機(jī)車車載漏電流數(shù)字傳感器研究與應(yīng)用*

唐亞平， 張敏三， 袁開鴻

(1.中南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖南 長沙 410083；2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001)

機(jī)車車載漏電流數(shù)字傳感器研究與應(yīng)用*

唐亞平1,2， 張敏三2， 袁開鴻2

(1.中南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖南 長沙 410083；2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001)

介紹一種機(jī)車車載漏電流數(shù)字傳感器的研究與應(yīng)用，在模擬漏電流傳感器的基礎(chǔ)上，經(jīng)數(shù)字化改進(jìn)而實(shí)現(xiàn)。硬件設(shè)計(jì)采用ARM平臺，在分析系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，完成了硬件系統(tǒng)和軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)，完成了單線和雙線的模擬實(shí)驗(yàn)。經(jīng)模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證檢測準(zhǔn)確、反應(yīng)快速，通信采用CAN總線安全可靠。在實(shí)際測量中，驗(yàn)證了模擬實(shí)驗(yàn)的正確性，設(shè)計(jì)可行。

機(jī)車漏電流傳感器； CAN總線； 嵌入式設(shè)計(jì)； 單線雙線檢測

0 引 言

近年來，電氣安全問題在鐵路電氣化過程中顯得異常突出,而漏電則是電氣安全監(jiān)測的重要指標(biāo)，通過嚴(yán)格實(shí)施與漏電有關(guān)的技術(shù)要求，有效監(jiān)測供電設(shè)備的電氣缺陷，預(yù)防漏電、短路等引發(fā)的火災(zāi)和人身傷害事故迫在眉睫。

本文采用ARM平臺，設(shè)計(jì)了一種機(jī)車車載漏電流傳感器[1～3]，采用低功耗小系統(tǒng)設(shè)計(jì)處理器Cortex—M3和高精度模擬漏電流傳感器，經(jīng)數(shù)字化改進(jìn)而實(shí)現(xiàn)。在分析系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，完成了硬件系統(tǒng)和軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)，完成了單線和雙線的模擬實(shí)驗(yàn)，經(jīng)模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該傳感器檢測準(zhǔn)確、反應(yīng)快速，通信采用CAN總線安全可靠。在實(shí)際測量中，驗(yàn)證了模擬實(shí)驗(yàn)的正確性，設(shè)計(jì)可行。

1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)整體接線設(shè)計(jì)如圖1所示，主要包括電流檢測傳感器、機(jī)車供電屏柜、機(jī)車接地測試儀幾個部分[6～8]。

圖1 系統(tǒng)整體接線設(shè)計(jì)圖Fig 1 Integrated wiring design diagram of system

系統(tǒng)工作原理是：裝置在開機(jī)時采集列車漏電流值，設(shè)置單臺機(jī)車的電流值為基準(zhǔn)，通過檢測總值判斷列車數(shù)量作為裝置判斷是否漏電流的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)[11]。當(dāng)機(jī)車供電系統(tǒng)有一點(diǎn)接地時，電流檢測傳感器會檢測到電流信號,同時記錄并通過數(shù)字顯示屏顯示，報(bào)警裝置根據(jù)設(shè)定的機(jī)車漏電流報(bào)警值與檢測到漏電流值進(jìn)行比較，如果漏電流值超出安全范圍，識別裝置將產(chǎn)生接地報(bào)警提示并用標(biāo)志位顯示，同時識別裝置還將記錄故障產(chǎn)生的時間和漏電流值。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)

本漏電流檢測數(shù)字傳感器采集實(shí)時的機(jī)車、車廂的漏電流值后，通過ARM平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如漏電流值超出了設(shè)定的閾值，該裝置會提示語音報(bào)警，并通過屏幕上提示。漏電流的數(shù)據(jù)保存至裝置內(nèi)存中，用戶可用移動存儲設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)出，其框圖如圖2。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖Fig 2 Block diagram of hardware system

2.2 CAN總線端口設(shè)計(jì)

采用SN65HVD230設(shè)計(jì)完成，其整體的設(shè)計(jì)圖如圖3。

圖3 CAN總線接口圖Fig 3 CAN bus interface diagram

2.3 USB接口設(shè)計(jì)

其硬件電路的設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示。USB接口電路主要用于對數(shù)據(jù)的導(dǎo)入與導(dǎo)出。

圖4 USB接口電路設(shè)計(jì)原理圖Fig 4 Principle diagram of USB interface circuit design

2.4 SPI Flash存儲單元設(shè)計(jì)

利用SPI總線方式，設(shè)計(jì)了Flash存儲單元電路，其設(shè)計(jì)原理圖如圖5所示。SPI總線通信快捷，傳輸速率高，可靠性好，在軟件設(shè)計(jì)部分可對其傳輸協(xié)議進(jìn)行自定義，方便開發(fā)。

圖5 SPI Flash存儲單元電路Fig 5 SPI Flash memory cell circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括兩大部分：上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件。整個的架構(gòu)設(shè)想如圖6所示。

圖6 軟件架構(gòu)設(shè)想圖Fig 6 Software architecture design sketch

下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)主要包括實(shí)驗(yàn)流程控制、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理流程、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和軟件使用指南。實(shí)驗(yàn)流程控制包括被試品信息錄入、實(shí)驗(yàn)過程、以及實(shí)驗(yàn)完后對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的打印輸出等。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理流程主要包括數(shù)據(jù)的查詢、修改、刪除等，而系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置主要是指實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置。

上位機(jī)軟件主要包括人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)，負(fù)責(zé)參與下位機(jī)實(shí)驗(yàn)流程、數(shù)據(jù)處理流程的參數(shù)賦值、上下位機(jī)之間的通信、數(shù)據(jù)的顯示等。

4 模擬機(jī)車漏電實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過軟、硬件設(shè)計(jì)，開發(fā)后的傳感器實(shí)物如圖7所示。

圖7 傳感器實(shí)物圖Fig 7 Physical of sensor

在實(shí)物基礎(chǔ)上，進(jìn)行了模擬機(jī)車的漏電實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)分為雙線模擬和單線模擬兩個部分，實(shí)驗(yàn)均在常溫下進(jìn)行。

雙線模擬漏電檢測又叫直流正負(fù)線漏電檢測，檢測時正負(fù)線全穿過傳感器，其接線原理圖如圖8所示。

圖8 雙線模擬漏電實(shí)驗(yàn)原理圖Fig 8 Principle diagram of double wire analog leakage test

雙線模擬實(shí)驗(yàn)檢測對象為開關(guān)電源，在電壓0～10 V范圍內(nèi)，對開關(guān)電源的電流和儀器檢測到的漏電流進(jìn)行了測試，其測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 雙線模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab 1 Double wire simulation experimental data

單線模擬漏電檢測又叫直流正線(單線)漏電檢測，其接線原理圖如圖9所示。

圖9 單線模擬漏電實(shí)驗(yàn)原理圖Fig 9 Principle diagram of single wire analog leakage experimental

在電壓從0～10 V范圍內(nèi)，對開關(guān)電源的電流和儀器顯示的漏電流進(jìn)行了試驗(yàn)測試，其試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)如表2。

表2 單線模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab 2 Single wire simulation experimental datas

根據(jù)模擬機(jī)車漏電實(shí)驗(yàn)，可以得出本設(shè)計(jì)的傳感器的檢測精度約為1 %、線性度約為1 %。

5 機(jī)車實(shí)測漏電實(shí)驗(yàn)

通過模擬實(shí)驗(yàn)，將漏電檢測傳感器用于實(shí)際測試過程中進(jìn)行校驗(yàn)，測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表3所示。

表3 測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab 3 Measurement experimental datas

6 結(jié) 論

基于ARM平臺的機(jī)車車載式漏電流數(shù)字傳感器經(jīng)過硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)，通過模擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)測實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)顯示檢測準(zhǔn)確、反應(yīng)快速、數(shù)據(jù)通信安全可靠。檢測漏電流的范圍是 0～300 mA ，檢測精度和線性度均為1 %左右，在現(xiàn)有技術(shù)情況下，是一種先進(jìn)的車載式漏電流數(shù)字傳感器。而在實(shí)際使用時，本傳感器還可以實(shí)現(xiàn)多個漏電流數(shù)字傳感器與一臺計(jì)算機(jī)互接，構(gòu)成一個多點(diǎn)的漏電檢測網(wǎng)絡(luò)，最終實(shí)現(xiàn)漏電檢測的綜合處理，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 魏偉明,魏秉國.直流系統(tǒng)負(fù)載一點(diǎn)接地致開關(guān)跳閘原因分析 [J].繼電器,2008,36(9):76-79.

[2] 鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1996.

[3] 岳佳杰,劉克虎，周杏鵬.基于CAN總線的智能壓力變送器[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012(1)：29-32.

[4] 袁開鴻.魏麗君.唐東梅.基于STM32平臺的CAN總線車載式漏電流數(shù)字傳感器[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013，33(3)：118-120.

[5] 李明香,楊澤林,司偉立，等.基于CAN總線智能溫濕度傳感器的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2006(12)：39-42.

[6] 遲瑞娟.曹正清. 基于CAN總線的整車管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002(4):91-94.

[7] 趙夢欣,陳國峰,余偉成.直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測的直流漏電流法改進(jìn)方案[J].電力系統(tǒng)自動化，2009(14)：83-87.

[8] 李冬輝,史臨潼.發(fā)電廠和變電站直流系統(tǒng)接地故障監(jiān)測總體方案[J].電網(wǎng)技術(shù)，2005，29(1)：56-59.

[9] 費(fèi)萬明,張艷莉.基于開關(guān)狀態(tài)組合的直流接地故障檢測方法[J].電力系統(tǒng)自動化，2005,29(21)：74-78.

[10] 王友仁,崔 江,劉新峰.直流系統(tǒng)在線絕緣檢測技術(shù)研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2005，26(8):54-56.

[11] 王大力.基于CAN總線電動車混合制動系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2013(11)：108-110.

Research and application of locomotive vehicle leakage current digital sensor*

TANG Ya-ping1,2, ZHANG Min-san2, YUAN Kai-hong2

(1.School of Information Engineering, Central South University,Changsha 410083,China;2.Hunan Railway Professional Technology College,Zhuzhou 412001,China)

Introduce study and application of a locomotive vehicle leakage current digital sensor,which is realized on basis of simulation of leakage current sensor,by digital improvement.Hardware design uses ARM platform,on the basis of analysison principle of system,design of hardware system and soft chitecture,and simulation experiment of single and double wire are achieved.Through simulation experiment verify that the sensor has advantages of accurate detection,fast response,using CAN bus for communication is safe and reliable.In actual measurement,verify the correctness of the simulation test,and the design is feasible.

locomotive leakage current sensor; CAN bus; embedded design; single and double wire detection

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0045—03

2014—04—14

湖南省科學(xué)技術(shù)廳科技計(jì)劃一般項(xiàng)目(2013GK3133)

TP 334.3

A

1000—9787(2014)12—0045—03

唐亞平(1974-)，男,湖南衡南人，碩士，副教授,高級工程師，主要研究方向?yàn)殡娮訉W(xué)、自動化控制。