隨著列車車速的不斷提高，對列車軌道的要求也越來越高。原有的有絕緣軌道電路已無法滿足鐵路運輸事業(yè)發(fā)展的需要，因而世界各先進工業(yè)國家開始研制無絕緣軌道電路^[1]。其中，以法國CSEE公司研制成功的UM71無絕緣軌道電路應(yīng)用最為廣泛。該系統(tǒng)于20世紀80年代末引入我國, 這種無絕緣軌道電路利用諧振原理，把低頻調(diào)制的FSK信號(4種載頻，18種低頻)通過鋼軌進行傳輸。由于平行的鋼軌具有等效感抗特性，嚴重影響信號傳輸?shù)木嚯x，為了使輸出信號不失真，在每一閉塞分區(qū)，每隔100米便安裝1個33μF的諧振電容，與鋼軌的等效電感組成串聯(lián)諧振電路來提高信號傳輸距離。為確保該系統(tǒng)工作正常，鐵路工作人員必須經(jīng)常沿鐵軌檢查軌道電路的運行參數(shù)。其中重要的一項便是對并接補償電容容值的測量，而目前通用的電橋法電容測量設(shè)備無法進行在線測量。對軌道上運行的列車，補償電容離線測量存在巨大的安全隱患[2]。專用的UM71無絕緣軌道電路補償電容在線測量設(shè)備雖可進行在線測量，但由于采用被動測量方式，對鉗型電流傳感器的分辨能力要求很高，提高了設(shè)備復(fù)雜度，大大增加了設(shè)備的成本，并且設(shè)備體積較大，不便于攜帶。鑒于此，本文設(shè)計了一種便攜式在線測試儀。
1 工作原理
    通過向待測電容兩端施加高于軌道電路本身所傳信號頻率的激勵信號，同時采集電容兩端的響應(yīng)信號，并將該信號經(jīng)帶通濾波器濾除噪聲后送至單片機MSP430（內(nèi)部含有A/D轉(zhuǎn)換器和采樣保持模塊）內(nèi)進行A/D轉(zhuǎn)換。由于補償電容的容值同轉(zhuǎn)換后的數(shù)值之間存在著一定的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)這個關(guān)系，把經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值同預(yù)先標定好的數(shù)值進行比較就可以得出其容值。該測量方法已通過實驗證實了合理性。同時，本測試儀還具有對載頻和調(diào)頻頻率進行測量的功能。由于待測信號為較高頻率的載頻信號和低頻調(diào)制信號調(diào)制成的混合信號，將此信號經(jīng)過零比較器比較后送至單片機內(nèi)的定時器計數(shù)得到載頻頻率，同時將該信號通過低通濾波器濾除較高的載頻信號，經(jīng)過零比較器后送至單片機得到調(diào)制信號頻率。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    該測試儀采用的是主動測量方法，整個系統(tǒng)主要由信號發(fā)生模塊、驅(qū)動電路模塊、信號采集模塊、單片機和顯示模塊組成。

2．1信號發(fā)生及驅(qū)動模塊設(shè)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(dǎo)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(gòu)，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(shè)計
    本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用高效的C語言編程，根據(jù)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，系統(tǒng)軟件設(shè)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。

4 試驗結(jié)果分析
     隨著待測電容容值的增大，響應(yīng)信號電壓的峰-峰值逐漸減小。根據(jù)這一對應(yīng)關(guān)系就可以得到電容的容值。假設(shè)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(yīng)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(dǎo)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。