基于AVR的接触网作业车高压防护系统设计

代富强，白建龙

国能新朔铁路有限责任公司供电分公司，内蒙古鄂尔多斯，010323

0 引言

传统意义上的电气化铁道接触网作业车在作业之前，都必须严格检测作业区域接触网以及回流线的电压，只有确定所测区域不带电才能开始作业。而现有的检测高压线电压的方式是利用高压检测杆直接与回流线或者接触网接触，该模式不仅不方便自动控制、操作复杂，而且工作效率低下。同时，该系统还不具备检测报警装置。本研究的新系统设置了接触网作业车平台安全保护装置，可以有效地检测接触网以及两侧回流线的电压，如果存在不安全的因素，报警器就会发出警告，切实保证了作业人员的人身安全。

1 接触网高压防护系统的总体设计方案

该系统的总体设计方案包括两大部分：一是可以检测到接触网高压电的报警装置，二是依托该报警装置的联运接地设施。如果检测到高电压存在于接触网，天窗电控锁就会呈现闭锁状态，不会升起接地设施，高压告警装置利用声光警告作业者该区域有高压电；相反，检测到不存在高电压时，系统提示安全作业的状态，自动打开天窗和升起接地装置，接触网呈现对地短路，以防止高电压的意外出现。该情况下，作业人员便可以开始作业。该系统设计的重要宗旨就是高可靠性和高抗干扰性，所以要以可行性为前提，选择出最可靠、最稳定的设计方案。

该系统分为三个部分：检测高压与警报、电控系统和机械接地设施。但本研究主要是分析前两个部分。

2 系统中AVR单片机的选择和主要特征

在该系统中通常都会应用单机片，以应对算法和控制的复杂性。当前，单片机的种类很多，但为了提升系统抗干扰性和可靠性，该系统选择的单片机为ATMEL产品。该AVR单片机具备功耗低、高可靠性、高速度、功能强、价格低等特点，这些关键的优势让AVR单片机市场份额剧增。在AVR结构中ATmegal28为8位低功耗 CMOS微处理器。但基于ATmegal28单周期指令执行时间和先进的指令集，其数据吞吐率可高达1MIPS/MHz，明显解决了系统在功耗和处理速度之间的冲突[1]。

3 接触网作业车高压防护系统硬件设计

3.1 单片机电源设计

本系统AVR单片上设计电复位的要求是lms, 简单地说，上电复位的模式，构建电源电压时间原则上要在lms之内。该系统设定最长的开关开闭时间不能超过500ms，以干电池作为电源电路。该电路在充分满足系统单片机要求的同时，其简单的结构更容易自制。关闭电路中的K开关后，后续电路能够延迟0.5s，有效避免了触点的颤抖时间以及电源开关启闭时间，并且电压的建立时间可以不超过1ms，满足上电复位的需求。

在电路的设计制作时，选择K开关十分关键，确保开关闭合的时间不超过0.5s。电池组电压的合理区间为7～18V。而四节干电池只能达到6V的额定电压，因此，必须采用5节以上干电池才能满足稳定电压的要求。除去电路中二极管、变压器等器件上的压降后，电池依旧可以供电给单片机系统。

3.2 单片机看门狗的设计

要想确保微机系统电路的可靠性和稳定性，复位电路是关键构件。复位电路的工作原理就是系统上电时提供复位信号，必须等到系统电源稳定后方可撤销复位信号。为了确保其可靠性，电源稳定后最好将撤销复位信号的时间延长，主要是为了避免因为抖动影响开关复位，这种抖动通常是因为电源开关或者插头闭合过程中产生的。微机运行中的电路如果被干扰，就特别容易产生盲目运行的状况，而产生这样盲目性的因素是CPU程序“跑飞”，最严重的可以发生死机。复位信号是重新恢复系统运行的有效动力，所以，有效监视CPU运行状况是十分必要的，而WATCHDOG电路就是监视CPU运行情况的电路。RC复位电路是最基本、最常用的复位电路。该系统为了满足相关要求设计了看门狗，设计的基础是Catalyst公司的CAfll61芯片。

3.3 红外线保护报警装置的设计

（1）红外线保护装置功能可以通过两个方面控制实现：①电压检测：对接触网网压情况进行实时检测，以此确定天窗开锁是否启动；②红外线检测：对天窗通道进行实时检测，按照网压状况和作业者的状况确定声光报警是否开启。该装置结构如图1所示。

图1 红外报警装置结构

（2）该系统由三个部件组成保护报警装置：控制盒、电子锁和红外线发射仪。而控制盒是报警装置的关键，不仅是电源稳定的基本保障，还可以有效控制电子锁，前提是对信号实施获取、比较、处理后进行动作控制，以此判断是否启动声光报警。红外线发射器可以生成红外线光束约为38kHz的方波，可以利用光束辐射天窗通道对人员动态进行实时检测。天窗的关闭还是开启都是电子锁来执行，由微处理器和机械传动构成。

（3）首先，保护报警装置对接触网的网压状态的实时检测，是通过作业车本身的高压电压互感器进行，以此确定是否开启天窗；其次，红外线检测天窗通道后确定声光报警是否开启。如果检测到接触网有高压电，该作业车高压互感器便可以生成18V的交流信号，接收到信号后的控制盒便发出锁闭天窗的命令，同时作业人员通过被红外线实时监测的天窗通道时，就会切断红外线发射并接收回路，声光报警信息就从控制盒发出；最后，倘若接触网没有高压电，互感器感应不到电压，控制盒便会发出开锁天窗的命令，同时解除声光报警，便允许维修人员登顶作业。

3.4 步进电机的驱动

制定步进电机驱动方案，主要是力求确保更加准确的电机定位，实现控制的精密性。该方案的基础是经典MCU+L297/L298框架，驱动方式应用了斩波恒流细分模式，升降速曲线在具体运行中表现良好。运行实践证明，步进电机具备步距角小、功率低、转矩恒定、运行稳定等优势。该电路利用固定斩波频率恒流斩波作为驱动方式，最适合的电机有两类，一是四相单极性，二是两相双极性，而L297芯片是步进电机的集成芯片，可以确保四相驱动信号的产生，通常用于微处理器控制四相单极性步进和两相双极性步进电机。电动机一般选择正常驱动、半阶梯、斩波驱动模式驱动等，另外，可以通过开关形式控制设置在晶片之内的PWM斩波线路电流。该装置仅仅要求模式、时钟、方向输入信号。相位从内部产生，可以大幅度缓解程序设计和微机处理机的负担。

3.5 接触网工频检测

准确检测接触网是否带电，是保证人身安全的重要措施。目前，国内的接触网通常采用的是25kV的单相工频电，因为电压超高，难以利用常规手段检测。考虑到以上的各种因素，本研究电场产生的电磁波信号的接收由甚低频无线接收天线完成，通过该信号判断接触网带电与否。存在电流的接触网会形成同样频率的电磁场，因此，可以通过接收检测电磁场的方式判断接触网是否存在高压电。利用甚低频接收天线接收电场生成电磁能量，工频检测要通过放大信号、低通滤波等处理后进行工频检测。

基于现场环境恶劣复杂，外界的各种干扰会影响工频检测的准确性，比如外界的焊弧、放电火花等，会导致系统错误的判断，为使系统的告警更可靠，本研究将相敏及锁相技术应用在系统的传感通道中，让系统只反应0.5Hz左右的工频率高压交流信号，以此减少误报和错报的频率，确保其安全性[2]。

3.6 串口通信电路

基于系统对数据传输率没有较高的要求，从节约成本和设计简便方面考虑，可以利用RS232串行通信电路进行系统通信的任务。ATmega128单片机在串行通信接口电路中，以全双工作为串行口的工作方式，利用三线同步传输数据。

4 软件设计和AVRX的建立

4.1 程序的总体设计

针对系统的软件设计，按照现场操作的具体状况，综合人身安全、设备安全、告警安全等因素，评估了极易出现的故障，设计了容错功能强，人机界面友好、功能齐备的控制软件，同时根据相关标准设计了手动控制和自动控制两个方案。控制流程如图2所示。

图2 统控制软件流程图

该系统的自动检测功能开启后，可以理解为待机的模式，提供用户选择需求工作状态的渠道，通过控制软件收集不同传感器发送的信号，有效判断高压电是否进入对应的控制程序，让系统运行更可靠。在高压检测过程中有必要进行多次检测，进行有无高压电的判断，要切实保证多次采集的信号都具备一致的正确性。

4.2 WinAVR编译软件

系统利用AVR平台对时下流行的GNUC编译器进行移植，演化为本系统应用的AVRGC编译器，在Win32系统内有一个WinAVR软件包，该软件包具备可移植性强、代码效率高、更新速度快的特点。唯一的Linux开发语言就是GCC。从嵌入系统应用的层面，市面上都有爱好者将GCC移植到MCU上，而MCU都占据一定的市场份额。在目前的全球民用软件中，GCC的编译器优化程度做到了最佳，其一万行以上的代码程序都是用ANSIC规范写出的。当前业界还没有编译器产生的目标代码在代码速度上超过GCC的，在民用C编译器中GCC的bug数量是最少的。WinAVR就是Windows版GCCAVR，在WINDOWS平台上移植后对各个组件进行整合后的版本。尽管开发环境的集成不能是WinAVR，却可以把它挂载到AVR Studio之下应用。AVR开发程序集中的WINAVR具有免费性，选择WINAVR的理由是，它本身的代码程序集是一组开放源，更是当下自由软件中最优秀的。

WINAVR的工具涵盖：avarice(JTAG接口）、avr-pn（编辑器）、avr-dude(编程接口）、avr-gcc（命令行编译器）、avr-libc（库文件）、avr-as（汇编器）、avr-gdb（调试器）等。源代码的编辑在WINAVR中应用自带PN编辑器。因为WINAVR不能代替IDE，所以在定制IDE的过程中必须使用makefile，而makefile所发挥的关键作用包括对应用的单片机类型进行指定、进行编译优化条件的设定及对编译文件进行指定等[3]。

4.3 AVR Studio调试程序

在AVR单片机的集成开发中，ATMEL的AVR Studio是一个开发环境，完全支持汇编语言和高级语言源代码级的调试和模拟。程序流程和算法调试，在模拟仿真的条件下，与硬件的仿真器基本一致。表现在计算一段程序需要的时间、延迟程序的调试方面，更优越于硬件仿真器，主要是很多仿真器不能提供程序运行时间等调试的参数。AVR Studio的第一步仿真可以构成cof，能够在WINAVR的工具栏下添加工具。调试的方便性在于利用目标板硬件资源结合AVR Studio，解决了仿真过程中的诸多缺陷。

4.4 程序下载

因为AVR单片机具备ISP功能，所以，下载程序工程中无需烧录器，只需要下载单片机中电缆的文件即可。只要利用下载电缆就可以在单片机中下载文件。并口PonyProg2000是本文应用的下载软件，利用下载并口电缆实现程序下载，具有良好的稳定性。

4.5 AVR优化C语言

单片机系统通过高级语言进行开发具备诸多优势，比如能够促进开发人员对算法本身的关注，避免了传统的只是关注算法细节的缺陷。但其不足是代码效率低于汇编语言，难以承受硬件成本的增加，导致这种情况是因为嵌入式系统资源紧张并且实时性强。C语言在开发单片机的过程中得以优化，具体地说，因为同步开发了C语言编译器和AVR内核，开发者受到C语言专家的全面支持，因此，足以体现AVR系列单片机最符合应用C语言。

4.6 实时操作系统AVRX

如果应用程序的开发在规定好的操作系统上进行，能够让开发者将诸多底层硬件细节忽略掉，更方便调试和维护应用程序，降低开发成本，缩短开发周期，这些优点使嵌入式操作系统备受欢迎。AVRX是一种公开的嵌入式系统，是利用lbarello编写的源码构建的，是可以特定于mcu rtos的avr系统，并且是免费的，可以修改，因为gnu启动了avr-gcc下的编译器来编写avrx，所以应用AVR-GCC编译器的优势是促进AVRX在不同AVR单片机上大大提升移植特性。不足之处在于，很难将这样专用操作系统向其他平台移植[4-5]。

5 结语

本文介绍的基于AVR的接触网作业车高压防护系统，具备可靠稳定的高压检测、安全接地和报警等功能于一体的特点，避免了传统基于人为疏忽和管理漏洞造成的设备和人身安全的问题。该系统针对关键的技术难点制定了相应的攻关措施并可以有效实施。经过实践应用证明，该系统具备简单性、可靠性、安全性，在我国电气化铁路技术高速发展的今天凸显出良好的社会效益和经济效益。