ГЕНЕРАТОР СИГНАЛОВ РЕЛЬСОВЫХ ЦЕПЕЙ Российский патент 2005 года по МПК B61L23/16 

Изобретение относится к железнодорожной автоматике и может быть использовано для контроля состояния рельсовых цепей в устройствах систем автоматической блокировки и электрической сигнализации, имеющих электронный интерфейс.

Известен генератор сигналов рельсовой цепи, содержащий подключенный через фильтр к рельсовой цепи задающий генератор с управляющей системой деления частоты, согласующий элемент, делитель частоты для формирования амплитудно-модулированных сигналов, предварительный усилитель, согласующий фильтр и усилитель мощности (см., например, Сороко В.И., Розенберг Е.Н. Аппаратура железнодорожной автоматики и телемеханики, НПФ "Планета", 3-е издание, Москва, с.133-141).

К недостаткам данного устройства можно отнести возможность формирования амплитудно-модулированного сигнала только на строго фиксированной частоте, а также существенное влияние на безопасность движения изменение рабочих параметров и характеристик элементов генератора.

Наиболее близким из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа генератор сигналов рельсовых цепей, содержащий два идентично сопряженных модуля преобразования и обработки сигналов, один из которых предназначен для цифрового синтеза аналоговых сигналов рельсовой цепи и подачи их на вход модуля усилителя, выход которого подключен к рельсовой цепи и элементам согласования обоих модулей для обратного преобразования их в цифровую форму, при этом элементы согласования обоих модулей подключены к соответствующему вычислительному ядру модуля преобразования и обработки сигналов через схему внешних сопряжений, модуль ввода параметров кодов или модуль внешних интерфейсов электрической централизации или автоблокировки, через схему внешних сопряжений подключены к вычислительному ядру каждого модуля для сравнения сигналов выхода усилителя и сигналов выбранных параметров кодов с возможностью подачи в динамическом режиме результатов сравнения на модуль обеспечения безопасности, выход которого для обеспечения возможности управления функционированием модуля усилителя подключен к источнику питания усилителя и модулю усилителя (см., например, Блок контроля рельсовых цепей БКРЦ, Руководство по эксплуатации 41571-300-00 РЭ, Руководящие материалы МПС РФ, Москва, 2003).

Однако такое устройство не отвечает требуемым условиям безопасности движения вследствие возможной его самогенерации, при этом возможно ложное срабатывание.

Сущность заявляемого изобретения выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения обеспечиваемого предлагаемым изобретением технического результата, который выражается в повышении условий безопасности движения и эффективности устройства за счет расширения его функциональных возможностей.

Указанный технический результат достигается тем, что в генераторе сигналов рельсовых цепей, содержащем два идентично сопряженных модуля преобразования и обработки сигналов, один из которых предназначен для цифрового синтеза аналоговых сигналов рельсовой цепи и подачи их на вход модуля усилителя, выход которого подключен к рельсовой цепи и элементам согласования обоих модулей для обратного преобразования их в цифровую форму, при этом элементы согласования обоих модулей подключены к соответствующему вычислительному ядру модуля преобразования и обработки сигналов, через схему внешних сопряжений, модуль ввода параметров кодов или модуль внешних интерфейсов электрической централизации или автоблокировки, через схему внешних сопряжений подключены к вычислительному ядру каждого модуля для сравнения сигналов выхода усилителя и сигналов выбранных параметров кодов с возможностью подачи в динамическом режиме результатов сравнения на модуль обеспечения безопасности, выход которого для обеспечения возможности управления функционированием модуля усилителя подключен к источнику питания усилителя и модулю усилителя, выход усилителя подключен через элементы согласования к вычислительному ядру каждого модуля с возможностью осуществления сравнения сформированных сигналов с заданными значениями по их форме, частотному спектру и мощности, и формирования, в зависимости от результатов сравнения, сигналов управления источником питания усилителя и модулем усилителя.

Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию "новизна", так как оно не известно из уровня техники.

Предложенное устройство является промышленно применимым существующими техническими средствами и соответствует критерию "изобретательский уровень", т.к. оно явным образом не следует из уровня техники, при этом из последнего не выявлено каких-либо преобразований, характеризуемых отличительными от прототипа существенными признаками, на достижение указанного технического результата.

Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности изобретения.

Других известных технических решений аналогичного назначения с подобными существенными признаками заявителем не обнаружено.

На чертеже представлена функциональная блок-схема предложенного устройства.

Генератор сигналов рельсовых цепей содержит два идентично сопряженных модуля 1 преобразования и обработки сигналов, один из которых предназначен для цифрового синтеза аналоговых сигналов рельсовой цепи и подачи их на вход модуля усилителя 2, выход которого подключен к рельсовой цепи и элементам согласования 3 обоих модулей для обратного преобразования их в цифровую форму, при этом элементы согласования обоих модулей подключены к соответствующему вычислительному ядру 4 модуля преобразования и обработки сигналов, через схему внешних сопряжений 5, модуль ввода параметров кодов 6 или модуль внешних интерфейсов 7 электрической централизации или автоблокировки, через схему внешних сопряжений подключены к вычислительному ядру каждого модуля для сравнения сигналов выхода усилителя и сигналов выбранных параметров кодов с возможностью подачи в динамическом режиме результатов сравнения на модуль обеспечения безопасности 8, выход которого для обеспечения возможности управления функционированием модуля усилителя подключен к источнику питания усилителя 9 и модулю усилителя 2.

Выход усилителя подключен через элементы согласования к вычислительному ядру 4 каждого модуля с возможностью осуществления сравнения сформированных сигналов с заданными значениями по их форме, частотному спектру и мощности и формирования, в зависимости от результатов сравнения, сигналов управления источником питания усилителя и модулем усилителя.

Работа предложенного устройства осуществляется следующим образом.

Генератор служит для формирования сигналов кодирования тональных рельсовых цепей (ТРЦ), а также локомотивной сигнализации - АЛСН и АЛСЕН. Выходной сигнал генератора представляет собой арифметическую сумму указанных сигналов.

Характеристики формируемых сигналов определяются на основании:

- параметров, запрограммированных в энергонезависимой памяти в ходе конфигурации ГТРЦ;

- параметров, записанных в энергонезависимой памяти в ходе настройки уровней выходных сигналов;

- состояния входных дискретных сигналов.

Генератор построен на основе 2-х или 3-х однотипных модулей обработки сигнала (МОС). Один из модулей осуществляет функции синтеза выходного сигнала, а два других - функции анализа выходного сигнала и соответствия его (выходного сигнала) характеристик заданным. Функциональное различие модулей обеспечивается позиционным адресом модуля в блоке. Для упрощения обслуживания рельсовых цепей ГТРЦ каждый МОС содержит органы индикации, представляющие собой светодиодные цифробуквенные дисплеи, на которые в штатном режиме выводится информация о текущей конфигурации генератора и измеренных в модулях анализа уровнях синтезируемого сигнала.

Входные дискретные сигналы управляют характеристиками выходных сигналов АЛСН (1 модуль) и АЛСЕН (2 модуля). Ввод состояния дискретных сигналов осуществляется с помощью отдельных модулей, обеспечивающих гальваническую изоляцию от внутренних цепей ГТРЦ, параллельно-последовательное преобразование информации о состоянии контактов для передачи ее в модули обработки сигналов. С целью исключения ситуации, при которой неисправность схем ввода и гальванической изоляции может приводить к ложному определению замкнутого состояния контакта, предусматривается периодическое кратковременное размыкание входных цепей всех контактов данного модуля. При этом модули обработки сигнала уведомляются о размыкании контактов и, следовательно, на основании считанной в данный момент информации о состоянии контактов в модулях обработки сигналов может быть принято решение об исправности или неисправности схем ввода и гальванической изоляции.

Генерация выходного сигнала осуществляется по принципу прямого цифрового синтеза использованием 32-х разрядного аккумулятора фазы и просмотровой таблицы синуса с 14-ти разрядной адресной шиной и 16-ти разрядной шиной данных. Частота дискретизации цифрового сигнала составляет величину 25 кГц. Синтез сигналов кодирования ТРЦ, АЛСН и АЛСЕН проводится отдельно друг от друга с выделением отдельного аккумулятора фазы на каждый сигнал, что дает возможность использовать независимую регулировку уровней сигналов. Для каждого сигнала на основании старших 14-ти разрядов аккумулятора фазы из просмотровой таблицы выбирается текущее значение сигнала. Затем это значение умножается на множитель уровня сигнала и после этого поступает на сумматор значений всех трех синтезируемых сигналов. В одном из встроенных таймеров цифрового процессора обработки сигналов (ЦПОС) результирующее значение с выхода сумматора преобразуется в сигнал с широтно-импульсной модуляцией. Данный сигнал является выходным для модуля синтеза и поступает на вход модуля усилителя. Усилитель мощности представляет собой усилитель класса D, выполненный по мостовой схеме, охваченный обратной связью по напряжению. Обратная связь по напряжению дает возможность добиться низкого выходного сопротивления генератора (не более 0,3 Ом в рабочей полосе частот), что, в свою очередь, уменьшает влияние помех на выходе генератора. Питание силовых каскадов усилителя осуществляется от отдельного источника питания, что дает возможность снимать напряжение с выходных каскадов ГТРЦ без нарушения работы схем управления. Сигнал с выхода усилителя подается на выходной разъем и на схему формирования сигнала обратной связи для модулей анализа.

В модулях анализа сигнал поступает на входной трансформатор, осуществляющий гальваническую изоляцию выходного сигнала от остальных цепей модуля. После трансформатора сигнал подвергается предварительной аналоговой обработке в каждом из каналов. Целью аналоговой обработки является масштабирование сигнала и подавление сигнала в “зеркальном” канале для дальнейшей цифровой обработки. После аналоговой обработки сигнал оцифровывается и проходит основную обработку в цифровой области, реализуемую на цифровых процессорах обработки сигнала (ЦПОС).

Цифровая обработка включает в себя:

- предварительную НЧ и ВЧ фильтрацию во избежание влияния высокочастотных составляющих, а также напряжения смещения нуля на результаты вычислений;

- вычисление характеристик каждого из выходных синтезируемых сигналов с необходимыми элементами цифровой обработки и сравнение вычисленных характеристик с заданными;

- определение наличия баланса мощности общего выходного сигнала и суммы мощностей отдельных составляющих выходного сигнала. Дисбаланс мощностей более чем на 5% дает основание предположить о наличии в рабочей полосе несанкционированных составляющих.

В связи с тем, что обработка (синтез и анализ) производится в 2-х или 3-х независимых каналах, необходимо осуществлять проверку идентичности вычислений и параметров сравнения. С этой целью организован канал межмодульного (межпроцессорного) обмена, непрерывно функционирующий во время штатной работы ГТРЦ.

Для реализации безопасной работы ГТРЦ питание схем драйверов управления силовыми транзисторами усилителя мощности и источника питания усилителя мощности осуществляется от особого источника напряжения. Формирование данного напряжения, называемого в дальнейшем напряжением безопасности, производится на основе 2-х или 3-х схем, известных как инверторы полярности, включенных каскадно и управляемых от своего канала обработки (синтеза или анализа). Каждый из инверторов полярности формирует выходное напряжение противоположной входному полярности, кроме того, правильность работы каждого инвертора полярности проверяется двумя каналами обработки, а именно теми, которые не управляют данным инвертором полярности. Таким образом, потенциально каждый канал обработки может прекратить формирование напряжения безопасности при обнаружении ошибок в своей работе или работе смежных каналов обработки. В этом случае формирование выходного сигнала прекращается. Индикация наличия напряжения безопасности и, следовательно, определяемой исправности функционирования осуществляется с помощью светодиода “ИСПР”. Для информационных целей в схемах ЭЦ может использоваться сигнал исправности, поступающий на разъем “ИСПР”. Этот сигнал представляет собой гальванически изолированный контакт релейного типа, низкое выходное сопротивление (“контакт” замкнут) соответствует наличию напряжения безопасности, высокое выходное сопротивление (“контакт” разомкнут) - отсутствию напряжения безопасности.

При обнаружении ошибок в функционировании ГТРЦ переходит в режим защитного отказа с минимальным набором исполняемых функций. В этом режиме НЕ формируется напряжение безопасности, НЕ синтезируется выходной сигнал, НЕ производится анализ выходного сигнала ни одним из модулей анализа. В режиме защитного отказа на индикаторах МОС высвечивается номер ошибки, обнаруженной в каждом конкретном МОС, и дополнительные сведения, позволяющие локализовать причину ошибки. Выход из режима защитного отказа возможен только при подаче сигнала сброса на каналы обработки. Чтобы обеспечить автоматический выход из защитного отказа, ГТРЦ содержит специальный изолированный процессор синхронизации, который формирует сигнал сброса при условии отсутствия напряжения безопасности в течение времени, превышающего 15 с. Также указанный процессор формирует ряд других сигналов синхронизации.

Для обеспечения оперативной регулировки уровня выходных сигналов в ГТРЦ предусмотрен режим настройки, переход в который осуществляется переключением тумблера из положения “РАБОТА” в положение “УСТАН.”. В этом случае ГТРЦ перестает формировать выходной сигнал и на индикаторах всех МОС отображается текущая информация об уровне одного из синтезируемых сигналов в вольтах. Изменение уровня текущего выходного сигнала осуществляется последовательным нажатием кнопок “УВЕЛИЧ.” или “УМЕНЬШ.”, переход к регулировке другого выходного сигнала - нажатием кнопки “ВЫБОР”. После перевода тумблера в положение “РАБОТА” установленные значения уровней сохраняются в энергонезависимой памяти и ГТРЦ начинает синтез сигнала со вновь установленными уровнями. Режим настройки обеспечивает полную функциональность генератора в смысле обеспечения безопасности - модули анализа вычисляют характеристики выходных сигналов и определяют безопасную работу в случае, если характеристики не превышают допустимые пределы. Тем не менее, во избежание неоправданно долгого нахождения ГТРЦ в режиме настройки, длительность нахождения в данном режиме ограничена 5-ю минутами, после чего ГТРЦ переходит в режим защитного отказа.

В связи с тем, что ГТРЦ имеет одно исполнение и является универсальным в части обслуживания различных частотных диапазонов ТРЦЗ, устанавливается специальный режим, называемый режимом конфигурации. В указанном режиме могут быть изменены параметры настройки ГТРЦ под конкретные данные - несущая частота и частота модуляции сигнала кодирования ТРЦ, несущая частота сигнала АЛСН, тип кодового путевого трансмиттера (КПТ), сигнал которого эмулируется при движении в правильном или неправильном направлении.

Для этого генератор через разъем “КОНФИГ” подключается к внешнему управляющему устройству, которое может поддерживать установленный протокол обмена данными. В настоящем РЭ под внешним управляющим устройством понимается ПЭВМ с установленной на нее программой из прилагаемого CD-диска. Режим конфигурации также является режимом ограниченной функциональности, в этом режиме НЕ формируется напряжение безопасности и НЕ проводится анализ и обработка входного сигнала. В режиме конфигурации НЕ предусмотрено автоматического выхода, в отличие от режима защитного отказа, в связи с этим категорически запрещается использовать режим конфигурации в ГТРЦ, подключенном к рельсовой цепи. В режиме внешнего управления на индикаторах МОС показывается само наличие режима внешнего управления, а также количество переданных и принятых информационных кадров.

Подключение ГТРЦ к сети электропитания осуществляется через разъем “220 В, 50 Гц”, включение электропитания осуществляется тумблером “СЕТЬ”. Для защиты ПТРЦ от перегрузок по току предназначены предохранители “2А”. Индикация работы системы электропитания ПТРЦ осуществляется светодиодами “СЕТЬ”, “РАБОТА” и “15 В”.

Применение предложенного устройства обеспечивает его универсальность за счет возможности синтеза и контроля сигналов рельсовой цепи любой частоты сложности, а также возможность одновременного формирования нескольких частотных каналов.

Изобретение относится к железнодорожной автоматике и может быть использовано для контроля состояния рельсовых цепей в устройствах систем автоматической блокировки и электрической сигнализации, имеющих электронный интерфейс. Сущность изобретения заключается в том, что выход усилителя подключен через элементы согласования к вычислительному ядру каждого модуля преобразования и обработки сигналов с возможностью осуществления сравнения сформированных сигналов с заданными по их форме, частотному спектру и мощности, а также формирования модулем обеспечения безопасности в зависимости от результатов сравнения сигналов управления усилителем мощности и его источником питания. Генератор характеризуется расширенными функциональными возможностями, его применение повышает безопасность движения. 1 ил.

Генератор сигналов рельсовых цепей, содержащий два идентичных сопряженных модуля преобразования и обработки сигналов, один из которых предназначен для цифрового синтеза аналоговых сигналов рельсовой цепи и подачи их на вход модуля усилителя мощности, выход которого подключен к рельсовой цепи и элементам согласования обоих модулей для обратного преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму, при этом в каждом модуле преобразования и обработки сигналов элемент согласования подключен к вычислительному ядру, модуль ввода параметров кодов и модуль внешних интерфейсов электрической централизации или автоблокировки, подключенные через схему внешних сопряжений к вычислительному ядру каждого модуля преобразования и обработки сигналов для сравнения сигналов с выхода усилителя мощности и сигналов выбранных параметров кодов и подачи в динамическом режиме результатов сравнения на модуль обеспечения безопасности, выход которого подключен к управляющим входам модуля усилителя мощности и его источника питания, отличающийся тем, что выход усилителя мощности через соответствующий элемент согласования подключен к вычислительному ядру каждого модуля преобразования и обработки сигналов с возможностью осуществления сравнения сформированных сигналов с заданными по их форме, частотному спектру и мощности, а также формирования модулем обеспечения безопасности в зависимости от результатов сравнения сигналов управления усилителем мощности и его источником питания.