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(qū)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(nèi)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(jié)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(jīng)達林頓管提高其驅(qū)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(jīng)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(jīng)過放大器時干擾信號同樣被放大，這將嚴重影響測量結(jié)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(jīng)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(jīng)低通濾波濾除高頻信號后，得到的就是低頻調(diào)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(chǎn)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(chǎn)品，運行環(huán)境溫度為-40～+85℃，采用RISC結(jié)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(jié)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(jié)果是比較精確的。鐵路工作人員可以根據(jù)測量結(jié)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(diào)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。