便携式接触网测量仪的研制

陈兴功 王 璐 上海铁路局杭州供电段

在电气化铁路供电系统中，电力机车通过受电弓从接触网导线获得电能，经过长时间的运行，接触导线磨耗引起导线截面减小，导线电阻增大，导致接触导线发热，加剧导线磨损。如果掉线截面过小，将导致断线，将给铁路运营带来巨大损失。所以及时有效地对接触线进行测量，显得尤为重要。

按照现有的检测手段，利用天窗时间封锁线路，工人拿卡尺站在梯车平台上近距离检测。在提速后车辆密度增加，行车间隔缩短的情况下，该工作方式测量速度慢、效率低的问题尤为突出，所以急需要一种便捷有效的测量方式来提高工作效率。

1 方案选定

本方案采用了测量接触线残高的测量方式。测量仪分为数显量具和手持式记录器两部分,如图1所示。

图1 数显量具和手持式记录器

数显量具带有弹簧的夹口，可以很方便迅速的夹在接触线上，手持式记录器，与数显量具连接，能够显示测量得到的数据，并将数显量具测得的数据存储于存储器中。测量过程中，工人仅需要将数显量具卡住接触线，不需要人工读数测量，直接取得残高值，并且仪器自动记录测量时间、测量数据、测量标识号，免去了人工记录的繁琐，杜绝了人为错误记录。

采用本方案有以下优点：

(1)精度高：容栅式数显量具精度可以达到0.01 mm，甚至可以达到0.001 mm，完全满足现场精度的要求。

(2)检测直观方便：手持式设备的液晶显示屏能将测量数据实时显示，并且根据线型参数实时报警。

(3)设备经济实用，适于推广：容栅数显量具的价格适中，手持式记录器方便实用，通过计算机自动查表换算，将残高值换算成相应的面积，完全省去了繁琐的人工查表过程，减轻了现场工作压力，提高了工作效率，也提高了工作的正确性。非常适合现场推广。

2 数显量具的数据输出

一般常见容栅式数显量具输出接口采用一种同步串行传输方式，在模块组件设计了一个金手指接口，依次是电源地（Vneg）、数据（Data）、时钟（Clock）、电源（Vpos），如图 2所示。

图2 容栅式数显量具输出接口

通过示波器实际测量，可以见到如图3所示波形。上方波形是时钟（Clock），下方波形是数据（Data）。数据的电平为1.5 V。在普通模式下，每隔0.3 s发送一组数据。

通过波形逻辑分析，得出输出数据的组成关系如图3。发送每组48位数据，前24位是绝对参数，这个数据和数显量具的参数有关。后24位是相对参数，这个就是我们需要的测量值，它的数据组成是低位在前。

图3 示波器实际测量波形

3 手持式记录器的设计

根据现场的需要，要求手持式记录仪除了能够获取数显量具的数据外，还要有实时报警功能、数据记录功能、时钟功能。设计框图如图4。

图4 手持式记录仪设计框图

主控芯片选用Silicon Laboratories公司的C8051F310单片机作为主控制器，它是一种完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片，内部集成了大量功能部件。C8051F310使用Silicon Laboratories专利的高速CIP-51微控制器内核，70%的指令执行时间为一个或者两个系统时钟周期,是标准8051指令执行速度的12倍。工作电压为2.7 V～3.6 V，典型工作电流为5mA，低功耗的特性适合便携式设备设计。

通过整形放大电路将数显量具输出的时钟和数据信号接入单片机IO口，配置外部中断资源。通过软件处理将数据读取并转化成需要的形式。

仪器中设计了相应的时钟芯片、EEPROM存储器、USB接口电路、点阵式液晶模块、按键、蜂鸣器。

4 程序设计

接触线残高测量仪的软件主要分记录器单片机程序、上位机程序。手持式记录器内的单片机程序主要完成对手持设备内元件的初始化、单片机内资源配置及相关应用模块的调用。不但要完成数显量具发送的数据的解释和换算，还包含了液晶菜单显示、存储器管理、密码管理、电能监视等功能，所以程序管理显得尤为重要。

在设计过程中，采用了状态机的方式来管理各个功能。程序中MenuState用于标识菜单编号，不同的取值代表不同的功能界面，在主循环中对其进行判断，进入相应的菜单子函数，每个菜单子函数首先载入相应的显示内容和输入输出信息，子函数完成后，对MenuState返回一个值，实现进入下一级菜单或回到主界面的功能。程序简单易行，便于进一步扩展。 以下是部分源程序。while(1)//主循环函数

{

switch(MenuState)//状态标识符

{

case 0： MenuScreen();break;//主菜单显示界面 0 case 1： SaveDocScreen(1);break;//存档选择界面(1=进入工作)

case 2： SaveDocScreen(2);break;//存档选择界面(2=浏览)

case 3： SetScreen();break;//设置界面 3

case 11：FileScreen(KeyState);break;//存档信息界面11

case 111：WorkScreen(KeyState);break;//工作界面 111

case 21：ScanScreen(KeyState);break;//浏览界面 21

case 31：PasswordScreen();break;//密码设置界面 31

case 32：TimeSetScreen();break;//时间设置界面 32

default：break;}}

上位机程序采用VisualBasic编写，通过MSCOMM控件与仪器实现通讯。USB连接后，软件可以自动检测到设备，手持仪器中选择需要传输的数据档，将数据传输到上位机程序后，程序可根据获取的数据自动解释出作业地点、作业时间、接触线线型、工号、测量数据等，并将其绘制成Excel表格。根据测量得到得残高值，软件自动查表得出磨损面积，省去了繁琐的人工查表。程序界面见图5。程序生成的Excel表格见图6。

图5 程序界面见图

图6 程序生成的Excel表格

5 现场试验和后期改进工

试制成功的便携式接触网测量仪交付杭州铁路供电段金华电力工区现场试验，对该仪器进行了模拟试验，并在窗口时间进行现场实测。在试验过程中同时采取传统测量方法进行对比，便携式接触网测量仪在工作效率、测量精度以及制表正确率上都大大提高，得到了现场广泛好评。

根据现场工人试验的反馈意见，结合目前电气化铁路发展要求，便携式接触网测量仪要结合无线数据传输技术和GPS全球定位技术，自动标示测量值的位置信息和时间信息，通过数据库技术分析测量得到的数据，进行总体的分析和估算，提高对现场的设备的监测力度和效率，为智能化铁路建设作出贡献。

6 结论

本设计针对现场工作情况，设计并制作了实用的便携式接触线测量设备，在经济性、便捷性、有效性上取得了比较理想的效果，适合推广。