彭 威

(廣州地鐵集團有限公司運營一中心,510308,廣州∥助理工程師)

?

地鐵列車電壓傳感器檢測系統(tǒng)設計

彭 威

(廣州地鐵集團有限公司運營一中心,510308,廣州∥助理工程師)

介紹了電阻式和霍爾式電壓傳感器的工作原理,并根據(jù)它們的工作特性設計了一種能檢測電阻式和霍爾式兩種不同類型的電壓傳感器檢測系統(tǒng)。詳細介紹了電壓傳感器檢測系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序設計。其硬件電路由溫度采集電路、AD(模數(shù))采集電路、時鐘模塊設定電路、鍵盤設置電路、電機轉(zhuǎn)速控制電路以及加熱絲控制電路組成。在軟件設計方面,單片機將采集的電壓信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換和比較運算后傳輸至PC機,最終實時顯示曲線圖和后臺記錄電壓信號的功能。

地鐵列車； 電壓傳感器; 電壓信號; 檢測技術(shù)

Author′s address The First Operation Center of Guangzhou Metro Group Co.,Ltd.,510308,Guangzhou,China

電壓傳感器在列車運營過程中是采集列車實時供電電壓狀態(tài)的一種精密檢測設備,其性能的好壞,將直接影響地鐵的正常運行。而地鐵列車上所運用的電壓傳感器常出現(xiàn)檢測電壓信號丟失的偶發(fā)故障,給地鐵運營造成一定的安全隱患。因此,為了提高地鐵的運營質(zhì)量,對地鐵列車電壓傳感器的檢測已成為必不可少的環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)的地鐵檢修維護過程中,僅是對電壓傳感器的外觀、接線等情況進行檢測,而對其性能的檢測并未有任何的檢修手段。所以,設計一個能夠?qū)崟r檢測地鐵列車所運用的電壓傳感器性能狀態(tài)的測試系統(tǒng)是十分必要的。

本文所設計的地鐵列車電壓傳感器測試系統(tǒng)可自動讀取電壓傳感器采集到的電壓數(shù)據(jù)值,并實現(xiàn)實時顯示曲線圖和后臺存儲電壓數(shù)據(jù)的功能。通過持續(xù)地對電壓傳感器的性能狀態(tài)進行檢測來判斷該電壓傳感器的可靠性,并對性能不穩(wěn)定的電壓傳感器進行預防性更換,從而達到保障地鐵列車安全運營的目的。

1 列車電壓傳感器的工作原理分析

電壓傳感器是一種常用的檢測裝置,其能將檢測到的電壓信號,按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成符合一定標準需要的電信號或其他所需形式輸出[1]。根據(jù)電壓傳感器的檢測原理,可分為電阻分壓器、電容分壓器、電磁式電壓互感器、電容式電壓互感器、霍爾傳感器等5大類。而地鐵列車常用的電壓傳感器為電阻式電壓傳感器和霍爾電壓傳感器。

1.1 電阻式電壓傳感器

電阻式電壓傳感器的原理如圖1 所示。其中，高壓臂電阻R1和低壓臂電阻R2組成了電阻分壓器,電壓信號在低壓側(cè)取出。為防止出現(xiàn)過電壓,保滬兩側(cè)測量裝置,在低壓電阻上加裝一個穩(wěn)壓管S,使其放電電壓恰好略小于或等于低壓側(cè)允許的最大電壓。其中U l 為高壓側(cè)輸入電壓,U2為低壓側(cè)輸出電壓。

1.2 霍爾電壓傳感器

霍爾電壓傳感器相對電磁式電壓互感器而言,具有體積小、重量輕、頻帶寬、交直流兩用等優(yōu)點,在工業(yè)測控領域得到了廣泛應用[2]。

圖1 電阻式電壓傳感器結(jié)構(gòu)圖

霍爾電壓傳感器主要包括初級線圈、磁環(huán)、次級線圈、放大電路及與初級線圈串聯(lián)的限流電阻R。拋開限流電阻R,剩余部分相當于一個閉環(huán)霍爾電流傳感器,如圖2所示。不同之處在于該傳感器的初級電流非常小,一般為mA級。

圖2 霍爾電壓傳感器結(jié)構(gòu)圖

2 整體設計思路

本文所設計的地鐵列車電壓傳感器檢測系統(tǒng)主要運用于對電阻式和霍爾式電壓傳感器性能狀態(tài)的檢測。該測試平臺采用雙通道檢測方式,實時監(jiān)測傳感器的狀態(tài),并通過AD(模數(shù))芯片讀取電壓傳感器所采集到的電壓信號。最后通過單片機對其進行數(shù)值轉(zhuǎn)換,再傳輸給自制的PC上位機軟件。在上位機內(nèi)再次進行對比換算,同時顯示出故障狀態(tài)，并在后臺實時記錄故障數(shù)據(jù)。

本文所設計的地鐵列車電壓傳感器檢測系統(tǒng)的主要技術(shù)性能參數(shù)見表1。

表1 地鐵列車電壓傳感檢測系統(tǒng)的主要技術(shù)性能參數(shù)

3 硬件電路設計

電壓傳感器檢測系統(tǒng)一共分為6大部分,分別由溫度采集電路、AD采集電路、時鐘模塊設定電路、鍵盤設置電路、電機轉(zhuǎn)速控制電路、加熱絲控制電路組成。其設計框架如圖3所示。

圖3 電壓傳感器測試平臺框圖

加熱絲控制電路和溫度采集電路主要是控制檢測系統(tǒng)的環(huán)境溫度。當環(huán)境溫度低于檢測設定的溫度時,可控制加熱絲進行加熱,使環(huán)境溫度達到恒溫的目的,從而提高系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)的準確性。時鐘模塊設定電路主要記錄傳感器的檢測時間。電機轉(zhuǎn)速控制電路、鍵盤設置電路和AD采集電路則分別起到產(chǎn)生和控制輸出電壓、控制檢測系統(tǒng)的執(zhí)行指令、采集電壓傳感器的電壓信號的作用。

此外,此電壓傳感器檢測系統(tǒng)采用了雙單片機,其主要原因有:①此硬件電路共有42個I/O(輸入/輸出)端口,而一個單片機僅有36個接口;②驅(qū)動電機的電流較大,為防止對電壓信號采集電路造成干擾,從而將采集電路與電機驅(qū)動電路分別用不同的單片機控制。

3.1 溫度采集電路

DS18B20傳感器跟單片機的接口硬件電路有兩種設計方式:一個是將VCC(電源電壓)接到外部電源上,GND(地線)接到地上,該傳感器的輸入輸出接口直接與單片機的輸入輸出口相連接;另外一個方法是采用寄生電源來提供電源,而此時VDD(電源電壓)以及GND均接地,傳感器的輸入輸出接口直接與單片機的輸入輸出口相連接便可實現(xiàn)溫度傳感器的正常工作。但是這種方式對器件的損耗較大,且極不穩(wěn)定。不管是利用外部電源供電還是利用內(nèi)部的寄生電源來供電,輸入輸出口都要接到5 kΩ的上拉電阻上。為了保證溫度傳感器工作的穩(wěn)定性,平臺設計時采用外部電源供電方式連接,如圖4所示。

圖4 溫度采集電路

在STC系列單片機中,其內(nèi)部的一個上拉電阻所對應的8位雙向傳輸?shù)腎/O為PJ1(端口),該口的緩沖器可接收并且還能輸出4個TTL(門電路)門電流。而當該口被寫入“1”的時候,其所對應的上拉電阻就被拉高,并且可以當作輸入[3]。此時,其所對應的管腳的電壓電位將會被降低,從而就可以輸出電流。

3.2 AD采集電路

AD采集電路是采用AD7705芯片。該AD芯片為16位ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換)數(shù)據(jù)采集模塊,采集數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定,有16位有效數(shù)字(2的16次方65 536),測量范圍廣,精度高。AD采集電路在平臺中用于采集基準電阻兩端的電壓值,進而通過單片機換算為傳感器輸入端的實際電壓值。該電路分兩路進行采集,一路用于采集待測電壓,一路用于采集標準電壓,以便后期用于單片機程序?qū)Ρ扰卸?如圖5所示。AD模塊采集到的電壓為模擬量信號,內(nèi)部處理后轉(zhuǎn)化為能夠被單片機識別的高低電平脈沖信號。單片機接收到信號后,對信號進行解碼,得到檢測到的電壓值。在單片機內(nèi)部處理后傳輸給顯示屏和PC上位機,在顯示屏和上位機上對相應的信息進行顯示。

圖5 AD采集電路

3.3 時鐘模塊設定電路

時鐘模塊設定電路(PCF8563時鐘模塊)采用低功耗CMOS(放大器件)實時時鐘/日歷芯片,芯片最大總線速度為400 kbits/s,每次讀寫數(shù)據(jù)后,其內(nèi)嵌的字地址寄存器會自動產(chǎn)生增量,且?guī)諝v功能,接入備用電池,掉電后可繼續(xù)工作。該電路用于設定和控制恒溫箱內(nèi)一個恒定溫度值的時間,記錄傳感器在不同溫度下的檢測時間,如圖6所示。

3.4 鍵盤設置電路

鍵盤電路采用列線掃描和行線掃描方式實現(xiàn)。列線為輸入口,行線為輸出口,如圖7所示。減少單片機數(shù)據(jù)端口,使單片機運行過程穩(wěn)定可靠,不會降低單片機的運行速度。鍵盤設置電路是操作平臺的控制核心,通過鍵盤電路設置平臺的各個狀態(tài)和發(fā)出指令,實現(xiàn)測試平臺的各個功能,如起動電機旋轉(zhuǎn)速度,選擇待測傳感器的檔位,設定恒溫值等。

圖6 PCF8563時鐘模塊設定電路

3.5 電機轉(zhuǎn)速控制電路

電機轉(zhuǎn)速控制電路采用L298N電機驅(qū)動板模塊。L298N 是一種雙H橋電機驅(qū)動芯片,其中每個H橋可以提供2 A的電流,功率部分的供電電壓范圍是2.5～48 V,邏輯部分5 V供電,接受5 V電平。它是利用單片機12C5A60S2內(nèi)部的DA發(fā)送出PWM脈沖信號控制其輸出管腳電壓的大小,從而控制減速電機轉(zhuǎn)動速度,進一步控制手搖式發(fā)電機的轉(zhuǎn)速,達到電壓輸出大小量的控制,為傳感器提供大小可控的采集電壓,如圖8所示。

圖7 鍵盤設置電路

圖8 電機轉(zhuǎn)速控制電路

3.6 加熱絲控制電路

加熱絲控制電路,采用大功率調(diào)壓器設備,可以調(diào)節(jié)10～220 V的平滑調(diào)節(jié)范圍,用于驅(qū)動恒溫箱內(nèi)的發(fā)熱絲,如圖9所示。鍵盤設定好恒定溫度后,結(jié)合溫度采集模塊DS18B20和繼電器控制模塊,溫度傳感器采集到信息達到設定溫度后斷開加熱絲,不足設定溫度時吸合繼電器,加熱絲開始加熱,用單片機控制繼電器的吸合和斷開,更好地達到控制恒溫箱內(nèi)溫度的目的。

4 軟件程序設計

PC上位機系統(tǒng)是在Microsoft Corporation Service Pack Window 7開發(fā)平臺下采用VB編程語言進行軟件編寫,與單片機之間的通訊協(xié)議采用RS232標準通訊模塊,傳輸單片機發(fā)來的電壓、溫度、時間等參數(shù)[4]。劃分好各區(qū)域的功能界面,上位機將收集到的單片機數(shù)據(jù)進行動態(tài)分配內(nèi)存地址,上位機軟件內(nèi)部進行運算。將數(shù)據(jù)存儲于存儲器并導入到EXCEL表格內(nèi)進行保存。軟件設計流程見圖10。

圖9 加熱絲控制電路

圖10 軟件設計流程圖

4.1 實時電壓顯示部分

需要測量的電壓傳感器測量電壓為待測電壓,正常的電壓傳感器測量電壓為參考電壓。AD采集模塊每采集一次電壓數(shù)據(jù)后把數(shù)據(jù)通過串口通訊的方式傳輸?shù)诫娔XCOM端口上,然后通過調(diào)用系統(tǒng)串行通訊控件并配置好串行通訊參數(shù):端口編號、波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位、奇偶校驗位等。通訊連接成功之后,獲取控件緩沖區(qū)中的二進制字符串,并將字符串轉(zhuǎn)換成ASCII碼且進行校驗。通過對轉(zhuǎn)換后的字符串進行取值并顯示到相應的TEXTBOX文本框中。設計流程見圖11。

圖11 實時電壓顯示設計流程圖

4.2 電壓數(shù)值比較運算部分

電壓數(shù)值賦值到相應電壓顯示框之后,電壓將進行電壓運算比較,把待測電壓值減去參考電壓值,得出差值的符號和數(shù)值大小并進行判斷,差值大小分為4個范圍,分別為5、10、20和50 V。每當電壓差值ΔU>5 V時,再判斷差值的正負號。如果符號為正,即待測電壓值偏大;若符號為負,即待測電壓偏小。再根據(jù)大于電壓數(shù)值范圍的記錄變量進行累加運算。設計流程見圖12。

圖12 電壓數(shù)值比較設計流程圖

4.3 實時曲線顯示部分

顯示屏中綠線為參考電壓,紅線為待測電壓,橫軸為時間,時間軸一個刻度為1 s。縱軸為電壓刻度。電壓刻度能自動調(diào)節(jié)最大刻度,滿足電壓曲線在測量范圍內(nèi)提高精度顯示的要求。右側(cè)有待測電壓的峰值、待測電壓的平均值、參考電壓的峰值和參考電壓的平均值,顯示界面見圖13。

圖13 實時曲線顯示圖

4.4 數(shù)據(jù)保存部分

在打開VISUAL BASIC軟件時,軟件會新建一個空白對象,然后把EXCEL的服務接口與空白對象關(guān)聯(lián),關(guān)聯(lián)之后再對對象的單元格進行賦值,最后通過調(diào)用EXCEL的保存指令。通過上述方法可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的記錄和保存。

在軟件運行時,軟件會自動記錄當時所采集和運算處理后的電壓數(shù)值,以便測量后對數(shù)據(jù)進行故障分析和取證。

5 測試運用效果

以寧波南車時代傳感技術(shù)有限公司的NV100-2 000 V型電壓傳感器作為待測傳感器,并在傳感器的輸入端加上226 V的電壓(如圖14所示)。同時用軟件在監(jiān)控傳感器的輸出波形圖(如圖15所示),以及每隔1 s采集一次傳感器的電壓值并存儲至EXCEL表格中。

圖14 電壓傳感器測壓平臺

通過波形數(shù)據(jù)可看出,此待測電壓傳感器與參考電壓相差逾200 V,其相對誤差為10%。根據(jù)鐵道行業(yè)標準TB/T 2764—1996,電壓傳感器的測量誤差最大不能超過2.5%。因此,可判斷此電壓傳感器為故障傳感器。

圖15 電壓傳感器在線監(jiān)控波形圖

6 結(jié)語

本文中的地鐵電壓傳感器檢測系統(tǒng)可實時監(jiān)控電壓傳感器的工作狀態(tài)并記錄電壓數(shù)據(jù),從而達到評估地鐵列車電壓傳感器性能狀態(tài)的目的。根據(jù)測試情況,可對性能下降的電壓傳感器進行更換，及時消除故障隱患,進而保障地鐵的安全運營。該檢測系統(tǒng)目前已經(jīng)在廣州地鐵投入使用,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,安全可靠,并且操作方便,大大提高了設備質(zhì)量,顯示出了很好的應用前景。

[1] 黃賢武.傳感器實際應用電路設計[ M ].成都:電子科技大學出版社,1998.

[2] 邱召運,李述香,范應元,等.霍爾效應傳感器的特殊應用[J].電子技術(shù),2009(4):9-10.

[3] 李朝青.單片機原理及接口技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學出版社,2006.

[4] 馬忠梅.單片機的C語言應用程序設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,2001.

七國鐵路部門簽署《關(guān)于深化中歐班列合作協(xié)議》

2017年4月20日，中國、白俄羅斯、德國、哈薩克斯坦、蒙古、波蘭、俄羅斯等七國鐵路部門正式簽署《關(guān)于深化中歐班列合作協(xié)議》。這是中國鐵路第一次與“一帶一路”沿線主要國家鐵路簽署有關(guān)中歐班列開行方面的合作協(xié)議，標志著中國與沿線主要國家鐵路的合作關(guān)系更加緊密,既為中歐班列的開行提供了更加有力的機制保障，也對進一步密切中國與上述六國的經(jīng)貿(mào)交流合作，助推“一帶一路”建設，具有重要意義。據(jù)中國鐵路總公司有關(guān)負責人介紹，立足于服務“一帶一路”建設，七國鐵路部門簽署的《關(guān)于深化中歐班列合作協(xié)議》，以提高亞歐間鐵路貨運市場份額、帶動沿線國家經(jīng)濟發(fā)展和經(jīng)貿(mào)合作為目標，合力打造中歐班列國際物流品牌，努力為中歐班列深化發(fā)展提供機制保障。據(jù)悉，中歐班列自2011年開行以來，已累計開行3 557列，其中2017年一季度開行593列，同比增長175%，回程班列198列，同比增長187%。目前，中歐班列國內(nèi)開行城市已達27個，覆蓋21個省區(qū)市，到達歐洲11個國家的28個城市。

(摘自2017年4月24日《人民鐵道》報)

Design of Metro Voltage Sensor Detection System

PENG Wei

The working principles of resistive sensor and Hall voltage sensor are introduced. According to their characteristics, a voltage sensor detection system that can test both the resistive sensor and Hall sensor is designed, the hardware circuit and software design of this system are described in detail. The hardware circuit consists of temperature data acquisition circuit, AD data acquisition circuit,clock set circuit,keyboard settings,motor speed control circuit and heating wire control circuit, while in the software design, the monolithic voltage signals are transferred to PC machine after analog-to-digital conversion and comparison calculation, finally to display the real-time curve graphs and back-office functions of voltage signal.

metro train; voltage sensor; voltage signal; detection technology

TP 212.6

10.16037/j.1007-869x.2017.05.018

2016-08-08)