基于FPGA的動車組電氣柜電流采集裝置研制

摘要：為解決動車組電氣系統機械觸點偶發性故障無法定位的問題，本文遵循軌道交通行業標準設計了一款基于FPGA的動車組電流采集裝置。裝置能夠對被測電流回路進行錄波，實時監測關鍵電氣回路電流變化，識別過電流、沖擊、燃弧等異常狀態，并將數據傳輸至數據處理裝置進行集中管理和存儲。該裝置通過了功能試驗和型式試驗，各項功能及性能指標滿足軌道交通車載應用。本文介紹了電流采集裝置的硬件電路設計方案，以及設備的測試驗證情況。該裝置為動車組電氣偶發性故障的定位提供了新的方法和思路。

關鍵詞：動車組; 電流采集; FPGA

1 引言

輔助供電系統是軌道交通車輛電氣系統中的重要組成部分，系統中大量使用繼電器、接觸器實現車輛電氣系統的配電以及邏輯控制[1-2]。繼電器、接觸器等器件使用機械觸點來分斷電氣回路，其觸點在長期使用過程中易發生卡滯、粘連等故障[3-5]。且相關設計回路主要由硬線實現，缺少智能診斷能力，加之此類故障具有偶發性，檢修時難以準確定位故障位置以及原因。通常采用預防性更換繼電器、接觸器的方法來應對，增加了運營成本且無法準確定位問題。

針對上述偶發性故障，本文提出了一種輔助診斷電流采集裝置。電流采集裝置實時采集電氣控制屏柜內的關鍵回路繼電器、接觸器觸點工作電流，并將數據發送至數據處理裝置進行集中處理和存儲。

2 硬件方案設計

電流采集裝置主要包括電源模塊、通訊模塊、FPGA、采樣模塊。電源模塊將外部輸入的DC24V電源轉換為內部所需的5V、3.3V、2.5V，為FPGA、ADC及處理電路供電。通訊模塊主要實現低壓差分信號（Low-Voltage Differential Signaling， LVDS）通訊總線，設備通過LVDS總線與數據處理裝置通信。通訊總線采用隔離等級，提高裝置可靠性。FPGA采集多路A/D轉換模塊數據，集中處理打包發送給數據處理裝置。A/D轉換模塊采用隔離模數轉換芯片，通過采集采樣電阻電壓獲取電流信息。電路框圖如下圖所示。

2.1 電源模塊設計

電源模塊采用隔離DCDC模塊，將數據處理裝置提供的DC24V電源轉換為內部5V電源。DCDC模塊功率10W，隔離等級AC1000V。該模塊前級采用壓敏電阻、共模電感、Y電容等器件，搭建濾波電路，以滿足軌道交通EMC防護要求。

裝置內5V電源經過單芯片線性穩壓器轉換為3.3V電源，為FPGA等芯片供電。3.3V電源采用TPS54310芯片，額定輸出電流3A，能夠滿足裝置供電需求。

2.2 FPGA及其外圍接口電路設計

為了滿足動車組電氣屏柜內多通道采集，實時性以及同步性等要求，采用了Altera公司的MAX10系列芯片10M16SA U169S。該芯片具備16K邏輯單元，100個IO引腳，同時集成了AD轉換模塊以及內置閃存配置，資源完全滿足裝置應用需求。芯片采用單電源供電，降低了電源設計成本。相對CPLD，MAX10具有全功能FPGA特性，包括NIOS II軟核嵌入式處理器、數字信號處理模塊等。

2.2.1 時鐘電路

時鐘原理圖如圖所示。本裝置中采用10M16SA U169S為控制芯片，采用SG-210SCB型號50MHz晶體振蕩器為芯片提供基準始終，使得FPGA能夠正常工作。

2.2.2 LVDS通訊電路

電流采集裝置與數據集中處理裝置間采用本方案所選用的FPGA自帶LVDS通訊IP核。若直接將FPGA引腳引至外部會影響系統可靠性與穩定性，且不符合軌道交通EMC要求。本裝置采用了ADN4651型號5kV rms隔離器芯片，其采用2.5V或3.3V電源供電，最高600Mbps開關速率，具有低抖動特性。其應用電路如下圖所示。

通訊隔離供電采用R1S-0505/H，該電源可輸出穩定的5V隔離電源，電流200mA。經過LDO轉換為3.3V_ISO。對外通訊接口及電源接口采用TVS二極管防護，防止外部浪涌電壓引起通訊電路失效。另外，LVDS差分線對外接口處串接共模電感，提升抗干擾能力。

LVDS通訊速率為100Mbps.最大數據傳輸能力為10MB/s，完全滿足應用要求。另外，通過8b/10b編解碼技術和數據幀CRC校驗技術，有效提升數據通訊的可靠性。

2.2.3 看門狗電路

本裝置采用低功耗MAX6751芯片作為FPGA的看門狗及復位芯片，在FPGA初始化加載不成功或運行中出現異常情況下，通過復位信號使系統重新啟動。該芯片具有靈活配置的特點。通過配置分壓電阻，實現對電壓的可調監測控制：

VMON_TH=VRESET IN X （R31+R32）/R32

通過配置SRT引腳電容容值設置超時時間：

tRP=4.94 X 106 X C31

如下圖所示電路所配電阻下當電源跌落至2.93V時輸出復位信號，看門狗500ms未收到喂狗信號觸發超時復位。

2.3 AD采樣模塊設計

AD采樣模塊選用隔離式ADE7913模數轉換芯片，其具有多通道同步采集、高隔離等級的特點。其內置3路24位ADC，采用四線式SPI串行接口與控制器通訊，單個SPI外掛四片AD采樣芯片，減少了布線成本。

3 應用方案及驗證

3.1 功能驗證

將電流轉換裝置連接至數據處理單元，各通道內分別接入電流，在上位機實時監測電流數據，上位機監測軟件界面如圖7所示。試驗結果表明，電流采集裝置中各通道能夠有效監測被測電流，其精度在1%以內。

3.2 型式試驗驗證

根據軌道交通相關標準，對電流采集裝置進行了如表1所示試驗，圖4為電流采集裝置試驗圖。試驗結果表明，電流采集裝置能夠通過GB/T 25119-2010、EN 50121-3-2：2016等標準下EMC、環境試驗，具有良好的可靠性。

4 結語

本文設計了一種基于FPGA的動車組電流采集裝置，該裝置能夠精準、高速采集動車組電氣回路電流數據，并滿足軌道交通車輛環境、電磁兼容性要求。裝置實時監測動車組內多路關鍵電氣回路電流數據，為動車組電氣故障報警以及故障依據提供硬件平臺。

參考文獻：

[1]王偉，趙盼磊，方鵬，等.鐵路客運車輛電氣控制屏柜通用微機測試臺[J].機車電傳動， 2016（6）：1-5.

[2]郭旭，張賢凱，梁彥鋒，等. CRH2型動車組直流電氣控制電路監測技術[J].機車電傳動，2016（6）：6-9.

[3]梁春風，陳潤熾.地鐵列車繼電器測試裝置的設計[J].機車電傳動，2018（03）：112-113.

[4]顧松彬，曹文忠，魏武忠.地鐵車輛控制電路中繼電器的故障分析[J].機車電傳動，2007（02）：58-60.

[5]王峰，林杰. CRH2系列動車組高壓電器控制繼電器出頭粘連原因分析[J].機車電傳動， 2014（6）：95-96.

作者簡介：張明帥（1989-），男，漢族，湖南株洲，大學本科，主要從事軌道交通產品研發。

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