列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)漏電流檢測模塊的制作方法
【專利摘要】列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)漏電流檢測模塊，包括電源電路、通信電路、CPU控制電路和信號測量電路；電源電路為通信電路、CPU控制電路和信號測量電路提供所需電源，CPU控制電路通過信號測量電路、通信電路與DC600V供電裝置、上位機、6A系統(tǒng)通信。列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)漏電流檢測模塊完成DC600V供電裝置漏電流數(shù)值檢測并發(fā)送任務(wù)，可以實時得到供電裝置漏電信息，將采集信息上傳，在司機控制室的6A顯示界面上顯示供電裝置接地漏電流等安全信息，從而可以預判供電裝置的狀態(tài)，對可能產(chǎn)生的故障進行提前預防，達到列車供電安全的目的。
【專利說明】列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)漏電流檢測模塊

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及機車安全檢測領(lǐng)域，具體涉及列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)漏電流檢測模塊。

【背景技術(shù)】
[0002]機車車載安全防護系統(tǒng)即6A系統(tǒng)是針對機車運行過程中危及安全的重要事項、重點部件和部位，通過在前期部分機車已經(jīng)裝用的成熟產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，完善功能、綜合集成而構(gòu)建的系統(tǒng)化、平臺化的機車安全防護系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括中央處理平臺和6個子系統(tǒng)，列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)是其中之一，完成機車供電系統(tǒng)及列車用電系統(tǒng)的絕緣檢測、供電統(tǒng)計以及對DC600V供電裝置的運行狀態(tài)信息、故障、關(guān)鍵狀態(tài)量監(jiān)視及記錄，從而可以預判供電裝置的狀態(tài)，對可能產(chǎn)生的故障進行提前預防，達到列車供電安全的目的。列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)漏電流檢測模塊屬于列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)，完成DC600V供電裝置漏電流數(shù)值檢測并發(fā)送任務(wù)。因此，急需發(fā)明一種可完成上述功能的列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)漏電流檢測模塊。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實用新型所解決的技術(shù)問題是提供一種列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)漏電流檢測模塊，完成DC600V供電裝置漏電流數(shù)值檢測并發(fā)送任務(wù)，可以實時獲得供電裝置漏電信息，對可能產(chǎn)生的故障進行提前預防，達到列車供電安全的目的。
[0004]本實用新型采用的技術(shù)方案是，列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)漏電流檢測模塊，包括電源電路、通信電路、CPU控制電路和信號測量電路；電源電路為通信電路、CPU控制電路和信號測量電路提供所需電源，CPU控制電路通過信號測量電路、通信電路與DC600V供電裝置、上位機、6A系統(tǒng)通信。
[0005]所述的電源電路包括輸入濾波EM1、DC-DC隔離轉(zhuǎn)換模塊，輸入濾波EMI用于抑制高頻干擾，DC-DC隔離轉(zhuǎn)換模塊用于電壓變換。
[0006]所述的通信電路包括第一收發(fā)器、第二收發(fā)器，列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)漏電流檢測模塊通過第一收發(fā)器與供電裝置進行數(shù)據(jù)通信，第二收發(fā)器用于數(shù)據(jù)讀寫與下載。
[0007]所述的信號測量電路包括濾波跟隨、精密整流、隔離放大、差動運放；為模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC提供所需電流信號。
[0008]所述的CPU控制電路包括ARM微處理器芯片、收發(fā)器UART、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC和外圍器件；收發(fā)器UART通過第一收發(fā)器與DC600V供電裝置通信，收發(fā)器UART通過第二收發(fā)器與上位機通信，DC600V供電裝置通過信號測量電路與模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC通信。
[0009]所述的外圍器件包括電壓監(jiān)測、復位電路、有源晶振、JTAG、電池電路、電容濾波以及串行存儲器；電壓監(jiān)測用于監(jiān)測CPU控制電路電壓JTAG接口電路用于程序和數(shù)據(jù)的下載；串行存儲器為ARM微處理器芯片提供存儲空間；有源晶振為ARM微處理器芯片提供所需晶振；復位電路通過手動按鈕方式復位，內(nèi)置看門狗。
[0010]所述的第一收發(fā)器增設(shè)隔離電路。
[0011]本實用新型的有益效果是，列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)漏電流檢測模塊完成DC600V供電裝置漏電流數(shù)值檢測并發(fā)送任務(wù)，可以實時得到供電裝置漏電信息，將采集信息上傳，在司機控制室的6A顯示界面上顯示供電裝置接地漏電流等安全信息，從而可以預判供電裝置的狀態(tài)，對可能產(chǎn)生的故障進行提前預防，達到列車供電安全的目的，列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)漏電流檢測模塊的電路設(shè)計充分考慮了抗干擾和數(shù)據(jù)保護

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本實用新型原理框圖。
[0013]圖2為本實用新型電源電路圖。
[0014]圖3為本實用新型列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)漏電流檢測模塊原理圖。

【具體實施方式】
[0015]現(xiàn)結(jié)合附圖1、2、3，對本實用新型作進一步的說明:
[0016]本實用新型的列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)漏電流檢測模塊屬于列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)，其特性指標及參數(shù)如下:
[0017]額定工作電源電壓:DC110V±5%
[0018]額定工作電源功率:1W
[0019]測量范圍:0---300mA
[0020]測量精度:誤差<±7%
[0021]電流檢測輸入電阻:< 0.4Ω
[0022]通信方式:RS485，RS232
[0023]環(huán)境溫度:-40°C——+70°C
[0024](一)電源電路
[0025]電源電路如圖2所示，電源電路完成輸入電源DCllOV到隔離輸出5V的DC-DC轉(zhuǎn)換，5V-5V、5V-土 15V的隔離輸出，5V-3.3V的輸出以及+15V-5V的轉(zhuǎn)換。電源電路提供+5V，+5V_IS01,3.3V，±15V和+5V_IS02幾種類型的電源輸出，以滿足本系統(tǒng)的電源要求。
[0026]根據(jù)要求列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)漏電流檢測模塊首先需要對外部漏電流進行測量，測量部分電源需要與內(nèi)部控制部分電源隔離，測量部分需要±15V和+5V電源；同時，通信部分使用的電源也需要與內(nèi)部控制電源和測量電路部分電源隔離，通信電路需要+5V電源；控制部分包括CPU芯片電源需要3.3V和外圍器件需要的+5V電源。
[0027]電源電路前端的濾波及EMI部分完成輸入電壓的濾波、過壓保護和浪涌電流的吸收，EMI部分可以有效地去除共模電磁干擾，然后將去除干擾的電壓信號送入DC-DC輸入端，DC-DC模塊完成110-5V的電壓隔離轉(zhuǎn)換。DC-DC模塊的輸入電壓范圍可以達到66V?160V，可靠性好，溫度特性突出，專為鐵路產(chǎn)品定制，可以充分滿足本實用新型的電源要求。
[0028]DC-DC模塊隔離轉(zhuǎn)換的DC5V通過芯片轉(zhuǎn)換成產(chǎn)生最大3A的3.3V電壓，完全滿足設(shè)計需要；DC5V為外圍器件提供電源，包括復位電路、電源監(jiān)測電路、晶振和RS-232通信電路等。DC5V通過模塊轉(zhuǎn)換為隔離的5V_IS01，提供給RS-485通信電路，為通信芯片提供與控制和測量隔離的電源，從而降低線路干擾，保證系統(tǒng)正常工作。DC5V通過模塊隔離轉(zhuǎn)換為±15V_IS0，該模塊隔離電壓為3kV，輸出電流± 33mA，可以滿足測量電路的運放電源要求；同時測量電路中的比較器需要+5V電壓，可以直接通過降壓模塊將+15V_IS0直接轉(zhuǎn)換為+5V_IS02，這兩組電源共同提供給測量回路使用。
[0029]( 二)系統(tǒng)原理介紹
[0030]列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)漏電流檢測模塊電路原理如圖3所示。以下CUP芯片采用arm芯片。
[0031]1、CPU控制電路，CPU控制電路實現(xiàn)CPU芯片的正常工作、程序下載、信息存儲及復位功能，完成通信、存儲等控制任務(wù)。主要包括CPU芯片，電壓監(jiān)測、復位電路，晶振電路，JTAG 口讀寫電路以及RAM存儲器接口電路等。核心控制處理器采用的CPU具有3級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，操作頻率可達10MHz ;內(nèi)置了嵌套的向量中斷控制器NVIC ;具有在系統(tǒng)編程ISP和在應(yīng)用編程IAP功能的512KB片上Flash程序存儲器。
[0032]本系統(tǒng)需要的功能可以通過CPU芯片的外設(shè)組件實現(xiàn):
[0033]①、4個UART、帶小數(shù)波特率發(fā)生功能、內(nèi)部FIFO、DMA支持和RS-485，用以實現(xiàn)RS-485 和 RS-232 通信；
[0034]②、8通道的12位主次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，具有掉電模式，測量范圍:0?Vrefp通常為3V，不超過VDDA ；12位轉(zhuǎn)換時間，200KHz ;可選擇由輸入跳變或定時器匹配信號觸發(fā)轉(zhuǎn)換；
[0035]③、3個增強型的I2C總線接口，用以實現(xiàn)與FRAM的連接；
[0036]CPU的晶振由12M有源晶振提供，12MHz內(nèi)部RC振蕩器IRC調(diào)整到I %的精度，片內(nèi)PLL無需高頻率晶振便可以使CPU以最高頻率10MHz運作；通過ARM微處理器芯片的1引腳完成對芯片3.3V電源電壓的監(jiān)控，復位芯片通過手動按鈕方式復位，增加了看門狗設(shè)置，確保了軟件的可靠性JTAG接口電路完成程序和數(shù)據(jù)的下載；存儲單元的設(shè)計采用I2C總線的IM位鐵電存儲器，可存儲128K個字節(jié)8位，該存儲器沒有寫延遲，數(shù)據(jù)保存期限為10年。
[0037]2、信號測量電路，信號測量電路完成對外部O300mA雙向電流的濾波，整形，放大，隔離等任務(wù)，將信號輸入到CPU內(nèi)部的ADC端口進行AD轉(zhuǎn)換，計算出當前的漏電流數(shù)值。
[0038]列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)漏電流檢測模塊的主要任務(wù)就是對DC600V供電裝置的輸出接地漏電流進行檢測，通過通信接口將檢測到的漏電流數(shù)據(jù)經(jīng)AP卡定時傳遞給6A系統(tǒng)的中央處理平臺，在司機控制室的6A顯示屏上顯示，所以列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)漏電流檢測模塊的信號測量電路需要高精度準確的采集漏電流信號，并將信號轉(zhuǎn)換成CPU可以進行ADC轉(zhuǎn)換的直流電平信號。
[0039]根據(jù)技術(shù)條件要求，漏電流模塊需對0—300mA的雙向直流信號進行采集，本設(shè)計首先對輸入電流信號通過電阻取樣，然后經(jīng)過由運放組成的二階有源低通濾波，一方面可以減少信號毛刺和降低波動，另一方面可以提高A/D的輸入阻抗，而且可以將輸出阻抗降低到最小，因為CPU的ADC模塊在處理快速變化的模擬信號時要求盡可能小的輸出阻抗來滿足精度要求。濾波后的電壓信號通過雙二極管的鉗位電路將電壓限制在±15V之間，防止高壓信號損壞運放，因為漏電流信號是雙向的，所以采集到的信號就有正負電壓兩種情況，本設(shè)計采用運放、電阻和精密整流二極管搭建全波精密整流電路，通過電阻匹配將正負電壓信號整流為后端的隔離放大器需要的0-250mV正信號。高精度隔離放大器輸出與輸入電路之間可達到4250Vpeak的電流隔離，抗電磁干擾性能極強；當與隔離電源配合使用時，可防止共模電壓線路上的噪聲、電流進入干擾、損害電路。隔離放大器可實現(xiàn)本設(shè)計中的精準電壓測量，輸出信號被自動調(diào)節(jié)至最大不超過3.3V的低側(cè)電源共模電壓。共模電壓輸出后通過運放搭建的差動運放電路將信號最后調(diào)制成電壓范圍為0—3.3V的TTL信號，進入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的輸入端。CPU內(nèi)置ADC的電源與參考電壓通過電感與CPU使用的數(shù)字電源隔離，信號輸入后通過軟件配置ADC時鐘、寄存器等，可以完成信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，達到設(shè)計的目的。
[0040]3、通信電路，第一收發(fā)器采用RS-485收發(fā)器，第二收發(fā)器采用RS-232收發(fā)器；通信電路完成列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)漏電流檢測模塊與供電裝置的通信，通過隔離的RS-485收發(fā)器傳遞漏電流數(shù)值，通過RS-232收發(fā)器與上位機完成參數(shù)修改、讀取。
[0041]列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)漏電流檢測模塊的通信任務(wù)主要完成與供電裝置之間的信息傳遞和上位機對模塊的讀寫，通過隔離的RS-485收發(fā)器與供電裝置進行數(shù)據(jù)交換，通過RS-232收發(fā)器完成對列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)漏電流檢測模塊數(shù)據(jù)的下載和讀寫。
[0042]列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)漏電流檢測模塊通過CPU內(nèi)置的UART通信接口與供電裝置進行RS-485通信，通信接口的隔離收發(fā)的RS-485的波特率為19200，為了保證信號傳輸?shù)馁|(zhì)量，隔離芯片需選用的高速光耦數(shù)據(jù)傳輸速率為IMbit/s，而且絕緣電壓高達2.5kV，完全滿足本設(shè)計的波特率需要；線路收發(fā)器芯片使用多點長線程傳輸總線芯片，專為在有干擾環(huán)境下工作而設(shè)計，共模輸入電壓范圍為±12V,三態(tài)輸出符合RS-485差分信號接口要求?？紤]到調(diào)試和日后可能增加的通信需要，本模塊設(shè)計了 2路完全相同的RS-485通信電路。
[0043]列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)漏電流檢測模塊通過CPU內(nèi)置的UART通信接口實現(xiàn)RS-232收發(fā)器通信功能，RS-232收發(fā)器使用收發(fā)器完成對AP卡數(shù)據(jù)的下載和CPU芯片的讀寫，收發(fā)器芯片專有的低壓差發(fā)送器輸出級確保在120kbps數(shù)據(jù)速率下維持RS-232收發(fā)器輸出電平，有2路接收器和2路驅(qū)動器，提供I μ A關(guān)斷模式有效降低功耗；關(guān)斷模式下，接收器保持有效狀態(tài)，對外部設(shè)備進行監(jiān)測，僅消耗I μ A電源電流。
【權(quán)利要求】
1.列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)漏電流檢測模塊，其特征在于:包括電源電路、通信電路、CPU控制電路和信號測量電路；電源電路為通信電路、CPU控制電路和信號測量電路提供所需電源，CPU控制電路通過信號測量電路、通信電路與DC600V供電裝置、上位機、6A系統(tǒng)通信。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)漏電流檢測模塊，其特征在于:所述的電源電路包括輸入濾波EM1、DC-DC隔離轉(zhuǎn)換模塊，輸入濾波EMI用于抑制高頻干擾，DC-DC隔離轉(zhuǎn)換模塊用于電壓變換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)漏電流檢測模塊，其特征在于:所述的通信電路包括第一收發(fā)器、第二收發(fā)器，列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)漏電流檢測模塊通過第一收發(fā)器與供電裝置進行數(shù)據(jù)通信，第二收發(fā)器用于數(shù)據(jù)讀寫與下載。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)漏電流檢測模塊，其特征在于:所述的信號測量電路包括濾波跟隨、精密整流、隔離放大、差動運放；為模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC提供所需電流信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)漏電流檢測模塊，其特征在于:所述的CPU控制電路包括ARM微處理器芯片、收發(fā)器UART、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC和外圍器件；收發(fā)器UART通過第一收發(fā)器與DC600V供電裝置通信，收發(fā)器UART通過第二收發(fā)器與上位機通信，DC600V供電裝置通過信號測量電路與模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC通信。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)漏電流檢測模塊，其特征在于:所述的外圍器件包括電壓監(jiān)測、復位電路、有源晶振、JTAG、電池電路、電容濾波以及串行存儲器；電壓監(jiān)測用于監(jiān)測CPU控制電路電壓；JTAG接口電路用于程序和數(shù)據(jù)的下載；串行存儲器為ARM微處理器芯片提供存儲空間；有源晶振為ARM微處理器芯片提供所需晶振；復位電路通過手動按鈕方式復位，內(nèi)置看門狗。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)漏電流檢測模塊，其特征在于:所述的第一收發(fā)器增設(shè)隔離電路。
【文檔編號】G01R31/02GK204086381SQ201420397656
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月18日
【發(fā)明者】李壯, 樊世君 申請人:中國北車集團大連機車研究所有限公司