基于MSP430的軌道電路在線測試儀設計與實現(xiàn)

2．1信號發(fā)生及驅動模塊設計
首要問題是激勵信號頻率的選定，該儀器選擇的激勵信號頻率不能太低，若太低，根據(jù)感抗公式：X_L=2πfL，將使得導軌感抗過小，這樣會形成補償電容的并聯(lián)效果，使測量失去意義。同時頻率也不能選擇太高，由于測量系統(tǒng)的內阻在測量中起分壓作用，頻率過高將使得輸出電壓過小，影響測量系統(tǒng)的分辨率。綜合以上兩點并結合試驗，選取的激勵信號頻率為10kHz。
本模塊設計思想是：對2MHz晶振的輸出進行200分頻后得到穩(wěn)定的10kHz的方波信號，并將該信號經達林頓管提高其驅動能力。
2．2信號采集模塊設計
通過測量探頭采集到的信號是比較微弱的，因此必須將該信號經放大器進行放大。由于鐵路的工作環(huán)境比較惡劣，采集到的信號不可避免地混入了干擾信號。在經過放大器時干擾信號同樣被放大，這將嚴重影響測量結果。為濾除該噪聲信號，本測試儀采用了MAXIM公司開發(fā)的8階連續(xù)時間有源濾波器MAX274進行濾波^[3]。
2．3 鑒頻模塊設計
采集到的信號經過零比較器后被送入MCU的TimerA進行計數(shù),從而得到較高頻率的載頻信號(1 700Hz、2 000Hz、2 300Hz和2 600Hz)的頻率。信號繼續(xù)經低通濾波濾除高頻信號后，得到的就是低頻調制信號的頻率。
2．4 主控芯片和顯示模塊設計
考慮到運行環(huán)境等因素，最終選擇TI公司生產的高性能、超低功耗16位的單片機MSP430F147^[4]為主控芯片。MSP430系列器件均為工業(yè)級產品，運行環(huán)境溫度為-40～+85℃，采用RISC結構，具有豐富的尋址方式和較高的處理速度。MSP430系列單片機的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。當系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時，用中斷請求將它喚醒只需6μs。顯示部分采用的是低功耗，美觀的LCD液晶顯示模塊。
3 系統(tǒng)軟件設計
本系統(tǒng)軟件設計采用高效的C語言編程，根據(jù)系統(tǒng)的硬件構成，系統(tǒng)軟件設計主要由系統(tǒng)初始化、電容容值測量、鑒頻及人機交互四個部分組成。
整個系統(tǒng)軟件的工作流程如圖2所示。

4 試驗結果分析
圖3所示為測得的容值同響應信號電壓峰-峰值之間的對應關系。從圖中可以看出：隨著待測電容容值的增大，響應信號電壓的峰-峰值逐漸減小。根據(jù)這一對應關系就可以得到電容的容值。假設以第一組數(shù)據(jù)為標定數(shù)據(jù)，由圖3可知，第二組數(shù)據(jù)最大誤差為35.3－34.1＝1.2μF。由于33μF補償電容的精度一般為10%。即實際值在29.7μF～36.3μF之間，由此可知，該測量結果是比較精確的。鐵路工作人員可以根據(jù)測量結果來確定電容是否需要更換。同時為減小測量誤差，可以進行多次測量，取平均值作為標定數(shù)據(jù)。

UM71補償電容測試儀是應實際需要而研制開發(fā)的,實現(xiàn)了移頻軌道電路參數(shù)的在線測量，便攜易用，降低了員工勞動強度，排除了由于補償電容離線測量導致的安全隱患。這種儀表具有直觀顯示電容容值以及傳輸信號的載頻和調頻頻率的功能。同時該測試儀具有抗電磁干擾能力強、體積小、重量輕、便攜性好等優(yōu)點。