基于DSP 的电弧式弓网离线检测系统

金 光，娄刘娟，于 龙，陈唐龙

0 引言

工程实践表明，弓网关系是目前制约国内高速电气化铁路发展的瓶颈之一，而弓网电弧是弓网关系中需要解决的核心问题。

弓网电弧的危害主要有以下方面：对接触线和受电弓滑板产生侵蚀和磨耗；产生过电压；产生高频噪声；电力机车（高速动车）供电质量下降。因此研究电气化铁路中的弓网电弧问题，对促进国内高速铁路的建设和发展具有重要意义[1，2]。

1 弓网电弧的光谱特性

当机车高速运行时，机车通过其顶部的受电弓从高压接触线获取所需要的电流，当二者良好接触时，其电压相等。但在二者分离的瞬间，其电压差急剧增加，使得它们之间的气体发生“击穿”现象，从而引起气体放电。放电现象发生时，在电极最近处空气中的正负离子被电场加速，在移动过程中与其他空气分子碰撞产生新的离子，该离子大量增加的现象称之为“电离”。空气发生电离时，温度急剧上升，同时以弧光的形式发射出能量。

通过光谱分析仪，在25 kV 交流电、铜导线和金属冶金滑板的实验环境下，可以测得弓网离线电弧光谱特征分布曲线。由实验可知，弓网电弧能量的分布相对比较集中，其中紫外光部分的波长主要集中在3 个区域内：270～300 nm，320～330 nm，396～400 nm[3，4]。因此，在实际测量中，只需要重点检测这几个波段的紫外光，便可较为准确全面地检测是否有弓网电弧现象发生，从而得到弓网离线相关参数。

2 系统总体设计

该系统主要是根据弓网电弧的光谱特性，采用光电传感器捕捉弓网离线时所产生的紫外光，由此来判断是否有离线情况发生。系统设计总体框图如图1 所示。

3 系统硬件电路设计

3.1 紫外光电传感器

在该系统中，对紫外光电传感器的选型依据主要是离线电弧光的波长范围，也就是说选用的紫外光电传感器的感应范围必须要能包括离线弧光的能量集中范围，这样才能良好地实现气体光谱匹配。除此之外，对于光电传感器的敏感范围、正常工作温度、环境等因素都是应考虑的问题。

图1 系统设计总体框图

通过比较，选用美国perkinelmer 公司生产的UV10T2E10F 型紫外线传感器，该紫外线传感器能很好地探测210～380 nm 光谱范围的紫外线辐射，并产生光电流，它具有高灵敏度，宽响应光谱范围，密封封装，小尺寸，低价格，宽工作温度范围以及能长期暴露在紫外光辐射下的特性，很适合紫外线探测应用[5，6]。根据弓网离线电弧的光谱特性，选择A1（290～390 nm）型滤光镜，可以对电弧发出的紫外光进行比较准确的响应，尽可能地减少外界干扰的影响。

UV10T2E10F 型紫外线传感器的基本参数

响应光谱波长范围：210～380 nm；

峰值相应波长：280 nm；

峰值低温度系数：140 mA/W；

工作电压：2.5～5 V；

工作温度：-20℃～80℃。

3.2 A/D 转换器

A/D 转换器选用ADS5422，ADS5422 是14 bit的最高采样频率可达62 MS/s 的高速AD 转换芯片，采用单一5 V 电源供电，在采样频率为10 M时其最大动态范围为82 dB，最高信噪比达到72 dB，其数字量输出可以直接和5 V 或者3.3 V 的CMOS 芯片连接，模拟量输入的峰值为4 V，可以直接输入0.5～4.5 V 的模拟量。

3.3 信号预处理电路

在系统中设计了放大电路对电流信号进行放大，然后进行滤波，最后将其转换成电压信号送到DSP 系统进行处理，能有效减少电磁干扰的影响。

在传感器的后续电路中，因为其输出的信号比较小，所以采用多级运放进行信号放大，避免阻抗饱和。另外还设计了RC 滤波器，减小干扰信号的影响。其中运放选用OPA336，该型号是专门为电池供电而设计的微功耗的CMOS 运算放大器，单电源供电即可工作，最低到 2.1 V，采用RAIL-TO-RAIL 技术，静态工作电流仅为20 μA，输入偏置电流仅为1 pA，适合运用于微电流转电压的设计。电路中R 和C 的取值应进行详细的计算。

另外，ADS5422 的模拟信号输入采取差分输入的方式，可以尽量减少信号噪声及电磁的干扰，尤其该方式可将所有偶次谐波通过正反2 个输入信号基本上相互抵消。

系统信号采集电路如图2 所示。

3.4 DSP 最小系统

3.4.1 TMS320VC5509 芯片特点

该设计选取TI 公司生产的TMS320VC5509 芯片作为本系统的DSP 芯片。TMS320C5509 芯片主要具有以下特点：

（1）TMS320VC5509 型DSP 是一款高性能、低功耗的定点DSP，其内部总线由1 个程序总线、3 个数据总线、2 个数据写总线组成，这些总线使得DSP 可以在一个周期内实现读3 个数据和写2个数据的高性能[7]。其内核电压在时钟频率为200 MHz 的时候为1.6 V，管脚电压在2.7～3.3 V的范围内，较低的内核电压和管脚电压实现了DSP的低功耗。

图2 系统信号采集电路图

（2）TMS320VC5509 型DSP 有丰富的片上外设功能，有双通道10 bit 的A/D 转换器、1 个可以访问异步存储器和同步存储器的外部存储接口（EMIF）、3 个多通道缓存串口（MCBSP）、USB接口、I2C 接口、主从设备（HPI）接口等，丰富的外设和管脚为DSP 的扩展外围设备奠定了基础。

3.4.2 电源模块设计

TMS320VC5509 芯片DSP 采用低电压分离式供电方式进行供电，这样可以大大降低DSP 芯片的功耗。其中芯片内核采用1.8 V 电压供电，外部I/O 采用3.3 V 电压供电[3]，据此可以选择TI 公司的TPS73HD318 芯片，该芯片是双路输出低压降（LDO）稳压器，最大电流750 mA，可以将TPS70451 的双输出配置成2 路不同的输出，分别输出1.8 V 和3.3 V 的电压。

3.4.3 FLASH

FLASH 是一种高速、电擦除、电改写的非易失性的存储器。因其具有速度快、容量大、功耗低以及成本低等优点，所以在电子、计算机、通信、军事以及航空航天等领域得到了广泛应用，根据容量、速度、兼容性等方面的考虑，选取美国SST公司的128 K×8 bit 的闪存存储器SST29LE010。

FLASH 连接到DSP 作为其外部程序存储器，供DSP 上电时启动载入程序使用，其作用是将FLASH 中保存的程序载入DSP 中运行。

3.4.4 数据RAM

对DSP 进行外扩存储器，增大系统的数据空间，用于对采集的数据进行暂存，数据RAM 选用IDT72V2113，该型号RAM 主要由一个内部RAM阵列以及读写控制单元、读写指针单元、输入输出寄存器、标志信号以及复位单元组成。通过设置输出使能引脚来决定数据输出的状态。另外为了方便数据的读写，IDT72V2113 还增加了一些对数据读写的控制信号，包括读写使能、读写时钟以及字宽控制等。

3.4.5 可编程逻辑器件

该系统选用Alter 公司的MAX 7000A，它通过嵌入IEEE 标准1149.1 JTAG（Joint Test Action Group）接口支持3.3 V ISP，并具有高级引脚锁定功能。该器件具有节能模式，还具有可编程电压摆率控制、6 个引脚或逻辑驱动输出使能信号、快速建立时间的输入寄存器、多电压I/O 接口能力和扩展乘积分布可配置等结构特性。

4 系统软件设计

4.1 系统主程序流程

系统主程序流程图如图3 所示。

4.2 数据处理实现

该系统是根据紫外光电传感器对弓网离线电弧发出的紫外光的响应来估算一个控制区段的电弧强度、电弧数目、电弧持续时间总和、最大电弧持续时间等数据，进而得到离线率、离线时间、燃弧率等一些重要的弓网关系评价参数。

因为当紫外光照射到紫外光电传感器上时，会发出一系列响应信号，通过对响应信号进行放大、滤波、A/D 转换等一系列处理之后，便可以转化成一系列响应脉冲的形式。紫外光强度越大，响应脉冲越密集、幅值越大；反之，越稀疏、幅值越小。

图3 系统主程序流程图

根据上述依据，然后编制相应的算法，利用DSP 的高速运算能力进行数据处理，便可以估算出需要的弓网关系评价参数。

4.3 上位机数据处理软件

该系统是作为接触网检测系统子系统来进行设计的，所以应与相应的上位机进行通讯，将DSP得到的电弧及离线信息上传至本地PC，并与接触网检测系统得到的公里标、时速等信息相结合，进而显示、保存，这样才能详细地反应线路状况，为线路的维护提供依据。

5 结束语

电弧检测技术是一种比较新的检测技术，在国内外的研究中越来越受到重视，在某些发达国家已经有相应的产品问世，但在国内还没有相应的产品出现，本文利用弓网电弧的光谱特性并结合当前在数据采集系统中应用较为广泛的DSP 技术，对弓网电弧进行检测，进而得到线路的一些弓网关系参数，如离线率、离线时间、燃弧率等，从而为线路的维护提供便利。但是由于系统使用的环境恶劣，并且存在较大的干扰，所以整个系统仍需进一步完善，以便更加准确地运行，提供更加可靠的数据，为下一步广泛应用于电气化铁路的检测领域打下基础。

[1] 于万聚.高速电气化铁路接触网[M].成都：西南交通大学出版社，2003.

[2] 雷栋，吴广宁，王万岗，等.高速铁路弓网电弧模拟装置的研制[J].机车电传动，2009，5（3）：42-44.

[3] 陈珂.电弧式弓网离线检测系统设计[D].西南交通大学，2007.

[4] 刘波.电力机车弓网离线电弧检测装置[D].西南交通大学，2007.

[5] 莫长江.基于ATMEGA48V 超低功耗便携式紫外强度仪[J].传感器世界，2007，6，（1）：37-39.

[6] UV10T2E10F datasheet.[EB/OL].http :// optoelectronics.perkinelmer.com/content/Datasheets/UV10T2E10F.pdf.2003

[7] Texas Instrument Incorporrated，彭启琮，武月琴，张舰，等译.TMS320VC55X 系列DSP 的CPU 与外设[M].北京：清华大学出版社，2004.

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[10] 马峰超，陈唐龙，牛大鹏.基于DSP 技术的接触网动态参数检测系统[J].现代电子技术，2009，6（8）：28-30.

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