袁開鴻, 魏麗君, 唐冬梅

(1.中南大學(xué) 信息工程學(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)

0 引 言

隨著鐵路電氣化和大量電氣設(shè)備設(shè)施在機車上投入使用，電氣安全問題顯得越來越重要。而絕緣和漏電是對電氣安全進行監(jiān)測的重要指標(biāo)，通過嚴格實施與絕緣、漏電有關(guān)的技術(shù)要求，可以有效監(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。因此,采用實時的漏電監(jiān)測保護報警和接地保護技術(shù)、對機車供電母線的漏電流和對地狀況進行實時監(jiān)測則顯得尤為重要，一旦發(fā)生漏電流超標(biāo)或接地，則保護動作，停止電源輸出。

基于STM32平臺的CAN總線車載式漏電流傳感器[1～3]研制，采用了目前最先進的模擬漏電流傳感器，加以改造實現(xiàn)數(shù)字化，并通過線數(shù)少、安全性與可靠性高的CAN總線實現(xiàn)數(shù)字通信[4,5],可方便地實現(xiàn)多點檢測集中處理。在機車運行中實現(xiàn)對漏電流的檢測，其主要特征是檢測準(zhǔn)確、響應(yīng)快速、數(shù)據(jù)通信安全可靠。使用時，由多個漏電流數(shù)字傳感器與一臺計算機互接，構(gòu)成一個多點的漏電檢測網(wǎng)絡(luò)，最終實現(xiàn)漏電檢測的綜合處理。

1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)主要由機車接地測試儀、電流檢測傳感器、機車供電屏柜構(gòu)成[6～8]。機車接地測試儀主要包括電源模塊、輸入信號處理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、中央處理單元以及報警輸出模塊。電源模塊由車內(nèi)24VDC電源經(jīng)過DC/DC轉(zhuǎn)換,分別轉(zhuǎn)換為±12VDC電源和+5VDC電源。

此外，目前由于機車上大量采用微機控制的牽引傳動裝置和分布全列車的通信系統(tǒng)，日益增多的電子設(shè)備帶來了許多的電源電磁干擾源和敏感期。因此,在110 V電源其工作原理是：裝置在開機時采集列車漏電流值，根據(jù)單臺機車4.7 mA為基準(zhǔn)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)[11,12]；當(dāng)機車供電系統(tǒng)有一點接地時，裝置電流檢測傳感器檢測到電流信號同時記錄并顯示出來，此時根據(jù)設(shè)定的機車漏電流報警值與檢測到漏電流值進行比較，若超出范圍識別裝置將產(chǎn)生車輛接地報警提示并用燈位顯示；同時識別裝置將記錄接地故障產(chǎn)生的時間、漏電流值[13]，備注中指示接地故障產(chǎn)生在機車的狀態(tài)。

進線上加裝了吸收電容器和共模電感器以吸收來自機車電源的干擾。在軟件設(shè)計上加入了二級濾波的方式來進一步減小干擾[9,10]，已達到設(shè)備的工作穩(wěn)定性。 系統(tǒng)整體接線設(shè)計如圖1。

圖1 系統(tǒng)整體接線設(shè)計圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計采用的Cortex—M3(STM32)處理器是一個低功耗的處理器，具有門數(shù)少、中斷延遲小、調(diào)試容易等特點，應(yīng)用范圍可從低端微控制器到復(fù)雜SoC。Cortex—M3處理器使用了ARM V7—M體系結(jié)構(gòu)，是一個可綜合的、高度可配置的處理器。而CAN總線具有極高的可靠性、數(shù)據(jù)傳輸速率高，傳輸距離較長、實時性強，特別適合工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備的互聯(lián)。

基于STM32平臺的CAN總線漏電流檢測數(shù)字傳感器采用高精度漏電流傳感器采集實時的機車、車廂的漏電流值，采用高速的單片機進行數(shù)據(jù)處理，當(dāng)漏電流值大于設(shè)定的值后，儀器會以聲音報警和故障顯示屏2種方式提示,并將數(shù)據(jù)保存至儀器的內(nèi)存中，用戶可用USB存儲設(shè)備進行數(shù)據(jù)導(dǎo)出，其框圖如圖2。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)解決原機車上使用的漏電檢測裝置系統(tǒng)硬件分塊過多、接口線多、抗干擾能力不強、故障率高的問題。設(shè)計完成后的基于STM32平臺的CAN總線漏電流檢測數(shù)字傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和漏電檢測系統(tǒng)整體配合關(guān)系如圖3所示。

圖3 數(shù)字傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與漏電檢測系統(tǒng)整體配合關(guān)系圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括上位機軟件和下位機軟件。上位機軟件設(shè)計主要結(jié)合鐵路行業(yè)實際應(yīng)用和廣大鐵路行業(yè)客戶意見反饋，不斷得到完善改進，使系統(tǒng)功能齊全，人機交互界面友好，操作簡便，主要包括核心處理程序、數(shù)據(jù)庫函數(shù)、數(shù)據(jù)顯示與信息提示部分、用戶輸入與操作提示以及數(shù)據(jù)查詢、報表打印和圖形處理等。整個的軟件架構(gòu)設(shè)想如圖4所示。

圖4 軟件架構(gòu)設(shè)想圖

下位機軟件的設(shè)計包括實驗測試、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)設(shè)置和軟件使用指南。實驗測試包括被試品信息錄入、實驗過程、實驗完后對實驗結(jié)果的打印輸入等。數(shù)據(jù)處理部分數(shù)據(jù)的查詢、修改、刪除等，而系統(tǒng)設(shè)置主要是只實驗參數(shù)的設(shè)置。軟件設(shè)計框圖如圖5所示。

圖5 下位機軟件設(shè)計框圖

4 實驗與數(shù)據(jù)分析

直流正負線(雙線)全穿過傳感器的模擬漏電實驗接線原理圖如圖6所示。

圖6 雙線模擬漏電實驗原理圖

在電壓0～10 V的區(qū)間內(nèi)，對開關(guān)電源的電流和儀器顯示的漏電流進行了實驗測試，其實驗測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 雙線模擬漏電實驗數(shù)據(jù)

只有直流正線(單線)穿過傳感器的模擬漏電實驗，其接線原理圖如圖7所示。

圖7 單線模擬漏電實驗原理圖

在電壓從0 V變到10 V的區(qū)間內(nèi)，對開關(guān)電源的電流和儀器顯示的漏電流進行了實驗測試，其實驗測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 單線模擬漏電實驗數(shù)據(jù)

根據(jù)以上實驗數(shù)據(jù)，輸入確定的漏電流的值，對其進行標(biāo)定，其數(shù)據(jù)見表3，根據(jù)實測漏電流值與輸入漏電流值的比，可以得出所設(shè)計傳感器的檢測精度約為1 %,線性度約為1 %。

表3 標(biāo)定實驗數(shù)據(jù)表

5 結(jié) 論

基于STM32平臺的CAN總線車載式漏電流數(shù)字傳感器檢測準(zhǔn)確、響應(yīng)快速、數(shù)據(jù)通信安全可靠。檢測漏電流的范圍為 0～300 mA ，檢測精度為1 % ，線性度為1 %,是一種目前先進的車載式漏電流數(shù)字傳感器。實際使用時，多只漏電流數(shù)字傳感器與一臺計算機互接，構(gòu)成一個多點的漏電檢測網(wǎng)絡(luò)，最終實現(xiàn)漏電檢測的綜合處理。

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