阅读说明：本技术 一种用于25hz相敏轨道电路信号检测的方法及系统 (Method and system for detecting 25hz phase-sensitive track circuit signal ) 是由 魏臻 代林飞 胡敏 黄鹏 胡庆新 徐自军 徐伟 李帅 杨伟 周东华 陈永峰 李 于 2020-06-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于25hz相敏轨道电路信号检测的方法及系统,属于轨道电路微电子接收器技术领域,利用基于ARM架构的32位单片机进行轨道电路信号检测,包括获取电子接收器采样通道每周期采集的轨道电压信号采样值和局部信号采样值；分别对每周期轨道电压信号采样值和局部信号采样值进行有效性判断,得到每周期轨道电压信号的有效值和局部信号过零点的时间；根据每周期轨道电压信号的有效值和局部信号过零点的时间,计算对应的轨道电源信号与局部电源信号之间的相位差。本发明可快速甄别轨道输入信号阶跃响应后的有效真实数据,并且确保可以滤除无效的轨道波动信号、快速检测到有效的轨道电压信号。(The invention discloses a method and a system for detecting 25hz phase-sensitive track circuit signals, which belong to the technical field of track circuit microelectronic receivers, and are used for detecting track circuit signals by utilizing a 32-bit single chip microcomputer based on an ARM (advanced RISC machine) framework, wherein the method comprises the steps of obtaining track voltage signal sampling values and local signal sampling values acquired by a sampling channel of an electronic receiver every period; respectively carrying out validity judgment on the track voltage signal sampling value and the local signal sampling value of each period to obtain the valid value of the track voltage signal of each period and the zero crossing time of the local signal; and calculating the phase difference between the corresponding track power supply signal and the local power supply signal according to the effective value of the track voltage signal in each period and the zero crossing time of the local signal. The method can quickly discriminate the effective and real data after the step response of the track input signal, and ensure that the invalid track fluctuation signal can be filtered and the effective track voltage signal can be quickly detected.)

一种用于25hz相敏轨道电路信号检测的方法及系统

技术领域

本发明涉及轨道电路微电子接收器技术领域，特别涉及一种用于25hz相敏轨道电路信号检测的方法及系统。

背景技术

数字化、信息化是铁路信号控制系统发展的一个重要方向。数字信号处理技术随着计算机和信息科学的发展应运而生，并得到迅速发展。近年来，数字信号处理已经在通信、自动化等领域得到了极为广泛的应用。随着电子技术的发展，25Hz相敏轨道电路信号检测也逐步采用电子化代替以前二元二位继电器电路，彻底解决了以前的继电器接点卡阻、抗电气化干扰能力差、返还系数低等问题，与原继电器的接收阻抗、接收灵敏度相同，提高了安全性和可靠性。

目前国内用于检测25hz相敏轨道电路信号的，除了采用机械式的二元二位继电器，还有基于51单片机、DSP数据处理器开发的检测装置。二元二位继电器存在接点卡阻、抗电气化干扰能力弱，返还系数低等问题；而51单片机的数据处理能力低，处理方式只能采用查表方式，处理数据简单，误差范围大。且上述信号检测电路均存在工作参数硬置化通病，无法在工程现场进行灵活调整，现场适应能力弱等问题。

而且由于轨道电压信号易受工频信号、电码化信号等信号干扰影响，以及电子接收器采样通道的惯性，导致轨道信号在发生占用-空闲转换时，采样通道阶跃响应的过渡过程较长，存在无效的轨道波动信号，导致轨道信号电压检测不准确。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，以提高25Hz相敏轨道电路的信号检测准确性。

为实现以上目的，本发明采用一种用于25hz相敏轨道电路信号检测的方法，其利用基于ARM架构的32位单片机进行轨道电路信号检测，包括如下步骤：

获取电子接收器采样通道每周期采集的轨道电压信号采样值和局部信号采样值；

分别对每周期轨道电压信号采样值和局部信号采样值进行有效性判断，得到每周期轨道电压信号的有效值和局部信号过零点的时间值；

根据每周期轨道电压信号的有效值和局部信号过零点的时间值，计算对应的轨道电源信号与局部电源信号之间的相位差。

进一步地，所述分别对每周期轨道电压信号采样值和局部信号采样值进行有效性判断，得到每周期轨道电压信号的有效值和局部信号过零点的时间值，包括：

根据同一周期所采集的轨道电压信号采样值计算得到该周期的轨道电压信号采样平均值，以及根据同一周期所采集的局部信号采样值计算得到该周期的局部信号采样平均值；

将相邻周期的轨道电压信号采样平均值进行比较计算得到第一误差，以及将相邻周期的局部信号采样平均值进行比较计算得到第二误差；

在第一误差在设定的第一误差范围内时，将当前周期采集的轨道电压信号采样值作为轨道电压信号的有效值；

在第二误差在设定的第二误差范围内时，将当前周期采集的局部信号采样值作为局部信号过零点的时间值。

进一步地，所述根据每周期轨道电压信号的有效值和局部信号过零点的时间值，计算对应的轨道电源信号与局部电源信号之间的相位差，包括：

根据轨道电压信号与局部信号的相位差的计算公式，计算对应的轨道电源信号与局部电源信号之间的相位差α：

α＝Ttl-Ttld

其中，Ttl表示与输入相位差成线性关系的过零点时间检测值，Ttld＝Ttd+Tld表示所述电子接收器采样通道惯性特征值，Ttd表示因采样通道惯性对所述轨道电压信号的相位造成的延时值，Tld表示因采样通道惯性对所述局部信号的相位造成的延时值。

进一步地，在所述获取电子接收器采样通道每周期采集的轨道电压信号采样值和局部信号采样值之前，还包括：

采用分段折线法对所述电子接收器的采样通道的惯性特征值进行标定。

进一步地，所述采用分段折线法对所述电子接收器的采样通道的惯性特征值进行标定，包括：

设定需要标定的温度等级和电压等级，并在同一温度等级下和同一电压等级下分别采样折线段端点的标定信息，其中：同一温度等级下的标定信息包括轨道电压信号电压输入有效值和过零点时间检测值，同一电压等级下采样折线段端点的标定信息包括轨道电压信号电源输入有效值和过零点时间检测值；

根据同一温度等级下和同一电压等级下分别采样折线段端点的标定信息，构建采样通道惯性特征值与对应的电压采样值之间的幅-相补特性曲线。

另一方面，采用一种用于25hz相敏轨道电路信号检测的系统，包括采样模块、有效值计算模块和相位差计算模块，其中：

采样模块用于获取电子接收器采样通道每周期采集的轨道电压信号采样值和局部信号采样值；

有效值计算模块用于分别对每周期轨道电压信号采样值和局部信号采样值进行有效性判断，得到每周期轨道电压信号的有效值和局部信号过零点的时间值；

相位差计算模块用于根据每周期轨道电压信号的有效值和局部信号过零点的时间值，计算对应的轨道电源信号与局部电源信号之间的相位差。

进一步地，所述有效值计算模块包括平均值计算单元、误差计算单元、第一计算单元和第二计算单元：

平均值计算单元用于根据同一周期所采集的轨道电压信号采样值计算得到该周期的轨道电压信号采样平均值，以及根据同一周期所采集的局部信号采样值计算得到该周期的局部信号采样平均值；

误差计算单元用于将相邻周期的轨道电压信号采样平均值进行比较计算得到第一误差，以及将相邻周期的局部信号采样平均值进行比较计算得到第二误差；

第一计算单元用于在第一误差在设定的第一误差范围内时，将当前周期采集的轨道电压信号采样值作为轨道电压信号的有效值；

第二计算单元用于在第二误差在设定的第二误差范围内时，将当前周期采集的局部信号采样值作为局部信号过零点的时间值。

进一步地，所述相位差计算模块具体用于：

根据轨道电压信号与局部信号的相位差的计算公式，计算对应的轨道电源信号与局部电源信号之间的相位差α：

α＝Ttl-Ttld

其中，Ttl表示与输入相位差成线性关系的过零点时间检测值，Ttld＝Ttd+Tld表示所述电子接收器采样通道惯性特征值，Ttd表示因采样通道惯性对所述轨道电压信号的相位造成的延时值，Tld表示因采样通道惯性对所述局部信号的相位造成的延时值。

进一步地，还包括标定模块，标定模块用于：

采用分段折线法对所述电子接收器的采样通道的惯性特征值进行标定。

进一步地，所述标定模块包括标定信息构建单元和标定单元：

标定信息构建单元用于设定需要标定的温度等级和电压等级，并在同一温度等级下和同一电压等级下分别采样折线段端点的标定信息，其中：同一温度等级下的标定信息包括轨道电压信号电压输入有效值和过零点时间检测值，同一电压等级下采样折线段端点的标定信息包括轨道电压信号电源输入有效值和过零点时间检测值；

标定单元用于根据同一温度等级下和同一电压等级下分别采样折线段端点的标定信息，构建采样通道惯性特征值与对应的电压采样值之间的幅-相补特性曲线，进行采样通道惯性特征值标定。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：本发明采用高性能的基于ARM架构的32位单片机，可快速甄别轨道输入信号阶跃响应后的有效真实数据，满足信号采样准确度及应变时间要求，节约硬件成本。同时，对检测的轨道电压信号进行相邻周期的单周期电压有效值比较，超出设置的波动阈值，则视为输入的轨道电压信号波动异常、舍弃本次采样数据，直至相邻周期轨道电压信号电压有效值符合设置的波动阈值，则视为该次采样的轨道电压信号电压单周期有效值有效，以确保可以滤除无效的轨道波动信号、快速检测到有效的轨道电压信号电压。

附图说明

下面结合附图，对本发明的

具体实施方式

进行详细描述：

图1是一种用于25hz相敏轨道电路信号检测的方法的流程示意图；

图2是一种用于25hz相敏轨道电路信号检测的系统的原理示意图；

图3是不同温度数据标定示意图。

具体实施方式

为了更进一步说明本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围加以限制。

如图1所示，本实施例公开了一种用于25hz相敏轨道电路信号检测的方法，其利用基于ARM架构的32位单片机进行轨道电路信号检测，包括如下步骤S1至S3：

S1、获取电子接收器采样通道每周期采集的轨道电压信号采样值和局部信号采样值；

S2、分别对每周期轨道电压信号采样值和局部信号采样值进行有效性判断，得到每周期轨道电压信号的有效值和局部信号过零点的时间值；

S3、根据每周期轨道电压信号的有效值和局部信号的过零点时间值，计算对应的轨道电源信号与局部电源信号之间的相位差。

需要说明的是，鉴于轨道电压信号易受工频信号、电码化信号等信号干扰影响，且因电子接收器采样通道的惯性，导致轨道电压信号在发生占用-空闲转换时，采样通道阶跃响应的过渡过程较长。为了滤除无效的轨道波动信号、快速检测到有效的轨道电压信号电压，对检测的轨道电压信号进行相邻周期的单周期电压有效值比较，超出设置的波动阈值，则视为输入的轨道电压信号波动异常、舍弃本次采样数据。

进一步地，上述步骤S2：分别对每周期轨道电压信号采样值和局部信号采样值进行有效性判断，得到每周期轨道电压信号的有效值和局部信号过零点的时间值，具体包括如下细分步骤S21至S24：

S21、根据同一周期所采集的轨道电压信号采样值计算得到该周期的轨道电压信号采样平均值，以及根据同一周期所采集的局部信号采样值计算得到该周期的局部信号过零点时间值；

S22、将相邻周期的轨道电压信号采样平均值进行比较计算得到第一误差，以及将相邻周期的局部信号采样平均值进行比较计算得到第二误差；

S23、在第一误差在设定的第一误差范围内时，将当前周期采集的轨道电压信号采样值作为轨道电压信号的有效值；

S24、在第二误差在设定的第二误差范围内时，将当前周期采集的局部信号采样值作为局部信号过零点的时间值。

需要说明的是，本实施例中的第一误差范围和第二误差范围取值相同，均可取值为8％，误差范围的设定是在参考相关设备指标计算的基础上，再根据实际情况进行调整得到，比如：关于25Hz电源屏要求其输出稳定度≤3％，电压采样精度要求≤±5％，两者相加允许的最大相邻周期电压波动率≤±8％。

具体来说，上述步骤S3：根据每周期轨道电压信号的有效值和局部信号过零点的时间值，计算对应的轨道电源信号与局部电源信号之间的相位差，包括：

根据轨道电压信号与局部信号的相位差的计算公式，计算对应的轨道电源信号与局部电源信号之间的相位差α：

α＝Ttl-Ttld

其中，Ttl表示与输入相位差成线性关系的过零点时间检测值，Ttld＝Ttd+Tld表示所述电子接收器采样通道惯性特征值，Ttd表示因采样通道惯性对所述轨道电压信号的相位造成的延时值，Tld表示因采样通道惯性对所述局部信号的相位造成的延时值。

需要说明的是，针对大惯性采样设备，在计算相位差时，需要对惯性特征常数进行补偿，根据采用的轨道电压信号与局部信号相位差α检测原理，相位差检测值α由以下三个变量决定：与输入相位差成线性关系的过零点时间检测值Ttl、因采样通道惯性对轨道输入信号相位造成的延时值Ttd、因采样通道对局部输入信号相位造成的延时值Tld，有：

α＝Ttl-Ttd+Tld

由于过零点时间检测值Ttl为采样值，其精度仅受单片机计时分辨率影响，因此，相位差α检测精度主要考虑轨道输入信号相位延时值Ttd、局部输入信号相位延时值Tld的影响。为便于处理，将Ttd、Tld合计为电子接收器采样通道惯性特征值Ttld，即有：

Ttld＝Ttd-Tld

所以，可得到轨道电源信号与局部电源信号之间的相位差α＝Ttl-Ttld。

需要说明的是，由于在输入信号频率、波形一定时，电子接收器采样通道惯性特征值Ttld仅受信号电压、测试环境温度影响，因此需要对电子接收器采样通道惯性特征值Ttld进行不同电压等级、不同温度等级的标定，实际检测时由电压算法模块和相位偏移算法模块对25hz轨道局部信号相位差进行测算，以保证轨道电压信号与局部电源相位差检测的准确性，降低25Hz相敏轨道电路对电子元器件一致性要求，节约硬件使用成本，且计算过程灵活简单。

因此，在上述步骤S1：获取电子接收器采样通道每周期采集的轨道电压信号采样值和局部信号采样值之前，还包括：

采用分段折线法对所述电子接收器的采样通道的惯性特征值进行标定。

需要说明的是，对于任何一个输入/输出系统，要根据其输入的参数，得出相应的输出结果，就必须有一个确定的特性曲线函数，然后通过拟合的过程，确定参数。但该过程计算比较复杂，工作量大，本实施例采用分段折线法对采样通道惯性特征值进行标定，这里认为在一条输入/输出的特性曲线中，某一段近似于直线的，该段上的点坐标参数是具有线性关系的，所以，当该段直线的斜率确定时，可以根据输出的参数(信号采样值)，来确定输入的参数(信号源参数)。

要提高25hz相敏轨道电路信号检测的精度，标定时必须采用多点描述的方法，理论上来说，标定的点越多，数据的精度越高，但是点过多会增加工作量的，所以，可以通过测试相关参数点，作出对应的曲线图，从而确定合适的标定区间。

具体地，如图3所示，对所述电子接收器的采样通道的惯性特征值进行标定的过程如下：

选定需要标定的温度等级和电压等级，相邻温度等级之间的输出值，可以通过两相邻温度输出值与温度梯度的比构成一条直线，由该直线求该相邻温度间不同温度点上的输出值。在同一温度等级下，采样折线段端点的轨道电压信号电压输入有效值和过零点时间检测值，并上传给上位机软件处理，然后将数据下发存入到模块CPU的Flash中。

同样的方法，采样不同温度等级下的折线段端点的电源输入有效值和过零点时间检测值，并上传给上位机软件处理，然后将数据下发存入到模块CPU的Flash中。形成采样通道惯性特征值与对应电压采样值之间的幅-相补特性曲线(即指在同一温度下，不同的电压等级对应的AD采样平均值与其对应的相位差补偿值之间构成的曲线)和电子接收器内部温度传感器输入-输出特性曲线，完成模块采样通道惯性特征值的标定工作。其中，温度传感器输入-输出特性曲线是在不同的温度下，对各电压等级的数据进行采样记录，然后绘制出不同温度下的采样数据特性曲线，即温度传感器的输入-输出特性曲线，消除温度传感器自身误差(温度传感器标定)。

轨道信号与局部信号相位差α的计算过程则为：当外部输入轨道电压信号和局部信号时，首先温度传感器检测出温度，通过轨道电压信号电压值与模块电压采样值之间的幅-幅特性曲线(即指在同一温度下，不同的电压等级与其对应的AD采样平均值之间构成的曲线)和模块内部温度传感器输入-输出特性曲线，确定该温度落在哪两个温度等级之间，然后根据分段折线法计算出这两个温度等级下对应的输入信号的相位差值(轨道电压信号和局部信号之间的相位差值)，再根据分段折线法计算出该温度(传感器检测的温度)下的输入轨道电压信号与局部信号之间的相位差值，即轨道电源信号与局部电源信号之间的相位差实际值，分段折线法计算采用就近原则。

如图2所示，本实施例公开了一种用于25hz相敏轨道电路信号检测的系统，包括采样模块10、有效值计算模块20和相位差计算模块30，其中：

采样模块10用于获取电子接收器采样通道每周期采集的轨道电压信号采样值和局部信号采样值；

有效值计算模块20用于分别对每周期轨道电压信号采样值和局部信号采样值进行有效性判断，得到每周期轨道电压信号的有效值和局部信号过零点的时间值；

相位差计算模块30用于根据每周期轨道电压信号的有效值和局部信号过零点的时间值，计算对应的轨道电源信号与局部电源信号之间的相位差。

其中，所述有效值计算模块20包括平均值计算单元、误差计算单元、第一计算单元和第二计算单元：

平均值计算单元用于根据同一周期所采集的轨道电压信号采样值计算得到该周期的轨道电压信号采样平均值，以及根据同一周期所采集的局部信号采样值计算得到该周期的局部信号采样平均值；

误差计算单元用于将相邻周期的轨道电压信号采样平均值进行比较计算得到第一误差，以及将相邻周期的局部信号采样平均值进行比较计算得到第二误差；

第一计算单元用于在第一误差在设定的第一误差范围内时，将当前周期采集的轨道电压信号采样值作为轨道电压信号的有效值；

第二计算单元用于在第二误差在设定的第二误差范围内时，将当前周期采集的局部信号采样值作为局部信号过零点的时间值。

其中，所述相位差计算模块30具体用于：

根据轨道电压信号与局部信号的相位差的计算公式，计算对应的轨道电源信号与局部电源信号之间的相位差α：

α＝Ttl-Ttld

其中，Ttl表示与输入相位差成线性关系的过零点时间检测值，Ttld＝Ttd+Tld表示所述电子接收器采样通道惯性特征值，Ttd表示因采样通道惯性对所述轨道电压信号的相位造成的延时值，Tld表示因采样通道惯性对所述局部信号的相位造成的延时值。

其中，还包括标定模块40，标定模块40用于：

采用分段折线法对所述电子接收器的采样通道的惯性特征值进行标定。

其中，所述标定模块包括标定信息构建单元和标定单元：

标定信息构建单元用于设定需要标定的温度等级和电压等级，并在同一温度等级下和同一电压等级下分别采样折线段端点的标定信息，其中：同一温度等级下的标定信息包括轨道电压信号电压输入有效值和过零点时间检测值，同一电压等级下采样折线段端点的标定信息包括轨道电压信号电源输入有效值和过零点时间检测值；

标定单元用于根据同一温度等级下和同一电压等级下分别采样折线段端点的标定信息，构建采样通道惯性特征值与对应的电压采样值之间的幅-相补特性曲线，进行采样通道惯性特征值标定。

需要说明的是，本实施例通过对电子接收器采样通道惯性特征值Ttld进行不同电压等级、不同温度等级的标定，实际检测时由有效值计算模块20和相位差计算模块30对25hz轨道局部信号相位差进行测算，保证轨道电压信号与局部电源相位差检测的准确性，降低25Hz相敏轨道电路对电子元器件一致性要求，节约硬件使用成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。