動車組總配電盤試驗檢測技術(shù)研究

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(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

0 引言

我國CRH2型動車組新造和檢修過程中，需要對車輛的邏輯控制部分進(jìn)行充分的功能確認(rèn)，試驗過程中使用試驗器模擬協(xié)助完成動車組靜調(diào)的相關(guān)試驗，通過設(shè)定檢測回路的通斷來模擬實際電路的高低電平變化，沒有過流保護(hù)功能、邏輯連鎖功能和報警功能。動車組配電盤的基板和子板均為PCB電路板設(shè)計，線路的負(fù)載保護(hù)能力取決于線路板相鄰層間的絕緣層以及銅箔載流量能力。故障一旦發(fā)生致使配電盤設(shè)備燒損、供電中斷。為提高高速列車新造檢修調(diào)試效率，保證軌道交通裝備的安全性、可靠性，在動車組配電盤控制回路中增加檢測保護(hù)裝置，實現(xiàn)對直流回路電流信號采集、存儲，當(dāng)回路中故障發(fā)生時可軟件斷開直流回路預(yù)防過載、過流引起的線路燒損，當(dāng)軟件防護(hù)失效時，采用保險絲熔斷方式實現(xiàn)保護(hù)。兩級保護(hù)機(jī)制能在動車組調(diào)試過程中對配電盤施加保護(hù)，具有實際意義。

1 總體設(shè)計方案

檢測保護(hù)裝置運(yùn)行在配電盤前端，將配電盤檢測保護(hù)裝置串聯(lián)到輸入端線路中，通過對配電盤中線路的電流值進(jìn)行測量，判定控制線路是否存在過流、過載問題。若裝置所測得的線路電流大于軟件設(shè)定的閥值時，系統(tǒng)會通過軟硬件協(xié)同工作方式斷開控制回路，對配電盤進(jìn)行過載、短路保護(hù)。因此配電盤檢測保護(hù)裝置的主要功能有以下4點(diǎn)：

1)具有自檢功能。通電試驗前對總配電盤進(jìn)行自檢，檢查各線路電流無異常，當(dāng)線路電流異常時，有故障提示和報警；

2)具有短路、過載保護(hù)功能；

3)檢測、記錄各線路工作電流，提供記錄數(shù)據(jù)下載接口；

4)顯示屏實時顯示各線路電流值。

1.1 硬件設(shè)計方案

硬件電路分為數(shù)字電路和模擬電路。信號采集電路板為模擬信號采集板，實現(xiàn)電流檢測、線路控制等功能；CPU所在電路板為控制板。模擬電路將采集到的電流信號通過數(shù)據(jù)總線傳輸給主控制器，主控制器對所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。總配電盤設(shè)備檢測保護(hù)裝置與總配電盤、車輛側(cè)電源采用QE連接器連接，一個QE連接器是50芯，即一個QE連接器能夠檢測50條線路，5個QE連接器即可實現(xiàn)對250條線路的檢測。

數(shù)據(jù)采集主要為電流采集。待檢測線路主要為通訊線路，現(xiàn)車運(yùn)行時會進(jìn)行雙向通訊，線路的電流為雙向電流。設(shè)計的采集電路采集250條線路的電流狀態(tài)時，需準(zhǔn)確區(qū)分電流方向。通訊電路電流較小，對檢測精度則有較大要求，檢測電路范圍為-1～1A。

IIC總線技術(shù)采用器件地址的硬件設(shè)置方法，通過軟件尋址避免了器件片選線尋址的方法，硬件系統(tǒng)具有簡單而靈活的擴(kuò)展方法，滿足設(shè)計要求[1]。

數(shù)據(jù)分析處理和存儲功能，該設(shè)備需同時對250條線路的電流狀態(tài)進(jìn)行檢測、分析處理、存儲，對設(shè)備的CPU芯片性能，存儲性能都提出了高要求。電流檢測在原理設(shè)計中有不同的檢測方法。文獻(xiàn)[2]介紹了兩類微電流檢測方法，第一類是把電流轉(zhuǎn)化成已知電阻兩端的電壓降；第二類是電流對放大器中已知電容充電，然后觀察放大器輸出電壓。文獻(xiàn)[3]介紹了電場轉(zhuǎn)換為磁場原理的檢測方法。本設(shè)計選用在線路中串聯(lián)電流感測電阻。

數(shù)據(jù)顯示則需在設(shè)備的顯示屏上對250條線路的電流狀態(tài)進(jìn)行實時顯示，同時提供對設(shè)備的設(shè)置接口。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計圖

圖1為系統(tǒng)硬件設(shè)計圖，控制電路電流經(jīng)過載保護(hù)電路、短路保護(hù)電路、電流感測電阻流入動車組總配電盤。通過芯片的AD轉(zhuǎn)換功能去檢測電阻兩端電壓，用電壓除以電阻阻值后即可得到線路的準(zhǔn)確電流值。因為有250條線路需要檢測，使用傳統(tǒng)的CPU芯片AD端口檢測方式無法實現(xiàn)，于是在此基礎(chǔ)上選擇了相應(yīng)的功能芯片INA226。芯片INA226具備電流檢測功能，同時可用其提供的IIC通訊接口將檢測到的電流值發(fā)送給主控制器。芯片INA226的電流檢測端口的輸入電壓范圍為-81.92～81.92 mV之間，根據(jù)設(shè)備的功能需求，需要檢測的電流范圍為-1～1 A。將阻值為0.07 Ω電流檢測電阻串聯(lián)到信號回路中，INA226對電路檢測電阻電壓進(jìn)行測量。由于動車組直流回路負(fù)載阻值較大，串聯(lián)到回路中的電阻阻值相對回路負(fù)載很小，電阻對回路電流值策略無影響。

INA226將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)IIC總線傳送給主控制器STM32， IIC總線是一種串行通信協(xié)議，串行數(shù)據(jù)通信線有時鐘和數(shù)據(jù)之分。SDA為串行數(shù)據(jù)線，SCL為串行時鐘線。SDA(串行數(shù)據(jù)線)和SCL(串行時鐘線)都是雙向I/O線，接口電路為開漏輸出．需通過上拉電阻接電源VCC[2]。當(dāng)總線空閑時．兩根線都是高電平，連接總線的外同器件都是CMOS器件，輸出級也是開漏電路。主器件用于啟動總線傳送數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生時鐘以開放傳送的器件，此時任何被尋址的器件均被認(rèn)為是從器件．在該系統(tǒng)內(nèi)CPU時鐘為主，其余芯片為從。電流監(jiān)測系統(tǒng)選用IIC接口的原因主要有三個方面：

1)獲取電流時需要知道獲取的電流第1路的電流值還是第100路的電流值，通過IIC擴(kuò)展芯片。IIC電流監(jiān)測芯片地址可以通過硬件配置、軟件獲取，每一個IIC芯片的地址是唯一的，能夠準(zhǔn)確的獲取到每一路的電流。

2)IIC通信需滿足500 ms檢測一次的時間要求，IIC通信頻率設(shè)定400 kHz,完成1次IIC通信一共有36個bit位即獲取1路的電流值需要0.09 ms，獲取100路的電流信息為9 ms左右的時間，遠(yuǎn)小于500 ms一次的周期。

3)可擴(kuò)展性，通過增加IIC硬件檢測板卡，可以實現(xiàn)最多可實現(xiàn)2 048路電流監(jiān)測。

1.1.1 信號采集與保護(hù)電路

目前不同電流檢測技術(shù)被公布和實施：文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]采用新型高精度Rogowski線圈做感應(yīng)元件，設(shè)計一種新型模擬信號處理系統(tǒng)對線圈輸出電壓信號進(jìn)行處理，完成電流的測量和過載保護(hù)功能；文獻(xiàn)[6]采用由MOS管為主要結(jié)構(gòu)組成的電流檢測方法，能夠在實現(xiàn)電流縮放的同時，克服因?qū)﹄娏鳟a(chǎn)生較大影響而使得輸入電流信號有較大改變的問題；文獻(xiàn)[7]采用自適應(yīng)電化學(xué)微電流檢測方法，檢測方法自動化程度高，可靠性強(qiáng)，精度高；文獻(xiàn)[8]采用基于卡爾曼濾波算法設(shè)計一個多通道高精度電壓電流檢測方法，卡爾曼濾波器非常適用于白噪聲激勵的任何平穩(wěn)或非平穩(wěn)隨機(jī)向量過程的估計，所得估計再線性估計中精度最佳。

動車組總配電盤檢測保護(hù)裝置的模擬量采集模塊兼具采集與保護(hù)功能。其中控制系統(tǒng)可以通過輸出通斷信號，通斷被測直流回路。保護(hù)電路選用主控制器控制繼電器實現(xiàn)[9]。設(shè)計基本思路為：當(dāng)主控制器接收到采樣芯片采集到的數(shù)據(jù)后，將采集到的數(shù)據(jù)與軟件設(shè)定閥值比較，若采樣值高于設(shè)定閥值，則主控制芯片輸出中斷檢測指令，被測線路斷開[9]。

為縮短設(shè)計周期，簡化電路設(shè)計配電盤檢測保護(hù)裝置采用傳統(tǒng)的電阻檢測方法，通過在直流回路中串聯(lián)電阻，對電阻電壓進(jìn)行采樣，計算回路電流。

圖2為配電盤檢測保護(hù)裝置的信號采集與保護(hù)電路。電路由快速熔斷保險絲、繼電器、晶體管輸出光耦芯片、采樣芯片INA226構(gòu)成。信號采集電路可實現(xiàn)軟硬件協(xié)同控制，實現(xiàn)線路檢測保護(hù)功能。電路圖中芯片TLP291的2腳受主控制器控制。當(dāng)PORT1為低電平時，發(fā)光二極管導(dǎo)通，使芯片3腳與4腳導(dǎo)通。因為3腳直接接地，繼電器線圈所在電路形成閉合回路，繼電器得電，相應(yīng)觸點(diǎn)閉合，此時控制電路電流經(jīng)繼電器觸點(diǎn)和電流檢測電阻流入總配電盤。

圖2 信號采集與保護(hù)電路

1.1.2 主控制器電路設(shè)計

主控制器選用STM32芯片，該芯片是控制系統(tǒng)的核心。主控制器具備豐富的通信接口選擇。其中UART接口主要用于RS232與屏幕通信，RS485接口實現(xiàn)與上位機(jī)通信，SPI接口用于與外擴(kuò)的Flash存儲芯片通信，IIC接口用于電流檢測芯片及IO擴(kuò)展通信，USB接口用于數(shù)據(jù)下載。數(shù)字電路與模擬電路間通訊選用IIC總線，通過IIC擴(kuò)展芯片對IIC總線進(jìn)行擴(kuò)展，以滿足多通道采集需要[10]。IIC擴(kuò)展芯片為PCA9546A。

系統(tǒng)數(shù)字控制電路原理如圖3所示。STM32作為主控制器控制IIC總線的時序邏輯，電流檢測芯片的主要功能是檢測線路上的電流，主控制器通過IIC總線獲取電流檢測芯片上的電流值。

1.1.3 IIC總線的I/O擴(kuò)展電路

配電盤檢測保護(hù)裝置可通過軟件控制250條線路的通斷，直接使用芯片的GPIO管腳無法控制250路檢測線路通斷。電流檢測電路使用的IIC通訊總線，只需在IIC總線上再增加足夠數(shù)量的I/O擴(kuò)展芯片完成通道擴(kuò)展。IIC總線的I/O擴(kuò)展電路原理如圖4所示。

TCA9555PWR為IIC通訊接口的16位I/O口擴(kuò)展芯片，可通過對一個芯片的控制實現(xiàn)輸出16個控制信號。因為同為IIC接口，可以同時加入檢測芯片的通訊總線內(nèi)，與PCA9546A芯片配合，實現(xiàn)一個IIC接口既檢測電流，又控制線路的通斷功能。

1.1.4 IIC總線擴(kuò)展電路設(shè)計

圖5所示為IIC總線擴(kuò)展電路，擴(kuò)展芯片為PCA9546A。PCA9546A為TI公司的1擴(kuò)4的IIC通訊擴(kuò)展芯片，該芯片可加載到IIC通訊線路上，對線路進(jìn)行擴(kuò)展。通過IIC總線擴(kuò)展，可實現(xiàn)信號的多通道采集。圖中A0、A1為通訊地址配置引腳，可以通過調(diào)整兩引腳接線調(diào)整芯片的IIC通訊地址。

圖3 數(shù)字控制電路原理圖

圖4 IIC總線的I/O擴(kuò)展電路

圖5 IIC總線擴(kuò)展電路

每條IIC通訊線路上可以掛載1個PCA9546A擴(kuò)展芯片，每個擴(kuò)展芯片可以擴(kuò)展四個通訊通道，每個通道可以掛載16個電流檢測芯片，只需要一條IIC通訊總線，一個PCA9546A擴(kuò)展芯片，就可以同時檢測64條通訊線路。主控制器共有4路IIC總線，對每條IIC控制總線擴(kuò)展，最多能夠?qū)崿F(xiàn)256路通道檢測。所設(shè)計的配電盤檢測保護(hù)裝置檢測通道目標(biāo)數(shù)目為250路，在實際硬件電路搭建時，檢測電路檢測通道數(shù)目為100路，后續(xù)通過系統(tǒng)升級完成250路通道檢測目標(biāo)。

主控制器用于啟動總線傳送數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生時鐘以開放傳送的器件，此時任何被尋址的器件均被認(rèn)為是從器件．在該系統(tǒng)內(nèi)CPU時鐘為主，其余芯片為從。

1.2 軟件件設(shè)計方案

動車組總配電盤檢測保護(hù)裝置的軟件部分主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、人機(jī)交互、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋９δ軐崿F(xiàn)代碼以C語言為主，并采用模塊化的設(shè)計，應(yīng)用程序按照高內(nèi)斂、低耦合設(shè)計方法完成設(shè)計，確保了軟件整體的功能性、可靠性、可維護(hù)性、安全性、可移植性[11]。

所設(shè)計系統(tǒng)主控制器STM32程序采用模塊化設(shè)計思想，主要功能模塊有：

1)主程序模塊。主程序是對各種函數(shù)、功能模塊的調(diào)用。

2)初始化模塊。初始化是對主控芯片的所有外設(shè)接口的初始化以及系統(tǒng)自檢。

3)電流檢測模塊。該模塊采用輪詢方式對所監(jiān)測線路電流值進(jìn)行采集，當(dāng)所檢測到的電流值超過閥值時，則通過軟件斷開線路，完成線路保護(hù)。

4)數(shù)據(jù)存儲模塊。該模塊實現(xiàn)檢測線路電流值的存儲；型號信息的設(shè)置、讀取；系統(tǒng)設(shè)置信息的讀取、寫入。

5)屏幕顯示模塊。該模塊響應(yīng)觸摸屏的操作，所以信息通過屏幕顯示。

圖6 STM32程序流程圖

STM32程序的軟件流程圖如圖7所示。動車組總配電盤檢測保護(hù)裝置開機(jī)后首先完成系統(tǒng)初始化工作，對設(shè)備所有的外設(shè)接口進(jìn)行配置，配置完成后，進(jìn)行系統(tǒng)自檢，通過檢測設(shè)備屏幕、外擴(kuò)存儲芯片、和電流芯片，確保系統(tǒng)本身可用性。當(dāng)系統(tǒng)本身可用滿足檢測條件，則開啟電流檢測功能，用戶可對操作屏進(jìn)行操作，完成電流檢測、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。

圖7 配電盤檢測保護(hù)裝置主界面

主界面有記錄查詢、電流檢測、系統(tǒng)設(shè)置、型號管理4個可操作菜單，按下記錄查詢后進(jìn)入線路選擇頁面，通過選擇不同的線路，查看選中線路電流值歷史記錄；按下電流監(jiān)測后進(jìn)入電流監(jiān)測頁面，默認(rèn)刷新顯示QE50路電流值；按下系統(tǒng)設(shè)置進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)置頁面，可以設(shè)置系統(tǒng)時間、屏幕亮度、WIFI的名稱、WIFI密碼、ip地址、遠(yuǎn)程服務(wù)器的端口號、本地端口號、WIFI連接狀態(tài)；按下型號管理進(jìn)入型號管理頁面，不同的型號設(shè)置的電流報警閾值不同，可以快速的切換電流閾值的設(shè)置。

電流監(jiān)測頁面如圖8所示，顯示當(dāng)前應(yīng)用的型號、總線及總線上線路實時電流值，開機(jī)后系統(tǒng)會自動跳轉(zhuǎn)到電流監(jiān)測頁面，默認(rèn)所有線路為斷開，線路電流值為灰色，該頁面有：總線1、總線2、連接、斷開、查看、返回；各操作按鈕的功能進(jìn)行以下說明。

圖8 電流監(jiān)測頁面

2 現(xiàn)場測試實例

產(chǎn)品在現(xiàn)車工作時，是需要斷開車上的QE連接器，將設(shè)備串聯(lián)在車上的總配電盤的控制線上，因此需要設(shè)備的外部連接器也必須是QE連接器，一端為插頭、一端為插座，將保護(hù)裝置在車上安裝總配電盤的配電柜外使用，使用該裝置時需將配電盤輸入端QE連接器拔下，將保護(hù)裝置串聯(lián)到配電盤輸入端線路內(nèi)。系統(tǒng)開機(jī)進(jìn)入待機(jī)頁面，檢測保護(hù)裝置功能實現(xiàn)需執(zhí)行以下操作：

第一步：點(diǎn)擊待機(jī)頁面系統(tǒng)設(shè)置按鍵。系統(tǒng)設(shè)置頁面界面如圖2所示。系統(tǒng)設(shè)置界面能夠設(shè)置系統(tǒng)的時間、液晶背光亮度、接入WIFI的名稱、密碼、服務(wù)器ip地址、接口號、本地接口號、連接WIFI、斷開WIFI、系統(tǒng)設(shè)置保存、WIFI狀態(tài)顯示。系統(tǒng)開機(jī)后自動連接上一次連接的無線路由，如果需要重新連接，需要修改完系統(tǒng)配置后，先按【保存】，再按【連接】才重新連接，否則仍然使用上一次系統(tǒng)配置。

第二步：在上一步完成無線路由連接后，點(diǎn)擊【返回】按鍵，界面重新跳回到待機(jī)頁面界面。點(diǎn)擊待機(jī)頁面界面的【型號管理】按鍵，系統(tǒng)會彈出型號管理界面。

第三步：型號管理界面點(diǎn)擊【修改】按鍵進(jìn)入閥值配置頁面。可根據(jù)具體試驗車型在閥值配置界面對線路閥值、型號名稱進(jìn)行修改，按下【保存】按鍵保存當(dāng)前配置。按下【返回】按鍵界面跳回到型號管理界面。

第四步：在型號管理界面選中當(dāng)前車型型號，點(diǎn)擊【應(yīng)用】按鍵，應(yīng)用后各路線的閥值使用選中的車型。點(diǎn)擊型號管理界面【返回】按鍵后，系統(tǒng)界面重新跳回系統(tǒng)待機(jī)界面。

第五步：完成型號管理后，點(diǎn)擊型號管理界面【返回】按鍵，系統(tǒng)界面重新跳回系統(tǒng)待機(jī)界面。點(diǎn)擊系統(tǒng)待機(jī)界面【電流檢測】按鍵，會彈出電流檢測界面。

第六步：電路檢測頁面下能夠顯示當(dāng)前應(yīng)用的型號、總線及總線上路線實時電流值。默認(rèn)所有線路為斷開，線路電流值為灰色。按下【總線1】，電流檢測界面刷新顯示總線1線路的電流值，按下【總線2】，電流檢測界面刷新顯示總線2線路的電流值。

第七步：電路檢測界面可選擇多條線路，選中后線路為黑色，按下【連接】選通選中的線路，選通后的線路為綠色，啟動按鍵燈亮。選擇多條選通后的線路，選中后線路為黑色，按下【斷開】斷開選中的路線，斷開后的線路為灰色，啟動按鍵燈滅。電路檢測界面，不論線路是否連接，系統(tǒng)都會實時刷新電流值，正常狀態(tài)下電流值顯示為綠色，當(dāng)電流值超過閥值時顯示為紅色。按下【查看】按鍵，查看該型號線路設(shè)定的電流閥值。按下【返回】按鍵，界面回到待機(jī)界面。

第八步：點(diǎn)擊系統(tǒng)待機(jī)界面【記錄查詢】按鍵，檢測會彈出記錄查詢界面。默認(rèn)進(jìn)入該頁面顯示總線1的線路，按下【總線1】或【總線2】，選擇路線后查看選中路線的歷史記錄。

第九步：歷史記錄界面可以顯示型號名稱、電流值、時間、當(dāng)前頁數(shù)、總頁數(shù)、數(shù)據(jù)導(dǎo)出狀態(tài)。按下【上一頁】按鍵，查看上一頁數(shù)據(jù)，按下【下一頁】按鍵，查看下一頁數(shù)據(jù)，按下【W(wǎng)IFI導(dǎo)出】按鍵，通過WIFI將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到服務(wù)器，按下【U盤導(dǎo)出】按鍵，數(shù)據(jù)通過U盤將該線路數(shù)據(jù)導(dǎo)出到U盤。歷史記錄在使用U盤導(dǎo)出時，需要將之前導(dǎo)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，按下【U盤導(dǎo)出】按鍵后會將之前導(dǎo)出的數(shù)據(jù)覆蓋，導(dǎo)出完后會進(jìn)行提示。按下【返回】按鍵，返回到待機(jī)界面。

配電盤檢測保護(hù)裝置現(xiàn)車測試連接如圖9所示，按照測試步驟可對司機(jī)臺部分控制指令線電流值完成檢測。檢測保護(hù)裝置對總配電盤內(nèi)CN1連接器與CN2連接器中信號線檢測。

3 結(jié)束語

完成配電盤檢測保護(hù)裝置軟硬件設(shè)計。檢測保護(hù)裝置由數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)字控制電路、輔助電路組成。檢測保護(hù)裝置能對配電盤線路上的電流進(jìn)行采集，記錄和傳輸，當(dāng)線路上出現(xiàn)過載、過流時及時斷開信號回路，實現(xiàn)保護(hù)作用。

針對裝置單CPU控制通信接口數(shù)量不足，在硬件電路上完成IIC總線擴(kuò)展和IIC總線I/O擴(kuò)展，實現(xiàn)了多通道電流檢測，解決了多通道大數(shù)據(jù)量傳輸速率不足問題。為抑制電流檢測通道間相互干擾，選用IIC通信總線隔離芯片，實現(xiàn)通道間的電氣隔離，提高了采樣精度。

針對現(xiàn)車調(diào)試工況，所設(shè)計檢測電路可檢測控制回路中雙向電流，控制電路可通斷回路中雙向電流，顯示屏可顯示正負(fù)電流。在信號控制回路中出現(xiàn)過載、短路情況時，軟硬件協(xié)同控制信號回路，實現(xiàn)線路過流、短路防護(hù)。

為優(yōu)化人機(jī)交互體驗，豐富系統(tǒng)界面內(nèi)容和功能，選用支持文本、控件操作的液晶顯示屏，同時主控制器與顯示屏采用串口通信，簡化了開發(fā)流程和開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本。

針對無線通信技術(shù)在工程上的廣泛應(yīng)用，在主控制器上外接WIFI模塊，實現(xiàn)了采樣數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程共享。