机车车载漏电流数字传感器研究与应用*

唐亚平， 张敏三， 袁开鸿

(1.中南大学 电气工程学院，湖南 长沙 410083；2.湖南铁道职业技术学院，湖南 株洲 412001)

机车车载漏电流数字传感器研究与应用*

唐亚平1,2， 张敏三2， 袁开鸿2

(1.中南大学 电气工程学院，湖南 长沙 410083；2.湖南铁道职业技术学院，湖南 株洲 412001)

介绍一种机车车载漏电流数字传感器的研究与应用，在模拟漏电流传感器的基础上，经数字化改进而实现。硬件设计采用ARM平台，在分析系统原理的基础上，完成了硬件系统和软件架构的设计，完成了单线和双线的模拟实验。经模拟实验验证检测准确、反应快速，通信采用CAN总线安全可靠。在实际测量中，验证了模拟实验的正确性，设计可行。

机车漏电流传感器； CAN总线； 嵌入式设计； 单线双线检测

0 引 言

近年来，电气安全问题在铁路电气化过程中显得异常突出,而漏电则是电气安全监测的重要指标，通过严格实施与漏电有关的技术要求，有效监测供电设备的电气缺陷，预防漏电、短路等引发的火灾和人身伤害事故迫在眉睫。

本文采用ARM平台，设计了一种机车车载漏电流传感器[1～3]，采用低功耗小系统设计处理器Cortex—M3和高精度模拟漏电流传感器，经数字化改进而实现。在分析系统原理的基础上，完成了硬件系统和软件架构的设计，完成了单线和双线的模拟实验，经模拟实验验证该传感器检测准确、反应快速，通信采用CAN总线安全可靠。在实际测量中，验证了模拟实验的正确性，设计可行。

1 系统原理

系统整体接线设计如图1所示，主要包括电流检测传感器、机车供电屏柜、机车接地测试仪几个部分[6～8]。

图1 系统整体接线设计图Fig 1 Integrated wiring design diagram of system

系统工作原理是：装置在开机时采集列车漏电流值，设置单台机车的电流值为基准，通过检测总值判断列车数量作为装置判断是否漏电流的基准数据[11]。当机车供电系统有一点接地时，电流检测传感器会检测到电流信号,同时记录并通过数字显示屏显示，报警装置根据设定的机车漏电流报警值与检测到漏电流值进行比较，如果漏电流值超出安全范围，识别装置将产生接地报警提示并用标志位显示，同时识别装置还将记录故障产生的时间和漏电流值。

2 硬件系统设计

2.1 整体设计

本漏电流检测数字传感器采集实时的机车、车厢的漏电流值后，通过ARM平台进行数据处理，如漏电流值超出了设定的阈值，该装置会提示语音报警，并通过屏幕上提示。漏电流的数据保存至装置内存中，用户可用移动存储设备进行数据导出，其框图如图2。

图2 硬件系统框图Fig 2 Block diagram of hardware system

2.2 CAN总线端口设计

采用SN65HVD230设计完成，其整体的设计图如图3。

图3 CAN总线接口图Fig 3 CAN bus interface diagram

2.3 USB接口设计

其硬件电路的设计原理图如图4所示。USB接口电路主要用于对数据的导入与导出。

图4 USB接口电路设计原理图Fig 4 Principle diagram of USB interface circuit design

2.4 SPI Flash存储单元设计

利用SPI总线方式，设计了Flash存储单元电路，其设计原理图如图5所示。SPI总线通信快捷，传输速率高，可靠性好，在软件设计部分可对其传输协议进行自定义，方便开发。

图5 SPI Flash存储单元电路Fig 5 SPI Flash memory cell circuit

3 系统软件设计

整个系统的软件设计包括两大部分：上位机软件和下位机软件。整个的架构设想如图6所示。

图6 软件架构设想图Fig 6 Software architecture design sketch

下位机软件的设计主要包括实验流程控制、实验数据处理流程、系统参数设置和软件使用指南。实验流程控制包括被试品信息录入、实验过程、以及实验完后对实验结果的打印输出等。实验数据处理流程主要包括数据的查询、修改、删除等，而系统参数设置主要是指实验参数的设置。

上位机软件主要包括人机交互界面的设计，负责参与下位机实验流程、数据处理流程的参数赋值、上下位机之间的通信、数据的显示等。

4 模拟机车漏电实验

经过软、硬件设计，开发后的传感器实物如图7所示。

图7 传感器实物图Fig 7 Physical of sensor

在实物基础上，进行了模拟机车的漏电实验，实验分为双线模拟和单线模拟两个部分，实验均在常温下进行。

双线模拟漏电检测又叫直流正负线漏电检测，检测时正负线全穿过传感器，其接线原理图如图8所示。

图8 双线模拟漏电实验原理图Fig 8 Principle diagram of double wire analog leakage test

双线模拟实验检测对象为开关电源，在电压0～10 V范围内，对开关电源的电流和仪器检测到的漏电流进行了测试，其测试数据如表1所示。

表1 双线模拟实验数据Tab 1 Double wire simulation experimental data

单线模拟漏电检测又叫直流正线(单线)漏电检测，其接线原理图如图9所示。

图9 单线模拟漏电实验原理图Fig 9 Principle diagram of single wire analog leakage experimental

在电压从0～10 V范围内，对开关电源的电流和仪器显示的漏电流进行了试验测试，其试验测试数据如表2。

表2 单线模拟实验数据Tab 2 Single wire simulation experimental datas

根据模拟机车漏电实验，可以得出本设计的传感器的检测精度约为1 %、线性度约为1 %。

5 机车实测漏电实验

通过模拟实验，将漏电检测传感器用于实际测试过程中进行校验，测量实验数据记录如表3所示。

表3 测量实验数据Tab 3 Measurement experimental datas

6 结 论

基于ARM平台的机车车载式漏电流数字传感器经过硬件设计与软件设计，通过模拟实验和实测实验，数据显示检测准确、反应快速、数据通信安全可靠。检测漏电流的范围是 0～300 mA ，检测精度和线性度均为1 %左右，在现有技术情况下，是一种先进的车载式漏电流数字传感器。而在实际使用时，本传感器还可以实现多个漏电流数字传感器与一台计算机互接，构成一个多点的漏电检测网络，最终实现漏电检测的综合处理，具有广阔的应用前景。

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Research and application of locomotive vehicle leakage current digital sensor*

TANG Ya-ping1,2, ZHANG Min-san2, YUAN Kai-hong2

(1.School of Information Engineering, Central South University,Changsha 410083,China;2.Hunan Railway Professional Technology College,Zhuzhou 412001,China)

Introduce study and application of a locomotive vehicle leakage current digital sensor,which is realized on basis of simulation of leakage current sensor,by digital improvement.Hardware design uses ARM platform,on the basis of analysison principle of system,design of hardware system and soft chitecture,and simulation experiment of single and double wire are achieved.Through simulation experiment verify that the sensor has advantages of accurate detection,fast response,using CAN bus for communication is safe and reliable.In actual measurement,verify the correctness of the simulation test,and the design is feasible.

locomotive leakage current sensor; CAN bus; embedded design; single and double wire detection

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0045—03

2014—04—14

湖南省科学技术厅科技计划一般项目(2013GK3133)

TP 334.3

A

1000—9787(2014)12—0045—03

唐亚平(1974-)，男,湖南衡南人，硕士，副教授,高级工程师，主要研究方向为电子学、自动化控制。