的交流电压与一个直流电压相叠加形成脉动直流电压，接入MCU中的A/D转换单元，所述直流电压由稳压管与限流电阻实现。

本发明结构简明，能够准确、安全可靠地触发继电器工作，并实现异常报警等功能。具体有下列优点：

1、输入电路体积小，有硬件冗余，阻抗高，功耗小，对相同信号源可带更多设备。

2、使用电源种类少，用DC-DC模块产生隔离的5V直流电压，电源转换效率高，功耗低。

3、使用元件数量和种类少，无小规模TTL和CMOS电路。不存在光电耦合器这种一致性差的元件。

4、原始正弦波信号直接进入MCU，使用傅里叶方法计算相位差和有效值，精度高，抗非25HZ干扰性能极强，可以对相位差、轨道电压有效值、局部电压有效值进行综合判断，结果更可靠。

5、有仲裁机制，使用仲裁MCU对两套独立电路进行监督和输出控制。

6、可以采用高性能MCU，除基本内核，可通过集成A/D、看门狗、复位、PWM等外围电路，使应用电路得到简化。

7、本发明可应用于25HZ和50HZ轨道电路中。

附图说明

图1为本发明的结构原理图。

图2为MCU之前的输入电路的示意图。

图3为MCU之后的功率放大以、隔离传输、整流滤波以及输出切换部分的电路示意图。

图4为LED电路示意图。

图5为报警控制部分的电路示意图。

具体实施方式

本实施例的相关技术参数：

(1)局部电压正常值>50V

(2)轨道电压正常值>15V

(3)相位差正常值80-110度

(4)输出电压：空载≥24V，带负荷(1700继电器)≥22V

(5)轨道电压测量电路输入阻抗5K

(6)局部电压输入阻抗25K

(7)工作电流<100毫安，(实测65毫安)

如图1所示，本发明中，以MCU1、MCU2为核心的两套测量电路结构相同，局部电压和轨道电压通过微型互感器接入MCU的A/D输入脚，MCU采集一个周期的两路电压波形，通过傅里叶变换算法计算两路信号的初相角和有效值，求出相位差，进行逻辑判断，当符合条件时，输出方波信号，经放大、隔离传输、整流滤波，待选择输出。MCU3采集计算所有四路电压，将结果与MCU1、MCU2的处理结果分别进行比较，判断是否正常，依据设定的策略，选择其中一路，经输出电压接线端子输出直流电压使1700继电器工作，必要时发出报警信号。

MCU3还负责监视输出级的工作电流(具体可以是图3中所示功率开关管的电流)，当发现工作电流不正常时，发出报警信号，同时切换输出到另一路。

本发明还进行了具体电路的优化设计。

如图2所示，输入电路的特点：

(a)使用4个性能相同的额定电流为毫安级的微型电压互感器，每一路中对应于局部电压和轨道电压在初级串联不同阻值的电阻，以适应不同的输入电压。

(b)次级的下端接固定值参考电压，该电压可以用稳压管、电压基准集成电路、LED等实现。次级上端相对地电位为直流脉动电压，可以接入A/D转换电路。

(c)4个互感器分成两组，一组用于输入轨道电压，一组用于输入局部电压，实现互感器硬件冗余。

如图3所示，安全的24V直流电源电路可以分为功率放大电路、隔离电路和整流滤波电路。工作电源为直流24V，控制信号为方波，隔离元件为高频变压器。无论功率管击穿或短路、前级发生恒为0或恒为1故障，都导致无24V输出，可保证工作的安全性。

双路直流电源电路的两路结构相同，以上半部为例，方波经电容耦合到由TR1和VM1为核心的两级开关放大电路，主开关管VM1间歇导通，在导通期，变压器TF5的接法使次级的二极管反向截止，电能转化为磁场能储存在线圈中。在VM1的截止期，磁场能转化为电能，次级的二极管导通，产生直流电压输出。由于C5、R15、R16的滤波作用，在R15上得到稳定的直流压降，该电压被MCU3测量，用于监视工作状态。

具体优化的电路结构有以下特点：

(a)两路结构相同的安全型电源电路。所谓安全是指：1)当电路本身正常，输入信号也符合产生24V直流条件，则24V直流有输出。2)电路本身正常，输入信号不符合产生24V直流条件，则24V无输出。3)电路本身不正常，则无论信号是否符合产生24V直流条件，24V直流无输出且有报警输出。

(b)仅当在pu1(pu2)输入特定频率和幅度的连续方波时，次级才能产生交流电压，经二极管半波整流可以得到直流工作电压。

(c)关键元件场效应管无论击穿或断路次级都不会产生电压。

(d)VL1(VL2)可以监视工作状态是否正常。

(e)电阻R16和R30的额定功率按场效应管击穿条件下可连续加电选择。

输出切换电路的特点：

图3中OUT_SEL由MCU3送出，即表1中的SEL，当其为0时，三极管TR3截止，继电器RLY1线圈(引脚1-16)无电流，常闭触点(4-6、11-13)处于闭合状态，此时由A路变压器(图中上方的变压器)次级产生的电压经DS整流、R27、C9滤波，供给负载JO(目标继电器)。稳压管ZN1防止负载开路时电压过高。肖特基二极管D7为感性负载JO的续流二极管。若OUT_SEL为1，负载电压由B路变压器(图中下方的变压器)提供。

以下对表1进行解释。

MCU3控制输出切换电路按照表1所示的输出决策策略，选择输出一路直流电压信号。

设MCU1和MCU2各自的判断结论为A(图1中A1，输出到MCU3)和B(图1中A2，输出到MCU3)，MCU3对接入MCU1和MCU2的轨道电压和局部电压独立进行判断，得出的结论分别是C1和C2(C1和C2是MCU3的内部状态)。

如果这四个结论一致为0(表1第1行)，SEL为0，表明选A路输出；ALM为1，LED为1，表明不报警；方波A＝0，表明无24V直流输出，此状态对应轨道空闲。

如果这四个结论一致为1(表1第15行)，SEL为0，表明选A路输出；ALM为1，LED为1，表明不报警；方波A＝1，表明有24V直流输出，此状态对应轨道占用。此时虽不报警，但监视输出级工作状态，若发现输出级的工作电流异常，则切换为B路输出，同时报警。

在四个结论并非完全一致时：

如果A与C1一致为1，方波A＝1(即图中pu1是连续方波)，SEL为0，表明选A路工作，有24V直流输出至待驱动的1700继电器，报警。

如果B与C2一致为1，方波B＝1(即图中pu2是连续方波)，SEL为1，表明选B路工作，有24V直流输出至待驱动的1700继电器，报警。

其他情况方波A、方波B均无，故无24V直流输出，报警。

表1

关于图4和图5：

(a)图1所示MCU3的LED为1时，报警二极管ERR1不亮，LED为0则ERR1亮，如图4。

(b)如图5所示，电路无故障时(对应于序号0和序号15)，ALM信号为1，开关管TR4导通，触点4-8、9-13闭合，触点4-6、11-13断开，不报警。电路有故障时，ALM信号为0，开关管TR4关断，触点4-8、9-13断开，触点4-6、11-13闭合，报警。若24V供电消失，电路也处于报警状态。

Claims (6)

1.一种微电子相敏接收器，其特征在于：

包括两套互为备份的测量及信号处理电路和一套独立的信号处理及控制电路；

每一套测量及信号处理电路包括依次连接的输入电路、MCU和直流电源电路；其中输入电路采用两个电压互感器分别测得局部电压和轨道电压，这两路电压信号送入MCU进行相位计算、电压测量和逻辑判断，输出作为逻辑结果的电平信号，并产生设定的方波信号；所述方波信号作为控制信号接入直流电源电路，直流电源电路输出能够驱动继电器的直流电压信号；

两套测量及信号处理电路中的MCU分别记为MCU1和MCU2；

所述信号处理及控制电路包括MCU3、输出切换电路和报警电路，MCU3分别采集送入MCU1、MCU2的电压信号，进行独立的相位计算、电压测量和逻辑判断，相应得出两路电平信号；MCU3采集MCU1和MCU2输出的电平信号与自身得出的所述两路电平信号进行逻辑运算，通过所述输出切换电路控制两套测量及信号处理电路之一输出直流电压信号至待驱动的继电器；MCU3的报警控制信号输出端接报警电路。

2.根据权利要求1所述的微电子相敏接收器，其特征在于：所述直流电源电路包括功率放大电路、隔离电路和整流滤波电路。

3.根据权利要求2所述的微电子相敏接收器，其特征在于：在直流电源电路中，所述方波信号通过电容耦合到分别以三极管TR和场效应管VM为核心的两级开关放大电路，场效应管VM间歇导通，经变压器TF隔离输出并整流滤波；变压器TF的接线方式使得：在场效应管VM导通期，位于变压器TF次级的二极管反向截止，电能转化为磁场能储存在变压器TF线圈中；在场效应管VM的截止期，磁场能转化为电能，位于变压器TF次级的二极管导通，产生直流电压。

4.根据权利要求2所述的微电子相敏接收器，其特征在于：两套测量及信号处理电路共用一组整流滤波电路。

5.根据权利要求2所述的微电子相敏接收器，其特征在于：MCU3还采集所述功率放大电路中放大后的电流信号，以监视所属的测量及信号处理电路输出级的工作电流。

6.根据权利要求1至5任一所述的微电子相敏接收器，其特征在于：输入电路中，对应于局部电压和轨道电压在电压互感器的初级串联不同阻值的电阻，以适应不同的输入电压；电压互感器的次级输出的交流电压与一个直流电压相叠加形成脉动直流电压，接入MCU中的A/D转换单元，所述直流电压由稳压管与限流电阻实现。