基于STM32平台的CAN总线车载式漏电流数字传感器

袁开鸿, 魏丽君, 唐冬梅

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

0 引 言

随着铁路电气化和大量电气设备设施在机车上投入使用，电气安全问题显得越来越重要。而绝缘和漏电是对电气安全进行监测的重要指标，通过严格实施与绝缘、漏电有关的技术要求，可以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。因此,采用实时的漏电监测保护报警和接地保护技术、对机车供电母线的漏电流和对地状况进行实时监测则显得尤为重要，一旦发生漏电流超标或接地，则保护动作，停止电源输出。

基于STM32平台的CAN总线车载式漏电流传感器[1～3]研制，采用了目前最先进的模拟漏电流传感器，加以改造实现数字化，并通过线数少、安全性与可靠性高的CAN总线实现数字通信[4,5],可方便地实现多点检测集中处理。在机车运行中实现对漏电流的检测，其主要特征是检测准确、响应快速、数据通信安全可靠。使用时，由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。

1 系统原理

系统主要由机车接地测试仪、电流检测传感器、机车供电屏柜构成[6～8]。机车接地测试仪主要包括电源模块、输入信号处理模块、A/D转换模块、中央处理单元以及报警输出模块。电源模块由车内24VDC电源经过DC/DC转换,分别转换为±12VDC电源和+5VDC电源。

此外，目前由于机车上大量采用微机控制的牵引传动装置和分布全列车的通信系统，日益增多的电子设备带来了许多的电源电磁干扰源和敏感期。因此,在110 V电源其工作原理是：装置在开机时采集列车漏电流值，根据单台机车4.7 mA为基准判断列车数量作为装置判断是否漏电流的基准数据[11,12]；当机车供电系统有一点接地时，装置电流检测传感器检测到电流信号同时记录并显示出来，此时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，若超出范围识别装置将产生车辆接地报警提示并用灯位显示；同时识别装置将记录接地故障产生的时间、漏电流值[13]，备注中指示接地故障产生在机车的状态。

进线上加装了吸收电容器和共模电感器以吸收来自机车电源的干扰。在软件设计上加入了二级滤波的方式来进一步减小干扰[9,10]，已达到设备的工作稳定性。 系统整体接线设计如图1。

图1 系统整体接线设计图

2 硬件系统设计

设计采用的Cortex—M3(STM32)处理器是一个低功耗的处理器，具有门数少、中断延迟小、调试容易等特点，应用范围可从低端微控制器到复杂SoC。Cortex—M3处理器使用了ARM V7—M体系结构，是一个可综合的、高度可配置的处理器。而CAN总线具有极高的可靠性、数据传输速率高，传输距离较长、实时性强，特别适合工业现场监控设备的互联。

基于STM32平台的CAN总线漏电流检测数字传感器采用高精度漏电流传感器采集实时的机车、车厢的漏电流值，采用高速的单片机进行数据处理，当漏电流值大于设定的值后，仪器会以声音报警和故障显示屏2种方式提示,并将数据保存至仪器的内存中，用户可用USB存储设备进行数据导出，其框图如图2。

图2 硬件系统框图

系统解决原机车上使用的漏电检测装置系统硬件分块过多、接口线多、抗干扰能力不强、故障率高的问题。设计完成后的基于STM32平台的CAN总线漏电流检测数字传感器系统结构和漏电检测系统整体配合关系如图3所示。

图3 数字传感器系统结构与漏电检测系统整体配合关系图

3 系统软件设计

系统的软件设计包括上位机软件和下位机软件。上位机软件设计主要结合铁路行业实际应用和广大铁路行业客户意见反馈，不断得到完善改进，使系统功能齐全，人机交互界面友好，操作简便，主要包括核心处理程序、数据库函数、数据显示与信息提示部分、用户输入与操作提示以及数据查询、报表打印和图形处理等。整个的软件架构设想如图4所示。

图4 软件架构设想图

下位机软件的设计包括实验测试、数据处理、系统设置和软件使用指南。实验测试包括被试品信息录入、实验过程、实验完后对实验结果的打印输入等。数据处理部分数据的查询、修改、删除等，而系统设置主要是只实验参数的设置。软件设计框图如图5所示。

图5 下位机软件设计框图

4 实验与数据分析

直流正负线(双线)全穿过传感器的模拟漏电实验接线原理图如图6所示。

图6 双线模拟漏电实验原理图

在电压0～10 V的区间内，对开关电源的电流和仪器显示的漏电流进行了实验测试，其实验测试数据见表1。

表1 双线模拟漏电实验数据

只有直流正线(单线)穿过传感器的模拟漏电实验，其接线原理图如图7所示。

图7 单线模拟漏电实验原理图

在电压从0 V变到10 V的区间内，对开关电源的电流和仪器显示的漏电流进行了实验测试，其实验测试数据见表2。

表2 单线模拟漏电实验数据

根据以上实验数据，输入确定的漏电流的值，对其进行标定，其数据见表3，根据实测漏电流值与输入漏电流值的比，可以得出所设计传感器的检测精度约为1 %,线性度约为1 %。

表3 标定实验数据表

5 结 论

基于STM32平台的CAN总线车载式漏电流数字传感器检测准确、响应快速、数据通信安全可靠。检测漏电流的范围为 0～300 mA ，检测精度为1 % ，线性度为1 %,是一种目前先进的车载式漏电流数字传感器。实际使用时，多只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。

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