基于STM32的動車回路電阻在線測試儀設(shè)計

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

動車檢修過程中接地樁可靠接地是對工作人員人身安全和設(shè)備安全的重要保證。目前，我國動車檢修段依然采用人工攜帶手持式鉗表進(jìn)行回路電阻測量，國內(nèi)暫無專門針對動車檢修特殊環(huán)境所設(shè)計的回路電阻測試儀，而傳統(tǒng)回路電阻測試儀普遍存著功能單一、安裝受限、測量不方便等缺點(diǎn)[1～6]。為此，文章提出了一種基于STM32的動車回路電阻在線測試儀，采用穿線式設(shè)計，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試儀配合遠(yuǎn)程終端形成一整套在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精確測量、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、自動報警等功能。大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該測試儀無需開機(jī)校準(zhǔn)，測量精度高，測量范圍寬，可以實(shí)現(xiàn)對檢修段整段回路電阻的在線監(jiān)測。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 檢測原理

動車檢修段每號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。測試儀利用雙鉗口法對該回路的電壓、電流參量進(jìn)行采集。測試儀的檢測原理如圖1所示。

圖1 檢測原理圖

電壓互感器線圈Ng作為激勵線圈，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為被測接觸網(wǎng)回路中通過電磁感應(yīng)所產(chǎn)生的電壓信號（單位V），如式(1)所示：

電壓E在被測接觸網(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i（單位A），如式(2)所示：

根據(jù)歐姆定律，可計算出被測接觸網(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)時顯示。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 總體方案設(shè)計

動車回路電阻在線測試儀由信號激勵模塊、信號檢測模塊以及控制與顯示模塊三部分組成。總體方案設(shè)計如圖2所示。

圖2 總體設(shè)計框圖

信號激勵模塊由正弦激勵信號發(fā)生電路、功率放大電路以及帶通濾波電路組成。測試儀通過正弦激勵信號發(fā)生電路產(chǎn)生960Hz的激勵信號，該信號經(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源。

信號檢測模塊包括信號調(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)時顯示測量值，工作人員可通過人機(jī)交互界面設(shè)置報警閾值，測試儀在測量值大于報警閾值時，將會對外進(jìn)行報警閉鎖。后臺上位機(jī)系統(tǒng)則可以向調(diào)度室內(nèi)的工作人員實(shí)時反映監(jiān)測情況，并形成監(jiān)測報表。

2.2 信號激勵模塊

2.2.1 正弦激勵信號發(fā)生電路

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

圖3 正弦激勵信號發(fā)生電路

正弦波信號由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用于改變輸出信號的失真度。

2.2.2 功率放大電路

由于ICL8038的驅(qū)動能力不足，需要對輸出信號的功率進(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集成功率放大器對輸出的正弦信號進(jìn)行功率放大。電容C3濾除信號中的直流成分，旁路電容C4、C5則降低了電源對地的交流阻抗。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)場環(huán)境復(fù)雜，ICL8038產(chǎn)生的正弦信號可能會混疊工頻干擾和高頻雜波，為此設(shè)計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 信號檢測模塊

2.3.1 信號調(diào)理電路

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

圖6 信號調(diào)理電路

采用AD736作為交直流轉(zhuǎn)換芯片，對正弦交流信號有效值進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到直流信號。工作電壓為±12V，2腳為信號輸入腳，6腳為信號輸出腳。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警閾值，并在檢測時實(shí)時顯示測量值。當(dāng)測量值大于報警閾值時，表明接地存在安全隱患，測試儀進(jìn)行聲光報警輸出，提示現(xiàn)場工作人員。同時，發(fā)送信息至后臺上位機(jī)系統(tǒng)，調(diào)度室內(nèi)將實(shí)時反映現(xiàn)場監(jiān)測情況?，F(xiàn)場監(jiān)測圖如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場監(jiān)測圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

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，首先對各模塊進(jìn)行初始化，包括對硬件電路初始化、中斷初始化、時鐘初始化等。為保證安全性，需通過在觸摸屏或后臺上位機(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)定報警閾值。之后自動進(jìn)入U/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)時顯示。同時通過串口通訊將監(jiān)測值實(shí)時發(fā)送給后臺上位機(jī)。若實(shí)監(jiān)測的阻值超過了設(shè)定的報警閾值，測試儀將進(jìn)行聲光報警并控制相關(guān)繼電器閉鎖，觸摸屏界面變?yōu)閳缶缑?，并向后臺上位機(jī)發(fā)送報警指令。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)準(zhǔn)確度測試環(huán)境選擇為沈陽動車段半戶外式檢修車間，測試時間為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)測試電阻，使用ETCR2000手持式鉗形接地電阻測試儀測量值作為對照值，測量值為多次測試后取得的平均值，實(shí)際測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 準(zhǔn)確度測試測量數(shù)據(jù)

由表1可知，測試儀測量值的相對誤差明顯小于鉗表測量值，測量更精確。測試儀最大相對誤差為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在線監(jiān)測，使用安裝方便。經(jīng)過長期的運(yùn)行和實(shí)驗(yàn)所得大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，該監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，測量準(zhǔn)確。

5 結(jié)語

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