范天祥 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海機(jī)務(wù)段

機(jī)車(chē)蓄電池電壓、受電弓風(fēng)壓以及主變壓器油溫均為機(jī)車(chē)的主要運(yùn)行參數(shù)，直接影響電力機(jī)車(chē)是否能正常使用。目前相關(guān)參數(shù)需要乘務(wù)人員到特定地點(diǎn)觀察，不能實(shí)時(shí)掌握，給機(jī)車(chē)安全運(yùn)用帶來(lái)較大不便。研制“機(jī)車(chē)蓄電池電壓、升弓風(fēng)壓、主變壓器油溫實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置”（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“裝置”）不僅能對(duì)以上關(guān)鍵數(shù)據(jù)集中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還能在被監(jiān)測(cè)對(duì)象出現(xiàn)異常時(shí)給予報(bào)警提醒，及時(shí)采取相應(yīng)措施處理，避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大而影響行車(chē)安全。裝置能提高機(jī)車(chē)運(yùn)用效率，降低乘務(wù)員的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少機(jī)車(chē)運(yùn)用的安全隱患。

1 研制目標(biāo)

裝置對(duì)各項(xiàng)參數(shù)實(shí)時(shí)采集、處理，判斷機(jī)車(chē)狀態(tài)是否符合要求，準(zhǔn)確、快捷地反映機(jī)車(chē)相應(yīng)設(shè)備的當(dāng)前工作狀態(tài)，通過(guò)CPU處理器的內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較和處理，監(jiān)測(cè)到異常時(shí)，能實(shí)時(shí)報(bào)警和提醒,在終端顯示器直觀顯示并語(yǔ)音報(bào)警提醒，省工省力，有效降低乘務(wù)員勞動(dòng)強(qiáng)度，保障機(jī)車(chē)運(yùn)用的安全。

2 設(shè)計(jì)方案

集成了主變壓器油溫信號(hào)、受電弓風(fēng)源壓力信號(hào)、蓄電池電壓信號(hào)的多路監(jiān)測(cè)功能，以完成機(jī)車(chē)在運(yùn)用時(shí)對(duì)機(jī)車(chē)各項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)實(shí)行全面監(jiān)測(cè)。

裝置實(shí)時(shí)采集機(jī)車(chē)各項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)車(chē)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控及報(bào)警。由LCD顯示器數(shù)字直觀顯示，并確認(rèn)機(jī)車(chē)各項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)是否正常。

裝置的終端顯示器采用高分辨率彩色液晶顯示器及高質(zhì)量的喇叭，顯示界面清楚、直觀，語(yǔ)音提示清晰、準(zhǔn)確。

裝置有電參數(shù)測(cè)量和提醒報(bào)警信號(hào)產(chǎn)生兩大功能。為了提高實(shí)時(shí)性，及時(shí)采集電力機(jī)車(chē)在運(yùn)行中的各項(xiàng)參數(shù)，以便發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)是否異常。采用了CPU集中控制處理的電路結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效化。

3 主要組成

裝置主要由CPU控制單元、電源部分、檢測(cè)控制部分、信號(hào)調(diào)理部分、報(bào)警提醒以及顯示終端部分等組成。

3.1 CPU控制單元

為了能同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)發(fā)送和多路信號(hào)測(cè)量，滿足實(shí)時(shí)性的要求，檢測(cè)裝置采用了32位的STM32F103系列ARM微處理器。利用其處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、功耗低、接口多的特點(diǎn)，完成了數(shù)據(jù)的采集、參數(shù)設(shè)定、信號(hào)處理運(yùn)算與輸出等工作。

3.2 電源部分

裝置輸入電源為機(jī)車(chē)控制電源，技術(shù)條件為DC77V～137.5V?？紤]到可靠性及抗干擾性，電源系統(tǒng)采用模塊化電源，在電源的輸入/輸出部分充分考慮電子系統(tǒng)的EMI，符合機(jī)車(chē)相應(yīng)規(guī)范。

3.3 檢測(cè)控制部分

（1）電流、電壓信號(hào)調(diào)理電路

本裝置設(shè)置了兩路電流/電壓信號(hào)調(diào)理電路,一路用于監(jiān)測(cè)受電弓風(fēng)源壓力信號(hào)，另一路預(yù)留，以滿足對(duì)其他設(shè)備監(jiān)測(cè)的需要。原理圖見(jiàn)圖1。

圖1 電流、電壓信號(hào)調(diào)理電路

運(yùn)算放大器選用LM258，它具有高增益、低漂移、分辨率高、線性度好、輸入阻抗高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。選用的取樣電阻R62為0.1%的超高精度電阻，提高了信號(hào)轉(zhuǎn)換的精度，確保了后續(xù)信號(hào)處理準(zhǔn)確性。

本電路電阻R61為0 Ω，電阻R62為250 Ω，將受電弓風(fēng)源壓力變送器送出的4 mA～20 mA信號(hào)轉(zhuǎn)換成1V～5V的電壓信號(hào),經(jīng)過(guò)由運(yùn)放組成的射級(jí)跟隨電路后輸出，經(jīng)限幅濾波后送入A/D采樣。

（2）溫度信號(hào)調(diào)理電路

本裝置設(shè)置了兩路溫度信號(hào)調(diào)理電路，一路用于監(jiān)測(cè)主變壓器油溫信號(hào)，另一路預(yù)留，以滿足對(duì)其他設(shè)備監(jiān)測(cè)的需要。原理圖見(jiàn)圖2。

圖2 溫度信號(hào)調(diào)理電路

運(yùn)算放大器選用也是LM258，此電路中所有電阻均為0.1%的超高精度電阻，保證了信號(hào)轉(zhuǎn)換的精度，確保了后續(xù)信號(hào)處理準(zhǔn)確性。

本電路中的電橋測(cè)試所用的+3V為REF3030輸出的參考電壓，輸出精度為0.2%，保證了對(duì)PT100鉑電阻測(cè)試的穩(wěn)定。電路中電阻R81、R82、R83為100Ω，電橋輸出的電壓為PT100鉑電阻在100Ω以上的電壓差0mV～61.24mV（對(duì)應(yīng)0℃～120℃），經(jīng)過(guò)運(yùn)放U12組成的放大電路（放大50倍）后輸出0V～3.062V，經(jīng)限幅濾波后送入A/D采樣。

（3）語(yǔ)音功放電路

語(yǔ)音信號(hào)由專(zhuān)用語(yǔ)音芯片輸出后，進(jìn)入由TDA2003功放芯片組成的功率放大電路，此芯片驅(qū)動(dòng)能力最大可達(dá)10 W，輸出級(jí)經(jīng)由電容濾波后驅(qū)動(dòng)喇叭。此電路的特點(diǎn)是語(yǔ)音信號(hào)不失真，工作穩(wěn)定，帶負(fù)載能力強(qiáng)，可靠性高。原理圖見(jiàn)圖3。

圖3 語(yǔ)音功放電路

（4）開(kāi)關(guān)量信號(hào)處理電路

110V開(kāi)關(guān)量信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻R31、R32分壓，電容C31濾波后由光耦U8輸出3.3V電平，再經(jīng)電阻R34和電容C32的限流濾波后輸出。原理圖見(jiàn)圖4。

圖4 開(kāi)關(guān)量信號(hào)處理電路

3.4 信號(hào)調(diào)理部分

（1）溫度信號(hào)采用的是PT100鉑熱電阻，通過(guò)輸入恒流源將電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)再做后續(xù)處理。在A/D采樣前端需對(duì)溫度對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的電壓信號(hào)進(jìn)行變換、調(diào)理、濾波等處理，以保證單片機(jī)采用信號(hào)的真實(shí)、準(zhǔn)確。

（2）壓力信號(hào)采用的是通過(guò)壓力變送器轉(zhuǎn)換為電流型信號(hào)，信號(hào)處理電路相對(duì)簡(jiǎn)單。在單片機(jī)采用前端需對(duì)壓力變送器信號(hào)進(jìn)行變換、調(diào)理、濾波等處理，以保證單片機(jī)采用信號(hào)的真實(shí)、準(zhǔn)確。

（3）蓄電池電壓信號(hào)采用的是通過(guò)電壓傳感器轉(zhuǎn)換成電壓型信號(hào)，信號(hào)處理電路相對(duì)簡(jiǎn)單。在單片機(jī)采樣前端需對(duì)電壓傳感器信號(hào)進(jìn)行變換、調(diào)理、濾波等處理，以保證單片機(jī)采用信號(hào)的真實(shí)、準(zhǔn)確。

（4）開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)是為滿足系統(tǒng)對(duì)機(jī)車(chē)工作狀態(tài)的識(shí)別，為此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一路輸入通道，其輸入電平為DC110V，通過(guò)光電隔離后轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能識(shí)別的電平信號(hào)。

3.5 報(bào)警提醒以及顯示終端部分

單片機(jī)生成報(bào)警控制信號(hào)，控制語(yǔ)音芯片將預(yù)置的語(yǔ)音信息通過(guò)功放后驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)聲。

顯示終端采用液晶屏加喇叭組合，顯示終端與裝置主機(jī)采用通訊的方式實(shí)現(xiàn)信息交換，主機(jī)將所需顯示的各種信息發(fā)送給顯示終端進(jìn)行顯示及語(yǔ)音播放。

4 主要性能及技術(shù)指標(biāo)

4.1 使用環(huán)境條件

（1）輸入電源電壓：DC77V～137.5V；

（2）環(huán)境溫度范圍：-25℃～70℃；

（3）環(huán)境濕度范圍：相對(duì)濕度≤95%（25℃時(shí)）。

4.2 技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)

（1）主變壓器油溫范圍：0℃～120℃；

（2）受電弓風(fēng)源壓力范圍：0 kPa～1 000 kPa；

（3）蓄電池電壓范圍：DC77V～137.5V；

（4）電鑰匙開(kāi)關(guān)量信號(hào)：>60V，高電平，<20V，低電平。

5 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)車(chē)蓄電池電壓、升弓風(fēng)壓、主變壓器油溫實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置的研制成功并投入使用以來(lái)，能夠?qū)\(yùn)行機(jī)車(chē)蓄電池電壓、升弓風(fēng)壓、主變壓器油溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)發(fā)生異常情況進(jìn)行報(bào)警提示，方便了乘務(wù)人員對(duì)機(jī)車(chē)關(guān)鍵參數(shù)的查看，更為機(jī)車(chē)運(yùn)行安全帶來(lái)保障。