基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的過(guò)渡電阻檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李福川

（濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，山東聊城 250100）

0 引言

目前地鐵主要使用直流供電方式[1-2]，地鐵的直流牽引供電系統(tǒng)中，電流通過(guò)鋼軌回流，而有一部分電流經(jīng)鋼軌雜散流入大地，該部分電流被稱為雜散電流[3-4]。這些雜散電流對(duì)地鐵附近地下或者地面的金屬構(gòu)件，如結(jié)構(gòu)鋼筋、地下管線、通信電纜等會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的化學(xué)腐蝕，使其強(qiáng)度受到嚴(yán)重的破壞，甚至?xí)斐蔀?zāi)難性的意外事故[5-6]。地鐵的軌道對(duì)地過(guò)渡電阻與鋼軌縱向電阻是影響雜散電流的重要因素[7-9]，可靠而準(zhǔn)確地測(cè)量軌道對(duì)地過(guò)渡電阻與鋼軌縱向電阻對(duì)治理雜散電流有著至關(guān)重要的意義。

針對(duì)現(xiàn)有檢測(cè)方法工作量大、需要人力較多、檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)等問(wèn)題，本文在傳統(tǒng)的離線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法基礎(chǔ)上，根據(jù)地鐵實(shí)際結(jié)構(gòu)模式，設(shè)計(jì)了一種新型的地鐵軌道對(duì)地過(guò)渡電阻檢測(cè)系統(tǒng)，便于檢測(cè)人員檢測(cè)軌道對(duì)地過(guò)渡電阻值。檢測(cè)系統(tǒng)最終準(zhǔn)確快速地實(shí)現(xiàn)了軌道對(duì)地電阻的檢測(cè)，并且具有良好的人機(jī)交互功能。

1 檢測(cè)系統(tǒng)總體方案

為了達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量過(guò)渡電阻與縱向電阻的大小、減少人為誤差與后期計(jì)算量、檢測(cè)裝置更加便捷自動(dòng)化以及節(jié)省大量人力與時(shí)間的目標(biāo)，在傳統(tǒng)檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)其檢測(cè)裝置存在的缺點(diǎn)，將原有的人工測(cè)量計(jì)算方法改進(jìn)為自動(dòng)化無(wú)線檢測(cè)裝置，提出基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的新型自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，其整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖?1?所示，主要包括后臺(tái)主機(jī)、無(wú)線傳感器、中央處理單元、恒流電源、顯示控制單元等。檢測(cè)裝置在檢測(cè)軌道對(duì)地過(guò)渡電阻前需對(duì)鋼軌縱向電阻進(jìn)行檢測(cè)，使用的檢測(cè)方法與軌道對(duì)地過(guò)渡電阻檢測(cè)方法有所不同，使用的無(wú)線傳感器數(shù)量與序號(hào)也有所差異。

如圖?1?所示，在檢測(cè)過(guò)渡電阻時(shí)分別在標(biāo)定的鋼軌檢測(cè)區(qū)間段?A、B?端與電流注入端放置?1?號(hào)無(wú)線傳感器、2?號(hào)無(wú)線傳感器、3?號(hào)無(wú)線傳感器和?5?號(hào)無(wú)線傳感器，用以檢測(cè)?A、B?端的鋼軌電壓?UA1、UB1與軌道對(duì)地電壓?URTA、URTB以及電流注入端的軌道對(duì)地電壓?URT和外部直流穩(wěn)流電源注入的電流?IST，同時(shí)該檢測(cè)區(qū)間段距離?L?也可以通過(guò)無(wú)線傳感器?4?測(cè)得并上傳至終端中央處理單元計(jì)算處理。軌道對(duì)地過(guò)渡檢測(cè)裝置在測(cè)量鋼軌縱向電阻時(shí)，無(wú)線傳感器的使用方法與具體布置見(jiàn)圖?1?左上圖，但其檢測(cè)時(shí)必須與軌道對(duì)地過(guò)渡電阻的檢測(cè)分別進(jìn)行。

圖1 基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的新型過(guò)渡電阻檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

所有無(wú)線傳感器從機(jī)由中央處理單元進(jìn)行控制檢測(cè)并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向中央處理單元回傳所測(cè)得的數(shù)據(jù)。中央處理單元收集所有無(wú)線傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)后，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，并分別計(jì)算得出鋼軌縱向電阻與軌道對(duì)地過(guò)渡電阻值，同時(shí)將計(jì)算與收到的所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于?SD?存儲(chǔ)卡中，以便于檢測(cè)結(jié)束后將檢測(cè)數(shù)據(jù)存于后臺(tái)主機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的處理與備份。檢測(cè)系統(tǒng)配有觸摸屏，所有檢測(cè)與計(jì)算得到的數(shù)據(jù)可以在觸摸屏上進(jìn)行直觀的觀察與讀取，而且檢測(cè)系統(tǒng)可以通過(guò)觸摸屏界面的控制按鈕控制各無(wú)線傳感器的工作過(guò)程，檢測(cè)人員可以使用界面的數(shù)據(jù)錄入框設(shè)置部分參數(shù)。

2 無(wú)線傳感器從機(jī)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集傳感器為無(wú)線傳感器，其硬件部分主要包括前段信號(hào)的輸入單元、信號(hào)放大單元、電壓抬升單元、線性光耦隔離單元、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元、中央處理單元、無(wú)線通信模塊。無(wú)線傳感器從機(jī)主要實(shí)現(xiàn)的功能是：分別測(cè)量待測(cè)區(qū)段各指定待測(cè)點(diǎn)的信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)處理，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換單元完成數(shù)模轉(zhuǎn)換后做相應(yīng)的計(jì)算處理，最終通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至中央處理單元。檢測(cè)裝置的無(wú)線傳感器的中央處理單元采用STM32F103C8T6。由于檢測(cè)過(guò)程中沿線同時(shí)檢測(cè)點(diǎn)較多，并且檢測(cè)區(qū)段距離相對(duì)較長(zhǎng)，因此，選取相對(duì)簡(jiǎn)單與便捷的無(wú)線通信。由于設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)的無(wú)線通信距離相對(duì)較大，系統(tǒng)選用了工業(yè)級(jí)長(zhǎng)距離無(wú)線通信模塊nRF24L01+PA+LNA，并且為了保證無(wú)線通信質(zhì)量，增加了外接天線。

軌道對(duì)地過(guò)渡電阻檢測(cè)裝置采集的部分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)比較微弱，為了更加方便與準(zhǔn)確地采集所需數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)最終采用的方案是先將微弱信號(hào)進(jìn)行放大處理，為避免一些干擾信號(hào)，在信號(hào)輸入端并聯(lián)了?2?個(gè)容值較小的濾波電容。運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)電路如圖?2?所示，圖?2?中?R20為增益調(diào)整電阻。

增益?G?的計(jì)算公式為：

電壓抬升電路是依據(jù)同相加法運(yùn)算電路的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的，同相加法運(yùn)算電路原理圖如圖?3?所示，且計(jì)算公式為：

圖2 運(yùn)算放大器電路圖

圖3 同相加法運(yùn)算電路原理圖

為了避免高電壓或高電流串入對(duì)測(cè)量裝置和檢測(cè)人員造成損傷，以及防止傳輸過(guò)來(lái)的干擾信號(hào)隨著有效的采集信號(hào)進(jìn)入到后級(jí)采集系統(tǒng)，需要對(duì)采集系統(tǒng)與測(cè)量信號(hào)之間進(jìn)行有效的電氣隔離，并且同時(shí)降低多電路共地對(duì)信號(hào)傳輸帶來(lái)的干擾。所以，在信號(hào)處理時(shí)增加了光耦隔離，選擇?HCNR201?高線性度光耦隔離芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖?4?所示，圖中?NC?是空角。

輸入端?LED?被導(dǎo)通后，則會(huì)通過(guò)一定大小電流，LED?產(chǎn)生相應(yīng)強(qiáng)度的光照，此時(shí)光敏二極管感應(yīng)生成光電流。因?yàn)?2?個(gè)光敏二極管在線性光耦隔離芯片內(nèi)的安裝位置對(duì)稱，型號(hào)完全相同，所以二者得到的光照強(qiáng)度相同，產(chǎn)生了相等的光電流，光敏二極管上產(chǎn)生的光電流IPD1、IPD2大小與通過(guò)?LED?的電流IF大小成線性關(guān)系，各電流之間存在的關(guān)系：

圖4 HCNR201內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

式（3）中：IPD1、IPD2分別表示光敏二極管?PD1?與光敏二極管?PD2?產(chǎn)生的電流；IF表示二極管?LED?上流過(guò)的電流；G3表示線性光耦隔離的輸入輸出傳輸增益；G1、G2表示芯片中的?2?個(gè)光敏二極管的電流傳輸增益。由上可知，HCNR201?的優(yōu)秀封裝結(jié)構(gòu)、IPD1和IPD2之間嚴(yán)格的線性比例關(guān)系、發(fā)光二極管?LED?與光敏二極管?PD?形成的負(fù)反饋?zhàn)饔煤芎玫乇ＷC了其極高的穩(wěn)定性與極高的線性度。

3 檢測(cè)系統(tǒng)終端軟件設(shè)計(jì)

為了確保所設(shè)計(jì)的地鐵軌道對(duì)地過(guò)渡電阻檢測(cè)裝置具備高性能以及系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，在軟件程序設(shè)計(jì)時(shí)，采用了嚴(yán)格的程序邏輯控制，確保地鐵軌道對(duì)地過(guò)渡電阻檢測(cè)工作的有效順利進(jìn)行。在檢測(cè)過(guò)程中，檢測(cè)人員主要是通過(guò)觸摸屏直觀便捷地控制整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行，其通信主要包括觸摸屏與后臺(tái)主機(jī)通信、后臺(tái)主機(jī)與各傳感器從機(jī)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信。檢測(cè)系統(tǒng)整體控制程序流程框圖如圖?5?所示。

當(dāng)檢測(cè)人員按下采集控制按鈕時(shí)，觸摸屏將相應(yīng)的按鍵信息通過(guò)串口發(fā)送至后臺(tái)主機(jī)，后臺(tái)主機(jī)通過(guò)收到的信息對(duì)按鍵類型進(jìn)行判斷，隨后后臺(tái)主機(jī)將根據(jù)按鍵的具體類型通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向?qū)?yīng)的從機(jī)發(fā)送采集數(shù)據(jù)指令，當(dāng)從機(jī)收到采集數(shù)據(jù)指令后隨即開(kāi)始數(shù)據(jù)采集并保存。從機(jī)采集完數(shù)據(jù)后，后臺(tái)主機(jī)再次通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向同樣的從機(jī)發(fā)送回傳數(shù)據(jù)指令，從機(jī)收到來(lái)自于后臺(tái)主機(jī)的回傳數(shù)據(jù)指令后將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至后臺(tái)主機(jī)。最后后臺(tái)主機(jī)將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理并計(jì)算出對(duì)應(yīng)的過(guò)渡電阻值與縱向電阻值，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至后臺(tái)主機(jī)中的?SD?存儲(chǔ)卡中，繼而將所有的數(shù)據(jù)通過(guò)串口以一定的數(shù)據(jù)包格式發(fā)送至觸摸屏顯示，以供檢測(cè)人員在檢測(cè)過(guò)程中讀取與記錄。觸摸屏的主界面如圖?6?所示。

圖5 系統(tǒng)控制邏輯框圖

主界面的觸摸按鍵區(qū)域主要有?5?個(gè)控制按鍵，包括：復(fù)位按鍵，未通電縱向電阻測(cè)量、通電縱向電阻測(cè)量、未通電過(guò)渡電阻測(cè)量、通電過(guò)渡電阻測(cè)量按鍵。檢測(cè)人員可以通過(guò)界面的復(fù)位按鈕對(duì)觸摸屏與后臺(tái)主機(jī)進(jìn)行復(fù)位操作，其余?4?個(gè)按鍵主要是測(cè)量控制按鍵。測(cè)量過(guò)程需計(jì)算的量主要有鋼軌縱向電阻值與軌道對(duì)地過(guò)渡電阻值。所以，測(cè)量按鍵主要分為兩類：縱向電阻測(cè)量、過(guò)渡電阻測(cè)量。為排除軌道自身干擾信號(hào)對(duì)測(cè)量的影響，需要對(duì)未通電時(shí)的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，使用通電前與通電后的差值進(jìn)行計(jì)算。所以，測(cè)量鋼軌縱向電阻和軌道對(duì)地過(guò)渡電阻均有?2?個(gè)控制按鍵將測(cè)量過(guò)程分為兩步，分別是未通電按鍵與已通電按鍵。

圖6 觸摸屏主界面

4 結(jié)論

（1）本文設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的軌道對(duì)地過(guò)渡電阻檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括后臺(tái)主機(jī)、無(wú)線傳感器、中央處理單元、恒流電源、顯示控制單元等，可實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)同時(shí)采集、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、自動(dòng)計(jì)算、觸摸屏顯示與控制等功能。

（2）充分考慮軌道對(duì)地過(guò)渡電阻檢測(cè)系統(tǒng)的無(wú)線傳感器從機(jī)硬件部分的兼容性與檢測(cè)效果，通過(guò)信號(hào)放大單元模塊、電壓抬升處理及線性隔離單元等滿足單片機(jī)數(shù)模轉(zhuǎn)換對(duì)電壓的范圍要求及檢測(cè)效果。

（3）通過(guò)嚴(yán)格的邏輯控制功能保證檢測(cè)系統(tǒng)的高穩(wěn)定性與可靠性，繼而使用觸摸屏實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)分類直觀顯示，最大地體現(xiàn)出人機(jī)交互以及界面友好的優(yōu)越性。