靳雨辰，周國平，徐 磊，于 景

（南京林業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，南京 210037）

0 引言

動(dòng)車檢修過程中接地樁可靠接地是對(duì)工作人員人身安全和設(shè)備安全的重要保證。目前，我國動(dòng)車檢修段依然采用人工攜帶手持式鉗表進(jìn)行回路電阻測(cè)量，國內(nèi)暫無專門針對(duì)動(dòng)車檢修特殊環(huán)境所設(shè)計(jì)的回路電阻測(cè)試儀，而傳統(tǒng)回路電阻測(cè)試儀普遍存著功能單一、安裝受限、測(cè)量不方便等缺點(diǎn)[1～6]。為此，文章提出了一種基于STM32的動(dòng)車回路電阻在線測(cè)試儀，采用穿線式設(shè)計(jì)，利用接觸網(wǎng)兩端掛接接地線，形成“接觸網(wǎng)-接地線-鐵軌”回路。通過本地回路電阻在線測(cè)試儀配合遠(yuǎn)程終端形成一整套在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、自動(dòng)報(bào)警等功能。大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該測(cè)試儀無需開機(jī)校準(zhǔn)，測(cè)量精度高，測(cè)量范圍寬，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)檢修段整段回路電阻的在線監(jiān)測(cè)。從而有效排除接地安全隱患，保護(hù)檢修人員的人身安全和設(shè)備安全。

1 檢測(cè)原理

動(dòng)車檢修段每號(hào)車道的出入口均通過接地線和接地開關(guān)進(jìn)行接地，由“接觸網(wǎng)-接地線-鐵軌”形成接觸網(wǎng)回路。測(cè)試儀利用雙鉗口法對(duì)該回路的電壓、電流參量進(jìn)行采集。測(cè)試儀的檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1 檢測(cè)原理圖

電壓互感器線圈Ng作為激勵(lì)線圈，電流互感器線圈Nr作為接收線圈。e為電壓線圈所產(chǎn)生的交流電壓，E為被測(cè)接觸網(wǎng)回路中通過電磁感應(yīng)所產(chǎn)生的電壓信號(hào)（單位V），如式(1)所示：

電壓E在被測(cè)接觸網(wǎng)回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流I（單位A）。通過感應(yīng)電流I，電流互感器將產(chǎn)生電流信號(hào)i（單位A），如式(2)所示：

根據(jù)歐姆定律，可計(jì)算出被測(cè)接觸網(wǎng)回路的電阻R（單位Ω），如式(3)所示，其中，K為比例系數(shù)[7]：

根據(jù)上式計(jì)算出的接地系統(tǒng)回路電阻，將通過觸摸屏和上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

動(dòng)車回路電阻在線測(cè)試儀由信號(hào)激勵(lì)模塊、信號(hào)檢測(cè)模塊以及控制與顯示模塊三部分組成?？傮w方案設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 總體設(shè)計(jì)框圖

信號(hào)激勵(lì)模塊由正弦激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路、功率放大電路以及帶通濾波電路組成。測(cè)試儀通過正弦激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生960Hz的激勵(lì)信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過功率放大以及帶通濾波電路處理后，將作為雙鉗口法采集的激勵(lì)源。

信號(hào)檢測(cè)模塊包括信號(hào)調(diào)理電路以及A/D轉(zhuǎn)換電路。采集到的電參量通過信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行有效值轉(zhuǎn)換以及去除干擾，然后送至STM32內(nèi)部的12位A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理。

控制與顯示模塊包括報(bào)警電路、人機(jī)交互界面和上位機(jī)系統(tǒng)。人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)顯示測(cè)量值，工作人員可通過人機(jī)交互界面設(shè)置報(bào)警閾值，測(cè)試儀在測(cè)量值大于報(bào)警閾值時(shí)，將會(huì)對(duì)外進(jìn)行報(bào)警閉鎖。后臺(tái)上位機(jī)系統(tǒng)則可以向調(diào)度室內(nèi)的工作人員實(shí)時(shí)反映監(jiān)測(cè)情況，并形成監(jiān)測(cè)報(bào)表。

2.2 信號(hào)激勵(lì)模塊

2.2.1 正弦激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路

文章采用ICL8038作為正弦信號(hào)發(fā)生器。為了避免工頻干擾，設(shè)計(jì)的激勵(lì)信號(hào)頻率應(yīng)為50Hz的非整數(shù)倍。同時(shí)為了配合配套的電流傳感器和電壓傳感器，文章使用的信號(hào)頻率為960Hz。正弦激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路如圖3所示。

圖3 正弦激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路

正弦波信號(hào)由2腳輸出，通過調(diào)節(jié)電位器RW1阻值大小改變輸出的正弦波頻率。電位器RW2用于改變輸出信號(hào)的失真度。

2.2.2 功率放大電路

由于ICL8038的驅(qū)動(dòng)能力不足，需要對(duì)輸出信號(hào)的功率進(jìn)行放大處理。功率放大電路如圖4所示。

圖4 功率放大電路

選用TDA2030集成功率放大器對(duì)輸出的正弦信號(hào)進(jìn)行功率放大。電容C3濾除信號(hào)中的直流成分，旁路電容C4、C5則降低了電源對(duì)地的交流阻抗。二極管D4、D5保護(hù)輸出電路，R7、R8則構(gòu)成了反饋電路。因此，電路穩(wěn)定可靠，具有一定的抗干擾能力。

2.2.3 帶通濾波電路

工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，ICL8038產(chǎn)生的正弦信號(hào)可能會(huì)混疊工頻干擾和高頻雜波，為此設(shè)計(jì)的帶通濾波電路如圖5所示。

圖5 帶通濾波電路

帶通濾波電路只允許選定頻段的信號(hào)通過，可以有效的濾除工頻干擾和一些高頻雜波，其中心角頻率為[8]：

通過改變R10、R11、R12、C7、C8的值，可以選定通過的頻段，文章選擇通過的頻段為910Hz～1010Hz。

2.3 信號(hào)檢測(cè)模塊

2.3.1 信號(hào)調(diào)理電路

在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換前，需要將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為正電壓的直流信號(hào)。為此設(shè)計(jì)了如圖6所示的信號(hào)調(diào)理電路。

圖6 信號(hào)調(diào)理電路

采用AD736作為交直流轉(zhuǎn)換芯片，對(duì)正弦交流信號(hào)有效值進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到直流信號(hào)。工作電壓為±12V，2腳為信號(hào)輸入腳，6腳為信號(hào)輸出腳。濾波電容C9、C12、C13，可濾除高頻干擾，電容C10則起到隔直作用。雙向限幅二極管D7、D8起到過壓保護(hù)作用。因此，電路整體轉(zhuǎn)換精度高，靈敏度好。

2.3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

測(cè)試儀選用STM32F103為控制核心，使用其內(nèi)部自帶的12位A/D轉(zhuǎn)換，其最高工作頻率可達(dá)72MHz，具有SPI、I2C等多種通訊接口，使用方便[9,10]。

2.4 控制與顯示模塊

觸摸屏作為人機(jī)交互界面，可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的輸入與顯示。開機(jī)后可通過觸摸屏輸入報(bào)警閾值，并在檢測(cè)時(shí)實(shí)時(shí)顯示測(cè)量值。當(dāng)測(cè)量值大于報(bào)警閾值時(shí)，表明接地存在安全隱患，測(cè)試儀進(jìn)行聲光報(bào)警輸出，提示現(xiàn)場(chǎng)工作人員。同時(shí)，發(fā)送信息至后臺(tái)上位機(jī)系統(tǒng)，調(diào)度室內(nèi)將實(shí)時(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)圖如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖

系統(tǒng)上電后，首先對(duì)各模塊進(jìn)行初始化，包括對(duì)硬件電路初始化、中斷初始化、時(shí)鐘初始化等。為保證安全性，需通過在觸摸屏或后臺(tái)上位機(jī)上輸入密碼進(jìn)行專業(yè)人員身份確認(rèn)。身份確認(rèn)后，可設(shè)定報(bào)警閾值。之后自動(dòng)進(jìn)入U(xiǎn)/I參數(shù)采集程序，得到回路電阻值R并通過觸摸屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)通過串口通訊將監(jiān)測(cè)值實(shí)時(shí)發(fā)送給后臺(tái)上位機(jī)。若實(shí)監(jiān)測(cè)的阻值超過了設(shè)定的報(bào)警閾值，測(cè)試儀將進(jìn)行聲光報(bào)警并控制相關(guān)繼電器閉鎖，觸摸屏界面變?yōu)閳?bào)警界面，并向后臺(tái)上位機(jī)發(fā)送報(bào)警指令。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)準(zhǔn)確度測(cè)試環(huán)境選擇為沈陽動(dòng)車段半戶外式檢修車間，測(cè)試時(shí)間為2018年6月，環(huán)境溫度28℃，采用1Ω～10Ω和20Ω精密電阻作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試電阻，使用ETCR2000手持式鉗形接地電阻測(cè)試儀測(cè)量值作為對(duì)照值，測(cè)量值為多次測(cè)試后取得的平均值，實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 準(zhǔn)確度測(cè)試測(cè)量數(shù)據(jù)

由表1可知，測(cè)試儀測(cè)量值的相對(duì)誤差明顯小于鉗表測(cè)量值，測(cè)量更精確。測(cè)試儀最大相對(duì)誤差為3.33%，滿足工程上≤7%的要求。與手持式鉗表相比，精度更高，而且能夠?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測(cè)，使用安裝方便。經(jīng)過長(zhǎng)期的運(yùn)行和實(shí)驗(yàn)所得大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)量準(zhǔn)確。

5 結(jié)語

文章設(shè)計(jì)了一種動(dòng)車回路電阻在線測(cè)試儀，采用非接觸式設(shè)計(jì)，配合人機(jī)交互界面和遠(yuǎn)程終端形成了一套動(dòng)車檢修段回路電阻在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)在沈陽、長(zhǎng)春、通遼等動(dòng)車段已經(jīng)投入試驗(yàn)運(yùn)行。經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行和實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，測(cè)量精度高，使用安全方便，能夠滿足對(duì)我國高速鐵路接地系統(tǒng)安全性在線監(jiān)測(cè)的要求，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。