基于AVR的接觸網作業車高壓防護系統設計

代富強，白建龍

國能新朔鐵路有限責任公司供電分公司，內蒙古鄂爾多斯，010323

0 引言

傳統意義上的電氣化鐵道接觸網作業車在作業之前，都必須嚴格檢測作業區域接觸網以及回流線的電壓，只有確定所測區域不帶電才能開始作業。而現有的檢測高壓線電壓的方式是利用高壓檢測桿直接與回流線或者接觸網接觸，該模式不僅不方便自動控制、操作復雜，而且工作效率低下。同時，該系統還不具備檢測報警裝置。本研究的新系統設置了接觸網作業車平臺安全保護裝置，可以有效地檢測接觸網以及兩側回流線的電壓，如果存在不安全的因素，報警器就會發出警告，切實保證了作業人員的人身安全。

1 接觸網高壓防護系統的總體設計方案

該系統的總體設計方案包括兩大部分：一是可以檢測到接觸網高壓電的報警裝置，二是依托該報警裝置的聯運接地設施。如果檢測到高電壓存在于接觸網，天窗電控鎖就會呈現閉鎖狀態，不會升起接地設施，高壓告警裝置利用聲光警告作業者該區域有高壓電；相反，檢測到不存在高電壓時，系統提示安全作業的狀態，自動打開天窗和升起接地裝置，接觸網呈現對地短路，以防止高電壓的意外出現。該情況下，作業人員便可以開始作業。該系統設計的重要宗旨就是高可靠性和高抗干擾性，所以要以可行性為前提，選擇出最可靠、最穩定的設計方案。

該系統分為三個部分：檢測高壓與警報、電控系統和機械接地設施。但本研究主要是分析前兩個部分。

2 系統中AVR單片機的選擇和主要特征

在該系統中通常都會應用單機片，以應對算法和控制的復雜性。當前，單片機的種類很多，但為了提升系統抗干擾性和可靠性，該系統選擇的單片機為ATMEL產品。該AVR單片機具備功耗低、高可靠性、高速度、功能強、價格低等特點，這些關鍵的優勢讓AVR單片機市場份額劇增。在AVR結構中ATmegal28為8位低功耗 CMOS微處理器。但基于ATmegal28單周期指令執行時間和先進的指令集，其數據吞吐率可高達1MIPS/MHz，明顯解決了系統在功耗和處理速度之間的沖突[1]。

3 接觸網作業車高壓防護系統硬件設計

3.1 單片機電源設計

本系統AVR單片上設計電復位的要求是lms, 簡單地說，上電復位的模式，構建電源電壓時間原則上要在lms之內。該系統設定最長的開關開閉時間不能超過500ms，以干電池作為電源電路。該電路在充分滿足系統單片機要求的同時，其簡單的結構更容易自制。關閉電路中的K開關后，后續電路能夠延遲0.5s，有效避免了觸點的顫抖時間以及電源開關啟閉時間，并且電壓的建立時間可以不超過1ms，滿足上電復位的需求。

在電路的設計制作時，選擇K開關十分關鍵，確保開關閉合的時間不超過0.5s。電池組電壓的合理區間為7～18V。而四節干電池只能達到6V的額定電壓，因此，必須采用5節以上干電池才能滿足穩定電壓的要求。除去電路中二極管、變壓器等器件上的壓降后，電池依舊可以供電給單片機系統。

3.2 單片機看門狗的設計

要想確保微機系統電路的可靠性和穩定性，復位電路是關鍵構件。復位電路的工作原理就是系統上電時提供復位信號，必須等到系統電源穩定后方可撤銷復位信號。為了確保其可靠性，電源穩定后最好將撤銷復位信號的時間延長，主要是為了避免因為抖動影響開關復位，這種抖動通常是因為電源開關或者插頭閉合過程中產生的。微機運行中的電路如果被干擾，就特別容易產生盲目運行的狀況，而產生這樣盲目性的因素是CPU程序“跑飛”，最嚴重的可以發生死機。復位信號是重新恢復系統運行的有效動力，所以，有效監視CPU運行狀況是十分必要的，而WATCHDOG電路就是監視CPU運行情況的電路。RC復位電路是最基本、最常用的復位電路。該系統為了滿足相關要求設計了看門狗，設計的基礎是Catalyst公司的CAfll61芯片。

3.3 紅外線保護報警裝置的設計

（1）紅外線保護裝置功能可以通過兩個方面控制實現：①電壓檢測：對接觸網網壓情況進行實時檢測，以此確定天窗開鎖是否啟動；②紅外線檢測：對天窗通道進行實時檢測，按照網壓狀況和作業者的狀況確定聲光報警是否開啟。該裝置結構如圖1所示。

圖1 紅外報警裝置結構

（2）該系統由三個部件組成保護報警裝置：控制盒、電子鎖和紅外線發射儀。而控制盒是報警裝置的關鍵，不僅是電源穩定的基本保障，還可以有效控制電子鎖，前提是對信號實施獲取、比較、處理后進行動作控制，以此判斷是否啟動聲光報警。紅外線發射器可以生成紅外線光束約為38kHz的方波，可以利用光束輻射天窗通道對人員動態進行實時檢測。天窗的關閉還是開啟都是電子鎖來執行，由微處理器和機械傳動構成。

（3）首先，保護報警裝置對接觸網的網壓狀態的實時檢測，是通過作業車本身的高壓電壓互感器進行，以此確定是否開啟天窗；其次，紅外線檢測天窗通道后確定聲光報警是否開啟。如果檢測到接觸網有高壓電，該作業車高壓互感器便可以生成18V的交流信號，接收到信號后的控制盒便發出鎖閉天窗的命令，同時作業人員通過被紅外線實時監測的天窗通道時，就會切斷紅外線發射并接收回路，聲光報警信息就從控制盒發出；最后，倘若接觸網沒有高壓電，互感器感應不到電壓，控制盒便會發出開鎖天窗的命令，同時解除聲光報警，便允許維修人員登頂作業。

3.4 步進電機的驅動

制定步進電機驅動方案，主要是力求確保更加準確的電機定位，實現控制的精密性。該方案的基礎是經典MCU+L297/L298框架，驅動方式應用了斬波恒流細分模式，升降速曲線在具體運行中表現良好。運行實踐證明，步進電機具備步距角小、功率低、轉矩恒定、運行穩定等優勢。該電路利用固定斬波頻率恒流斬波作為驅動方式，最適合的電機有兩類，一是四相單極性，二是兩相雙極性，而L297芯片是步進電機的集成芯片，可以確保四相驅動信號的產生，通常用于微處理器控制四相單極性步進和兩相雙極性步進電機。電動機一般選擇正常驅動、半階梯、斬波驅動模式驅動等，另外，可以通過開關形式控制設置在晶片之內的PWM斬波線路電流。該裝置僅僅要求模式、時鐘、方向輸入信號。相位從內部產生，可以大幅度緩解程序設計和微機處理機的負擔。

3.5 接觸網工頻檢測

準確檢測接觸網是否帶電，是保證人身安全的重要措施。目前，國內的接觸網通常采用的是25kV的單相工頻電，因為電壓超高，難以利用常規手段檢測。考慮到以上的各種因素，本研究電場產生的電磁波信號的接收由甚低頻無線接收天線完成，通過該信號判斷接觸網帶電與否。存在電流的接觸網會形成同樣頻率的電磁場，因此，可以通過接收檢測電磁場的方式判斷接觸網是否存在高壓電。利用甚低頻接收天線接收電場生成電磁能量，工頻檢測要通過放大信號、低通濾波等處理后進行工頻檢測。

基于現場環境惡劣復雜，外界的各種干擾會影響工頻檢測的準確性，比如外界的焊弧、放電火花等，會導致系統錯誤的判斷，為使系統的告警更可靠，本研究將相敏及鎖相技術應用在系統的傳感通道中，讓系統只反應0.5Hz左右的工頻率高壓交流信號，以此減少誤報和錯報的頻率，確保其安全性[2]。

3.6 串口通信電路

基于系統對數據傳輸率沒有較高的要求，從節約成本和設計簡便方面考慮，可以利用RS232串行通信電路進行系統通信的任務。ATmega128單片機在串行通信接口電路中，以全雙工作為串行口的工作方式，利用三線同步傳輸數據。

4 軟件設計和AVRX的建立

4.1 程序的總體設計

針對系統的軟件設計，按照現場操作的具體狀況，綜合人身安全、設備安全、告警安全等因素，評估了極易出現的故障，設計了容錯功能強，人機界面友好、功能齊備的控制軟件，同時根據相關標準設計了手動控制和自動控制兩個方案。控制流程如圖2所示。

圖2 統控制軟件流程圖

該系統的自動檢測功能開啟后，可以理解為待機的模式，提供用戶選擇需求工作狀態的渠道，通過控制軟件收集不同傳感器發送的信號，有效判斷高壓電是否進入對應的控制程序，讓系統運行更可靠。在高壓檢測過程中有必要進行多次檢測，進行有無高壓電的判斷，要切實保證多次采集的信號都具備一致的正確性。

4.2 WinAVR編譯軟件

系統利用AVR平臺對時下流行的GNUC編譯器進行移植，演化為本系統應用的AVRGC編譯器，在Win32系統內有一個WinAVR軟件包，該軟件包具備可移植性強、代碼效率高、更新速度快的特點。唯一的Linux開發語言就是GCC。從嵌入系統應用的層面，市面上都有愛好者將GCC移植到MCU上，而MCU都占據一定的市場份額。在目前的全球民用軟件中，GCC的編譯器優化程度做到了最佳，其一萬行以上的代碼程序都是用ANSIC規范寫出的。當前業界還沒有編譯器產生的目標代碼在代碼速度上超過GCC的，在民用C編譯器中GCC的bug數量是最少的。WinAVR就是Windows版GCCAVR，在WINDOWS平臺上移植后對各個組件進行整合后的版本。盡管開發環境的集成不能是WinAVR，卻可以把它掛載到AVR Studio之下應用。AVR開發程序集中的WINAVR具有免費性，選擇WINAVR的理由是，它本身的代碼程序集是一組開放源，更是當下自由軟件中最優秀的。

WINAVR的工具涵蓋：avarice(JTAG接口）、avr-pn（編輯器）、avr-dude(編程接口）、avr-gcc（命令行編譯器）、avr-libc（庫文件）、avr-as（匯編器）、avr-gdb（調試器）等。源代碼的編輯在WINAVR中應用自帶PN編輯器。因為WINAVR不能代替IDE，所以在定制IDE的過程中必須使用makefile，而makefile所發揮的關鍵作用包括對應用的單片機類型進行指定、進行編譯優化條件的設定及對編譯文件進行指定等[3]。

4.3 AVR Studio調試程序

在AVR單片機的集成開發中，ATMEL的AVR Studio是一個開發環境，完全支持匯編語言和高級語言源代碼級的調試和模擬。程序流程和算法調試，在模擬仿真的條件下，與硬件的仿真器基本一致。表現在計算一段程序需要的時間、延遲程序的調試方面，更優越于硬件仿真器，主要是很多仿真器不能提供程序運行時間等調試的參數。AVR Studio的第一步仿真可以構成cof，能夠在WINAVR的工具欄下添加工具。調試的方便性在于利用目標板硬件資源結合AVR Studio，解決了仿真過程中的諸多缺陷。

4.4 程序下載

因為AVR單片機具備ISP功能，所以，下載程序工程中無需燒錄器，只需要下載單片機中電纜的文件即可。只要利用下載電纜就可以在單片機中下載文件。并口PonyProg2000是本文應用的下載軟件，利用下載并口電纜實現程序下載，具有良好的穩定性。

4.5 AVR優化C語言

單片機系統通過高級語言進行開發具備諸多優勢，比如能夠促進開發人員對算法本身的關注，避免了傳統的只是關注算法細節的缺陷。但其不足是代碼效率低于匯編語言，難以承受硬件成本的增加，導致這種情況是因為嵌入式系統資源緊張并且實時性強。C語言在開發單片機的過程中得以優化，具體地說，因為同步開發了C語言編譯器和AVR內核，開發者受到C語言專家的全面支持，因此，足以體現AVR系列單片機最符合應用C語言。

4.6 實時操作系統AVRX

如果應用程序的開發在規定好的操作系統上進行，能夠讓開發者將諸多底層硬件細節忽略掉，更方便調試和維護應用程序，降低開發成本，縮短開發周期，這些優點使嵌入式操作系統備受歡迎。AVRX是一種公開的嵌入式系統，是利用lbarello編寫的源碼構建的，是可以特定于mcu rtos的avr系統，并且是免費的，可以修改，因為gnu啟動了avr-gcc下的編譯器來編寫avrx，所以應用AVR-GCC編譯器的優勢是促進AVRX在不同AVR單片機上大大提升移植特性。不足之處在于，很難將這樣專用操作系統向其他平臺移植[4-5]。

5 結語

本文介紹的基于AVR的接觸網作業車高壓防護系統，具備可靠穩定的高壓檢測、安全接地和報警等功能于一體的特點，避免了傳統基于人為疏忽和管理漏洞造成的設備和人身安全的問題。該系統針對關鍵的技術難點制定了相應的攻關措施并可以有效實施。經過實踐應用證明，該系統具備簡單性、可靠性、安全性，在我國電氣化鐵路技術高速發展的今天凸顯出良好的社會效益和經濟效益。