地铁列车电压传感器检测系统设计

彭 威

(广州地铁集团有限公司运营一中心,510308,广州∥助理工程师)



地铁列车电压传感器检测系统设计

彭 威

(广州地铁集团有限公司运营一中心,510308,广州∥助理工程师)

介绍了电阻式和霍尔式电压传感器的工作原理,并根据它们的工作特性设计了一种能检测电阻式和霍尔式两种不同类型的电压传感器检测系统。详细介绍了电压传感器检测系统的硬件电路和软件程序设计。其硬件电路由温度采集电路、AD(模数)采集电路、时钟模块设定电路、键盘设置电路、电机转速控制电路以及加热丝控制电路组成。在软件设计方面,单片机将采集的电压信号经过模数转换和比较运算后传输至PC机,最终实时显示曲线图和后台记录电压信号的功能。

地铁列车； 电压传感器; 电压信号; 检测技术

Author′s address The First Operation Center of Guangzhou Metro Group Co.,Ltd.,510308,Guangzhou,China

电压传感器在列车运营过程中是采集列车实时供电电压状态的一种精密检测设备,其性能的好坏,将直接影响地铁的正常运行。而地铁列车上所运用的电压传感器常出现检测电压信号丢失的偶发故障,给地铁运营造成一定的安全隐患。因此,为了提高地铁的运营质量,对地铁列车电压传感器的检测已成为必不可少的环节。在传统的地铁检修维护过程中,仅是对电压传感器的外观、接线等情况进行检测,而对其性能的检测并未有任何的检修手段。所以,设计一个能够实时检测地铁列车所运用的电压传感器性能状态的测试系统是十分必要的。

本文所设计的地铁列车电压传感器测试系统可自动读取电压传感器采集到的电压数据值,并实现实时显示曲线图和后台存储电压数据的功能。通过持续地对电压传感器的性能状态进行检测来判断该电压传感器的可靠性,并对性能不稳定的电压传感器进行预防性更换,从而达到保障地铁列车安全运营的目的。

1 列车电压传感器的工作原理分析

电压传感器是一种常用的检测装置,其能将检测到的电压信号,按照一定规律转换成符合一定标准需要的电信号或其他所需形式输出[1]。根据电压传感器的检测原理,可分为电阻分压器、电容分压器、电磁式电压互感器、电容式电压互感器、霍尔传感器等5大类。而地铁列车常用的电压传感器为电阻式电压传感器和霍尔电压传感器。

1.1 电阻式电压传感器

电阻式电压传感器的原理如图1 所示。其中，高压臂电阻R1和低压臂电阻R2组成了电阻分压器,电压信号在低压侧取出。为防止出现过电压,保沪两侧测量装置,在低压电阻上加装一个稳压管S,使其放电电压恰好略小于或等于低压侧允许的最大电压。其中U l 为高压侧输入电压,U2为低压侧输出电压。

1.2 霍尔电压传感器

霍尔电压传感器相对电磁式电压互感器而言,具有体积小、重量轻、频带宽、交直流两用等优点,在工业测控领域得到了广泛应用[2]。

图1 电阻式电压传感器结构图

霍尔电压传感器主要包括初级线圈、磁环、次级线圈、放大电路及与初级线圈串联的限流电阻R。抛开限流电阻R,剩余部分相当于一个闭环霍尔电流传感器,如图2所示。不同之处在于该传感器的初级电流非常小,一般为mA级。

图2 霍尔电压传感器结构图

2 整体设计思路

本文所设计的地铁列车电压传感器检测系统主要运用于对电阻式和霍尔式电压传感器性能状态的检测。该测试平台采用双通道检测方式,实时监测传感器的状态,并通过AD(模数)芯片读取电压传感器所采集到的电压信号。最后通过单片机对其进行数值转换,再传输给自制的PC上位机软件。在上位机内再次进行对比换算,同时显示出故障状态，并在后台实时记录故障数据。

本文所设计的地铁列车电压传感器检测系统的主要技术性能参数见表1。

表1 地铁列车电压传感检测系统的主要技术性能参数

3 硬件电路设计

电压传感器检测系统一共分为6大部分,分别由温度采集电路、AD采集电路、时钟模块设定电路、键盘设置电路、电机转速控制电路、加热丝控制电路组成。其设计框架如图3所示。

图3 电压传感器测试平台框图

加热丝控制电路和温度采集电路主要是控制检测系统的环境温度。当环境温度低于检测设定的温度时,可控制加热丝进行加热,使环境温度达到恒温的目的,从而提高系统检测数据的准确性。时钟模块设定电路主要记录传感器的检测时间。电机转速控制电路、键盘设置电路和AD采集电路则分别起到产生和控制输出电压、控制检测系统的执行指令、采集电压传感器的电压信号的作用。

此外,此电压传感器检测系统采用了双单片机,其主要原因有:①此硬件电路共有42个I/O(输入/输出)端口,而一个单片机仅有36个接口;②驱动电机的电流较大,为防止对电压信号采集电路造成干扰,从而将采集电路与电机驱动电路分别用不同的单片机控制。

3.1 温度采集电路

DS18B20传感器跟单片机的接口硬件电路有两种设计方式:一个是将VCC(电源电压)接到外部电源上,GND(地线)接到地上,该传感器的输入输出接口直接与单片机的输入输出口相连接;另外一个方法是采用寄生电源来提供电源,而此时VDD(电源电压)以及GND均接地,传感器的输入输出接口直接与单片机的输入输出口相连接便可实现温度传感器的正常工作。但是这种方式对器件的损耗较大,且极不稳定。不管是利用外部电源供电还是利用内部的寄生电源来供电,输入输出口都要接到5 kΩ的上拉电阻上。为了保证温度传感器工作的稳定性,平台设计时采用外部电源供电方式连接,如图4所示。

图4 温度采集电路

在STC系列单片机中,其内部的一个上拉电阻所对应的8位双向传输的I/O为PJ1(端口),该口的缓冲器可接收并且还能输出4个TTL(门电路)门电流。而当该口被写入“1”的时候,其所对应的上拉电阻就被拉高,并且可以当作输入[3]。此时,其所对应的管脚的电压电位将会被降低,从而就可以输出电流。

3.2 AD采集电路

AD采集电路是采用AD7705芯片。该AD芯片为16位ADC(模数转换)数据采集模块,采集数据比较稳定,有16位有效数字(2的16次方65 536),测量范围广,精度高。AD采集电路在平台中用于采集基准电阻两端的电压值,进而通过单片机换算为传感器输入端的实际电压值。该电路分两路进行采集,一路用于采集待测电压,一路用于采集标准电压,以便后期用于单片机程序对比判定,如图5所示。AD模块采集到的电压为模拟量信号,内部处理后转化为能够被单片机识别的高低电平脉冲信号。单片机接收到信号后,对信号进行解码,得到检测到的电压值。在单片机内部处理后传输给显示屏和PC上位机,在显示屏和上位机上对相应的信息进行显示。

图5 AD采集电路

3.3 时钟模块设定电路

时钟模块设定电路(PCF8563时钟模块)采用低功耗CMOS(放大器件)实时时钟/日历芯片,芯片最大总线速度为400 kbits/s,每次读写数据后,其内嵌的字地址寄存器会自动产生增量,且带日历功能,接入备用电池,掉电后可继续工作。该电路用于设定和控制恒温箱内一个恒定温度值的时间,记录传感器在不同温度下的检测时间,如图6所示。

3.4 键盘设置电路

键盘电路采用列线扫描和行线扫描方式实现。列线为输入口,行线为输出口,如图7所示。减少单片机数据端口,使单片机运行过程稳定可靠,不会降低单片机的运行速度。键盘设置电路是操作平台的控制核心,通过键盘电路设置平台的各个状态和发出指令,实现测试平台的各个功能,如起动电机旋转速度,选择待测传感器的档位,设定恒温值等。

图6 PCF8563时钟模块设定电路

3.5 电机转速控制电路

电机转速控制电路采用L298N电机驱动板模块。L298N 是一种双H桥电机驱动芯片,其中每个H桥可以提供2 A的电流,功率部分的供电电压范围是2.5～48 V,逻辑部分5 V供电,接受5 V电平。它是利用单片机12C5A60S2内部的DA发送出PWM脉冲信号控制其输出管脚电压的大小,从而控制减速电机转动速度,进一步控制手摇式发电机的转速,达到电压输出大小量的控制,为传感器提供大小可控的采集电压,如图8所示。

图7 键盘设置电路

图8 电机转速控制电路

3.6 加热丝控制电路

加热丝控制电路,采用大功率调压器设备,可以调节10～220 V的平滑调节范围,用于驱动恒温箱内的发热丝,如图9所示。键盘设定好恒定温度后,结合温度采集模块DS18B20和继电器控制模块,温度传感器采集到信息达到设定温度后断开加热丝,不足设定温度时吸合继电器,加热丝开始加热,用单片机控制继电器的吸合和断开,更好地达到控制恒温箱内温度的目的。

4 软件程序设计

PC上位机系统是在Microsoft Corporation Service Pack Window 7开发平台下采用VB编程语言进行软件编写,与单片机之间的通讯协议采用RS232标准通讯模块,传输单片机发来的电压、温度、时间等参数[4]。划分好各区域的功能界面,上位机将收集到的单片机数据进行动态分配内存地址,上位机软件内部进行运算。将数据存储于存储器并导入到EXCEL表格内进行保存。软件设计流程见图10。

图9 加热丝控制电路

图10 软件设计流程图

4.1 实时电压显示部分

需要测量的电压传感器测量电压为待测电压,正常的电压传感器测量电压为参考电压。AD采集模块每采集一次电压数据后把数据通过串口通讯的方式传输到电脑COM端口上,然后通过调用系统串行通讯控件并配置好串行通讯参数:端口编号、波特率、数据位数、停止位、奇偶校验位等。通讯连接成功之后,获取控件缓冲区中的二进制字符串,并将字符串转换成ASCII码且进行校验。通过对转换后的字符串进行取值并显示到相应的TEXTBOX文本框中。设计流程见图11。

图11 实时电压显示设计流程图

4.2 电压数值比较运算部分

电压数值赋值到相应电压显示框之后,电压将进行电压运算比较,把待测电压值减去参考电压值,得出差值的符号和数值大小并进行判断,差值大小分为4个范围,分别为5、10、20和50 V。每当电压差值ΔU>5 V时,再判断差值的正负号。如果符号为正,即待测电压值偏大;若符号为负,即待测电压偏小。再根据大于电压数值范围的记录变量进行累加运算。设计流程见图12。

图12 电压数值比较设计流程图

4.3 实时曲线显示部分

显示屏中绿线为参考电压,红线为待测电压,横轴为时间,时间轴一个刻度为1 s。纵轴为电压刻度。电压刻度能自动调节最大刻度,满足电压曲线在测量范围内提高精度显示的要求。右侧有待测电压的峰值、待测电压的平均值、参考电压的峰值和参考电压的平均值,显示界面见图13。

图13 实时曲线显示图

4.4 数据保存部分

在打开VISUAL BASIC软件时,软件会新建一个空白对象,然后把EXCEL的服务接口与空白对象关联,关联之后再对对象的单元格进行赋值,最后通过调用EXCEL的保存指令。通过上述方法可以实现对数据的记录和保存。

在软件运行时,软件会自动记录当时所采集和运算处理后的电压数值,以便测量后对数据进行故障分析和取证。

5 测试运用效果

以宁波南车时代传感技术有限公司的NV100-2 000 V型电压传感器作为待测传感器,并在传感器的输入端加上226 V的电压(如图14所示)。同时用软件在监控传感器的输出波形图(如图15所示),以及每隔1 s采集一次传感器的电压值并存储至EXCEL表格中。

图14 电压传感器测压平台

通过波形数据可看出,此待测电压传感器与参考电压相差逾200 V,其相对误差为10%。根据铁道行业标准TB/T 2764—1996,电压传感器的测量误差最大不能超过2.5%。因此,可判断此电压传感器为故障传感器。

图15 电压传感器在线监控波形图

6 结语

本文中的地铁电压传感器检测系统可实时监控电压传感器的工作状态并记录电压数据,从而达到评估地铁列车电压传感器性能状态的目的。根据测试情况,可对性能下降的电压传感器进行更换，及时消除故障隐患,进而保障地铁的安全运营。该检测系统目前已经在广州地铁投入使用,系统运行稳定,安全可靠,并且操作方便,大大提高了设备质量,显示出了很好的应用前景。

[1] 黄贤武.传感器实际应用电路设计[ M ].成都:电子科技大学出版社,1998.

[2] 邱召运,李述香,范应元,等.霍尔效应传感器的特殊应用[J].电子技术,2009(4):9-10.

[3] 李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.

[4] 马忠梅.单片机的C语言应用程序设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001.

七国铁路部门签署《关于深化中欧班列合作协议》

2017年4月20日，中国、白俄罗斯、德国、哈萨克斯坦、蒙古、波兰、俄罗斯等七国铁路部门正式签署《关于深化中欧班列合作协议》。这是中国铁路第一次与“一带一路”沿线主要国家铁路签署有关中欧班列开行方面的合作协议，标志着中国与沿线主要国家铁路的合作关系更加紧密,既为中欧班列的开行提供了更加有力的机制保障，也对进一步密切中国与上述六国的经贸交流合作，助推“一带一路”建设，具有重要意义。据中国铁路总公司有关负责人介绍，立足于服务“一带一路”建设，七国铁路部门签署的《关于深化中欧班列合作协议》，以提高亚欧间铁路货运市场份额、带动沿线国家经济发展和经贸合作为目标，合力打造中欧班列国际物流品牌，努力为中欧班列深化发展提供机制保障。据悉，中欧班列自2011年开行以来，已累计开行3 557列，其中2017年一季度开行593列，同比增长175%，回程班列198列，同比增长187%。目前，中欧班列国内开行城市已达27个，覆盖21个省区市，到达欧洲11个国家的28个城市。

(摘自2017年4月24日《人民铁道》报)

Design of Metro Voltage Sensor Detection System

PENG Wei

The working principles of resistive sensor and Hall voltage sensor are introduced. According to their characteristics, a voltage sensor detection system that can test both the resistive sensor and Hall sensor is designed, the hardware circuit and software design of this system are described in detail. The hardware circuit consists of temperature data acquisition circuit, AD data acquisition circuit,clock set circuit,keyboard settings,motor speed control circuit and heating wire control circuit, while in the software design, the monolithic voltage signals are transferred to PC machine after analog-to-digital conversion and comparison calculation, finally to display the real-time curve graphs and back-office functions of voltage signal.

metro train; voltage sensor; voltage signal; detection technology

TP 212.6

10.16037/j.1007-869x.2017.05.018

2016-08-08)