【文章內(nèi)容簡介】 的工作原理是下位機(jī)嵌入系統(tǒng)將功率傳感器、電流傳感器、以及其它采集的模擬量數(shù)字化處理通過總線與上位機(jī)和監(jiān)測主機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，監(jiān)測主機(jī)接收到信息后及時(shí)的與既有的初始化數(shù)據(jù)庫做出比較，把轉(zhuǎn)轍機(jī)及待測量以圖形，數(shù)字方式顯示出來，并設(shè)置出上、下限報(bào)警判斷。并可以在必要時(shí)將現(xiàn)場的圖像上傳到監(jiān)測主機(jī)，以確認(rèn)現(xiàn)場情況，便于分析、故障診斷等。 本章小結(jié)本章主要對本次課題的試驗(yàn)現(xiàn)場做了具體的說明，講述了軌道電路的原理及作用。列出了在鐵路運(yùn)行系統(tǒng)中鐵路道岔經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)的安全問題，并提出了解決的方法。最后主要是針對電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)信號(hào)檢測方面提出了總體的方案設(shè)計(jì)。第三章 下位機(jī)系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的下位機(jī)部分主要是基于一種流水線結(jié)構(gòu)微處理器C8051F410設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用方案。為了解決鐵軌轉(zhuǎn)轍機(jī)容易發(fā)生故障的問題，利用自帶內(nèi)核的高精度三相電能專用芯片，實(shí)現(xiàn)了對鐵軌轉(zhuǎn)轍機(jī)工作狀況進(jìn)行在線的監(jiān)測。通過對供電電源，信號(hào)采集通道，以及信號(hào)輸出通道進(jìn)行必要的抗干擾設(shè)計(jì)，采取總線通訊，光電隔離，短路保護(hù)以及過載保護(hù)等措施，使系統(tǒng)很好的適應(yīng)了工作環(huán)境的復(fù)雜性。在現(xiàn)場的試運(yùn)行中已得到很好的驗(yàn)證，該方案在電磁干擾很強(qiáng)的工作環(huán)境中有很好的應(yīng)用前景。電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)每次工作的時(shí)候都有固定的功率，正常情況下道岔轉(zhuǎn)換是一個(gè)相對穩(wěn)定的過程，每次電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)的動(dòng)作時(shí)間大概為8秒鐘，在這期間轉(zhuǎn)轍機(jī)的功率基本不變，以及動(dòng)作電流也是一條有規(guī)律的曲線。通過監(jiān)測設(shè)備的智能診斷軟件分析電流波形和數(shù)值的變化，可判別出轉(zhuǎn)轍機(jī)工作是否正常，并記錄其劣化趨勢；或進(jìn)行故障定位和分離，找出故障部件和位置。從而及時(shí)報(bào)警以預(yù)防事故，同時(shí)給維修工作提供科學(xué)指導(dǎo)。為將來設(shè)計(jì)更高級(jí)的設(shè)備奠定了基礎(chǔ)。為保證電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)能夠及時(shí)的報(bào)警和處理，要對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)加以存儲(chǔ)分析，需要對功率信號(hào)進(jìn)行檢測。本文中我們采用專用的芯片。對三相四線制的電動(dòng)機(jī)功率的在線監(jiān)測。采用專用功率芯片對功率信號(hào)檢測，通過總線與上位機(jī)通信，使得信號(hào)的可靠性得到更好的保證，最終達(dá)到調(diào)度監(jiān)督、微機(jī)監(jiān)測、有效管理的目的[11]。 系統(tǒng)基本工作原理本系統(tǒng)主要分為兩種應(yīng)用模式，既能應(yīng)用于數(shù)據(jù)終端，也可應(yīng)用于模擬終端。系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示，電壓電流互感器三相電能芯片流水線式處理器JTAG在線調(diào)試電路DC/DC電源電路模式1 四路 電流源模式2 485通訊模塊復(fù)位電路 硬件電路原理圖 Schematic Figure of hardware circuit從圖中可以看出本文設(shè)計(jì)了兩個(gè)測量模式：一種監(jiān)測模式是本系統(tǒng)中四路的電流源把采集到的功率信號(hào)以及三路電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，在實(shí)際應(yīng)用中有專門的儀器來對采集到的信號(hào)進(jìn)行檢測測量；另一種模式是把信號(hào)通過模塊同上位機(jī)進(jìn)行通信，把信號(hào)實(shí)時(shí)的傳送到上位機(jī)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)以及實(shí)現(xiàn)備份打印等功能。 功率信號(hào)計(jì)算原理系統(tǒng)中采用的功率芯片集成了六路二階、參考電壓電路。它不需要外接數(shù)據(jù)采集芯片，系統(tǒng)有很高的集成度。采用雙端差分信號(hào)輸入形式，減少了干擾源。在此芯片中完成對有功功率的計(jì)算，通過對去直流分量后的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行乘法、加法、數(shù)字濾波等一系列數(shù)字信號(hào)處理后得到各相有功功率。前端的采用過采樣技術(shù)，可充分保證電流、電壓采樣速率級(jí)同步性，根據(jù)采樣定理可知在進(jìn)行電流、電壓采樣數(shù)據(jù)中包含高達(dá)次的諧波信息，依據(jù)公式計(jì)算得到的有功功率也至少包含次諧波信息信號(hào)。 (31)在三相三線模式下采用兩元件測量方法，合相功率計(jì)算公式為： (32) (33) (34)在三相三線模式下的相通道不參加功率計(jì)量，只有相和相通道參與三相三線的測量。但是可以將通道的參數(shù)單獨(dú)放出，只要在通道的電壓與電流通道上加入相應(yīng)信號(hào)[13]。在三相三線模式下仍可讀取參數(shù)，但是通道的電壓與電流通道上，所加的任何信號(hào)都不會(huì)對三相三線的正常測量產(chǎn)生不良影響。原理圖如下圖所示，合相有功功率： (35)圖 有功功率測量 電壓和電流有效值測量軌道電路接收端電壓、列車信號(hào)燈電壓有效值測量通過對電壓采樣值進(jìn)行平方開方以及數(shù)字濾波等一系列運(yùn)算得到，電壓通道輸入到的信號(hào)時(shí)電壓有效值的誤差小于。具體的電壓有效值測量及處理原理圖如下所示：圖 電壓有效值測量對電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)的電流測量是通過對電流采樣值進(jìn)行平方開方以及數(shù)字濾波等一系列運(yùn)算得到。電流通道輸入到的信號(hào)時(shí)電流有效值的誤差小于，具體的電流有效值測量及處理原理圖如下所示： 電流有效值測量Figure Effective value of current SPI通訊功率芯片與單片機(jī)系統(tǒng)的接口是通過提供的一個(gè)總線接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。在系統(tǒng)中采取在功率芯片中采樣計(jì)算得到的有功功率、電壓以及電流存儲(chǔ)到功率芯片相對應(yīng)的寄存器中；然后讀入到中對其求半個(gè)周期的平均功率的方法，這樣得到的功率誤差小，精度、響應(yīng)時(shí)間都可以得到很好的保證[3]。此外，內(nèi)部的電壓監(jiān)測電路可以保證加電和斷電時(shí)正常工作。 下位機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)采取模塊化設(shè)計(jì)的方法，本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的模塊主要包括：通訊總線接口模塊、電流源電路、功功率檢測模塊、高速光電耦合器、編程調(diào)試接口電路、電源電路、振蕩器電路、電源監(jiān)控電路、系統(tǒng)復(fù)位以及信號(hào)輸出模塊等組成。以下對所設(shè)計(jì)的各個(gè)子模塊進(jìn)行詳細(xì)的介紹。 微控制器系統(tǒng)概述器件是完全集成的低功耗混合信號(hào)片上系統(tǒng)型。下面列出了一些主要特性：高速、流水線結(jié)構(gòu)的兼容的微控制器核（可達(dá)）；全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)）；高精度可編程的內(nèi)部振蕩器；必要時(shí)可以對其進(jìn)行倍頻處理。的片內(nèi)存儲(chǔ)器；字節(jié)片內(nèi) ；硬件實(shí)現(xiàn)的；增強(qiáng)型和增強(qiáng)型串行接口；個(gè)通用的位定時(shí)器；具有個(gè)捕捉/比較模塊和看門狗定時(shí)器功能的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列（）；硬件實(shí)時(shí)時(shí)鐘（），工作電壓可低至，帶字節(jié)電池后備和后備穩(wěn)壓器；片內(nèi)上電復(fù)位、監(jiān)視器和溫度傳感器；片內(nèi)電壓比較器；多達(dá) 個(gè)端口。 信號(hào)采集電路系統(tǒng)的工作過程是高壓信號(hào)經(jīng)過電壓互感器轉(zhuǎn)化到左右，經(jīng)過電流互感器把電流信號(hào)轉(zhuǎn)化到左右。轉(zhuǎn)化后得到的信號(hào)經(jīng)過整流濾波調(diào)理后輸入三相電能芯片中。信號(hào)輸入到中后將測的有功功率、三相電流信號(hào)存入相應(yīng)的參數(shù)輸出寄存器中。芯片接流水線式處理器，在高速的流水線指令結(jié)構(gòu)下，程序執(zhí)行速度可以達(dá)到，使系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得到滿足。用中斷的方式從的寄存器中讀出相應(yīng)的信號(hào)值。信號(hào)采集電路如下圖]：圖 信號(hào)采集電路 ATT7022a 信號(hào)處理外圍電路針對該信號(hào)做出兩種處理：第一種是是針對系統(tǒng)與上位機(jī)相連的檢測系統(tǒng)，需要做總線通訊的處理。另一種模塊針對測量儀器是模擬儀器， 要求平均功率和有效電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為的電流信號(hào)，以便進(jìn)行測量顯示。在實(shí)際的應(yīng)用中兩種模塊可以按照實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行選擇。 光隔RS485總線模塊為增強(qiáng)總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，的輸出不直接和相連，而是通過高速光耦后再相連。光隔總線電路如圖3所示： 光隔RS485總線電路圖光耦電路所采用的兩個(gè)電源和必須完全隔離，否則采用光耦也就失去了意義。電源的完全隔離可采用小功率電源隔離模塊實(shí)為了避免后續(xù)信號(hào)處理部分帶強(qiáng)電，同時(shí)避免數(shù)字信號(hào)對模擬信號(hào)的干擾，提高系統(tǒng)性能，采用了高速光電耦合器件。由于采用了串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使得電路接口變得簡單，同時(shí)串行時(shí)鐘變得很高，普通光電耦合器件遠(yuǎn)不能滿足要求。我們采用了光電耦合器，速度高達(dá)[]。RS485總線通信需要注意的問題主要有以下三點(diǎn)：總線隔離總線為并接式二線制接口，會(huì)出現(xiàn)有一個(gè)芯片出現(xiàn)故障就可能將總線“拉死” 的現(xiàn)象，因此對其二線口與總線之間都分別各串接一只的 電阻。對外置設(shè)備為防止強(qiáng)電磁干擾，可以選用防雷擊芯片[59]。此外同時(shí)和地之間各連接的二極管，以消除線路浪涌的干擾。 失效保護(hù)措施標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了接收器門限為。因此它的作用是可以提供較高的噪聲抑制能力，但是同時(shí)會(huì)產(chǎn)生當(dāng)總線電壓在中間狀態(tài)時(shí)可能會(huì)引起的接收器輸出狀態(tài)的不確定性。當(dāng)總線空閑、斷路或短路的時(shí)候都會(huì)出現(xiàn)兩線之間的電壓低于的情況發(fā)生，須要采取必要的措施加以處理?？梢栽倏偩€上加上偏置電阻加以防護(hù)，當(dāng)總線空閑或開路的時(shí)候，利用加的偏置電阻將總線偏置到一個(gè)確定的狀態(tài)。但是這種方法不能解決總線短路的問題。要想解決總線短路的問題，我們選用公司的系列的接口，它的接收門限被移到。這樣就可以省去了外部偏置電阻，同時(shí)也解決了總線短路的失效保護(hù)的缺陷。電磁抗干擾問題驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)中的共模輸出必須要一個(gè)返回通道，多數(shù)情況下要采取一個(gè)低阻的返回通道即信號(hào)地。如果沒有這個(gè)措施，信號(hào)就會(huì)以輻射的形式返回源端，整個(gè)總線就會(huì)像一個(gè)電磁波發(fā)生器，干擾將會(huì)很大，以至于影響正常的信號(hào)傳輸。因此對于網(wǎng)絡(luò)必須加上低阻的信號(hào)地。但是這種傳統(tǒng)的方法只對高阻型共模干擾有效。本文中采取的措施主要有以下三種：1） 當(dāng)干擾源內(nèi)阻很大時(shí)，可以再接地線上加上限流電阻限制干擾電流。接地電阻不能太大以避免共模電壓升高。2） 采用浮地技術(shù)，隔離接地環(huán)路。這種方法適合共模干擾電阻較小的時(shí)候。此時(shí)是將引入的干擾結(jié)點(diǎn)浮置與大地或機(jī)殼隔離，從而不會(huì)產(chǎn)生較大的環(huán)路電流。3） 采用隔離接口技術(shù)，當(dāng)不能懸浮時(shí)可以采用隔離接口來隔離接地回路。 電流源模塊功率信號(hào)及三相電流有效值經(jīng)過后，再經(jīng)過光電耦合器把電壓轉(zhuǎn)換為電流的電路（即電流源），把電壓信號(hào)變成的電流信號(hào)，具體電路如圖所示[35]：圖中的起驅(qū)動(dòng)作用，信號(hào)經(jīng)過雙路放大整流，把脈沖電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為與之成線性關(guān)系的電流信號(hào)。這樣保證了輸入與輸出的對應(yīng)關(guān)系，使得輸出能準(zhǔn)確的反映采集到的信號(hào)變化情況[36]。 電流源原理圖