动车组总配电盘试验检测技术研究

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(中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111)

0 引言

我国CRH2型动车组新造和检修过程中，需要对车辆的逻辑控制部分进行充分的功能确认，试验过程中使用试验器模拟协助完成动车组静调的相关试验，通过设定检测回路的通断来模拟实际电路的高低电平变化，没有过流保护功能、逻辑连锁功能和报警功能。动车组配电盘的基板和子板均为PCB电路板设计，线路的负载保护能力取决于线路板相邻层间的绝缘层以及铜箔载流量能力。故障一旦发生致使配电盘设备烧损、供电中断。为提高高速列车新造检修调试效率，保证轨道交通装备的安全性、可靠性，在动车组配电盘控制回路中增加检测保护装置，实现对直流回路电流信号采集、存储，当回路中故障发生时可软件断开直流回路预防过载、过流引起的线路烧损，当软件防护失效时，采用保险丝熔断方式实现保护。两级保护机制能在动车组调试过程中对配电盘施加保护，具有实际意义。

1 总体设计方案

检测保护装置运行在配电盘前端，将配电盘检测保护装置串联到输入端线路中，通过对配电盘中线路的电流值进行测量，判定控制线路是否存在过流、过载问题。若装置所测得的线路电流大于软件设定的阀值时，系统会通过软硬件协同工作方式断开控制回路，对配电盘进行过载、短路保护。因此配电盘检测保护装置的主要功能有以下4点：

1)具有自检功能。通电试验前对总配电盘进行自检，检查各线路电流无异常，当线路电流异常时，有故障提示和报警；

2)具有短路、过载保护功能；

3)检测、记录各线路工作电流，提供记录数据下载接口；

4)显示屏实时显示各线路电流值。

1.1 硬件设计方案

硬件电路分为数字电路和模拟电路。信号采集电路板为模拟信号采集板，实现电流检测、线路控制等功能；CPU所在电路板为控制板。模拟电路将采集到的电流信号通过数据总线传输给主控制器，主控制器对所采集到的数据进行处理。总配电盘设备检测保护装置与总配电盘、车辆侧电源采用QE连接器连接，一个QE连接器是50芯，即一个QE连接器能够检测50条线路，5个QE连接器即可实现对250条线路的检测。

数据采集主要为电流采集。待检测线路主要为通讯线路，现车运行时会进行双向通讯，线路的电流为双向电流。设计的采集电路采集250条线路的电流状态时，需准确区分电流方向。通讯电路电流较小，对检测精度则有较大要求，检测电路范围为-1～1A。

IIC总线技术采用器件地址的硬件设置方法，通过软件寻址避免了器件片选线寻址的方法，硬件系统具有简单而灵活的扩展方法，满足设计要求[1]。

数据分析处理和存储功能，该设备需同时对250条线路的电流状态进行检测、分析处理、存储，对设备的CPU芯片性能，存储性能都提出了高要求。电流检测在原理设计中有不同的检测方法。文献[2]介绍了两类微电流检测方法，第一类是把电流转化成已知电阻两端的电压降；第二类是电流对放大器中已知电容充电，然后观察放大器输出电压。文献[3]介绍了电场转换为磁场原理的检测方法。本设计选用在线路中串联电流感测电阻。

数据显示则需在设备的显示屏上对250条线路的电流状态进行实时显示，同时提供对设备的设置接口。

图1 系统硬件设计图

图1为系统硬件设计图，控制电路电流经过载保护电路、短路保护电路、电流感测电阻流入动车组总配电盘。通过芯片的AD转换功能去检测电阻两端电压，用电压除以电阻阻值后即可得到线路的准确电流值。因为有250条线路需要检测，使用传统的CPU芯片AD端口检测方式无法实现，于是在此基础上选择了相应的功能芯片INA226。芯片INA226具备电流检测功能，同时可用其提供的IIC通讯接口将检测到的电流值发送给主控制器。芯片INA226的电流检测端口的输入电压范围为-81.92～81.92 mV之间，根据设备的功能需求，需要检测的电流范围为-1～1 A。将阻值为0.07 Ω电流检测电阻串联到信号回路中，INA226对电路检测电阻电压进行测量。由于动车组直流回路负载阻值较大，串联到回路中的电阻阻值相对回路负载很小，电阻对回路电流值策略无影响。

INA226将采集到的数据经IIC总线传送给主控制器STM32， IIC总线是一种串行通信协议，串行数据通信线有时钟和数据之分。SDA为串行数据线，SCL为串行时钟线。SDA(串行数据线)和SCL(串行时钟线)都是双向I/O线，接口电路为开漏输出．需通过上拉电阻接电源VCC[2]。当总线空闲时．两根线都是高电平，连接总线的外同器件都是CMOS器件，输出级也是开漏电路。主器件用于启动总线传送数据，并产生时钟以开放传送的器件，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件．在该系统内CPU时钟为主，其余芯片为从。电流监测系统选用IIC接口的原因主要有三个方面：

1)获取电流时需要知道获取的电流第1路的电流值还是第100路的电流值，通过IIC扩展芯片。IIC电流监测芯片地址可以通过硬件配置、软件获取，每一个IIC芯片的地址是唯一的，能够准确的获取到每一路的电流。

2)IIC通信需满足500 ms检测一次的时间要求，IIC通信频率设定400 kHz,完成1次IIC通信一共有36个bit位即获取1路的电流值需要0.09 ms，获取100路的电流信息为9 ms左右的时间，远小于500 ms一次的周期。

3)可扩展性，通过增加IIC硬件检测板卡，可以实现最多可实现2 048路电流监测。

1.1.1 信号采集与保护电路

目前不同电流检测技术被公布和实施：文献[4]和文献[5]采用新型高精度Rogowski线圈做感应元件，设计一种新型模拟信号处理系统对线圈输出电压信号进行处理，完成电流的测量和过载保护功能；文献[6]采用由MOS管为主要结构组成的电流检测方法，能够在实现电流缩放的同时，克服因对电流产生较大影响而使得输入电流信号有较大改变的问题；文献[7]采用自适应电化学微电流检测方法，检测方法自动化程度高，可靠性强，精度高；文献[8]采用基于卡尔曼滤波算法设计一个多通道高精度电压电流检测方法，卡尔曼滤波器非常适用于白噪声激励的任何平稳或非平稳随机向量过程的估计，所得估计再线性估计中精度最佳。

动车组总配电盘检测保护装置的模拟量采集模块兼具采集与保护功能。其中控制系统可以通过输出通断信号，通断被测直流回路。保护电路选用主控制器控制继电器实现[9]。设计基本思路为：当主控制器接收到采样芯片采集到的数据后，将采集到的数据与软件设定阀值比较，若采样值高于设定阀值，则主控制芯片输出中断检测指令，被测线路断开[9]。

为缩短设计周期，简化电路设计配电盘检测保护装置采用传统的电阻检测方法，通过在直流回路中串联电阻，对电阻电压进行采样，计算回路电流。

图2为配电盘检测保护装置的信号采集与保护电路。电路由快速熔断保险丝、继电器、晶体管输出光耦芯片、采样芯片INA226构成。信号采集电路可实现软硬件协同控制，实现线路检测保护功能。电路图中芯片TLP291的2脚受主控制器控制。当PORT1为低电平时，发光二极管导通，使芯片3脚与4脚导通。因为3脚直接接地，继电器线圈所在电路形成闭合回路，继电器得电，相应触点闭合，此时控制电路电流经继电器触点和电流检测电阻流入总配电盘。

图2 信号采集与保护电路

1.1.2 主控制器电路设计

主控制器选用STM32芯片，该芯片是控制系统的核心。主控制器具备丰富的通信接口选择。其中UART接口主要用于RS232与屏幕通信，RS485接口实现与上位机通信，SPI接口用于与外扩的Flash存储芯片通信，IIC接口用于电流检测芯片及IO扩展通信，USB接口用于数据下载。数字电路与模拟电路间通讯选用IIC总线，通过IIC扩展芯片对IIC总线进行扩展，以满足多通道采集需要[10]。IIC扩展芯片为PCA9546A。

系统数字控制电路原理如图3所示。STM32作为主控制器控制IIC总线的时序逻辑，电流检测芯片的主要功能是检测线路上的电流，主控制器通过IIC总线获取电流检测芯片上的电流值。

1.1.3 IIC总线的I/O扩展电路

配电盘检测保护装置可通过软件控制250条线路的通断，直接使用芯片的GPIO管脚无法控制250路检测线路通断。电流检测电路使用的IIC通讯总线，只需在IIC总线上再增加足够数量的I/O扩展芯片完成通道扩展。IIC总线的I/O扩展电路原理如图4所示。

TCA9555PWR为IIC通讯接口的16位I/O口扩展芯片，可通过对一个芯片的控制实现输出16个控制信号。因为同为IIC接口，可以同时加入检测芯片的通讯总线内，与PCA9546A芯片配合，实现一个IIC接口既检测电流，又控制线路的通断功能。

1.1.4 IIC总线扩展电路设计

图5所示为IIC总线扩展电路，扩展芯片为PCA9546A。PCA9546A为TI公司的1扩4的IIC通讯扩展芯片，该芯片可加载到IIC通讯线路上，对线路进行扩展。通过IIC总线扩展，可实现信号的多通道采集。图中A0、A1为通讯地址配置引脚，可以通过调整两引脚接线调整芯片的IIC通讯地址。

图3 数字控制电路原理图

图4 IIC总线的I/O扩展电路

图5 IIC总线扩展电路

每条IIC通讯线路上可以挂载1个PCA9546A扩展芯片，每个扩展芯片可以扩展四个通讯通道，每个通道可以挂载16个电流检测芯片，只需要一条IIC通讯总线，一个PCA9546A扩展芯片，就可以同时检测64条通讯线路。主控制器共有4路IIC总线，对每条IIC控制总线扩展，最多能够实现256路通道检测。所设计的配电盘检测保护装置检测通道目标数目为250路，在实际硬件电路搭建时，检测电路检测通道数目为100路，后续通过系统升级完成250路通道检测目标。

主控制器用于启动总线传送数据，并产生时钟以开放传送的器件，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件．在该系统内CPU时钟为主，其余芯片为从。

1.2 软件件设计方案

动车组总配电盘检测保护装置的软件部分主要实现数据采集、数据处理、数据存储、人机交互、无线数据传输等功能。功能实现代码以C语言为主，并采用模块化的设计，应用程序按照高内敛、低耦合设计方法完成设计，确保了软件整体的功能性、可靠性、可维护性、安全性、可移植性[11]。

所设计系统主控制器STM32程序采用模块化设计思想，主要功能模块有：

1)主程序模块。主程序是对各种函数、功能模块的调用。

2)初始化模块。初始化是对主控芯片的所有外设接口的初始化以及系统自检。

3)电流检测模块。该模块采用轮询方式对所监测线路电流值进行采集，当所检测到的电流值超过阀值时，则通过软件断开线路，完成线路保护。

4)数据存储模块。该模块实现检测线路电流值的存储；型号信息的设置、读取；系统设置信息的读取、写入。

5)屏幕显示模块。该模块响应触摸屏的操作，所以信息通过屏幕显示。

图6 STM32程序流程图

STM32程序的软件流程图如图7所示。动车组总配电盘检测保护装置开机后首先完成系统初始化工作，对设备所有的外设接口进行配置，配置完成后，进行系统自检，通过检测设备屏幕、外扩存储芯片、和电流芯片，确保系统本身可用性。当系统本身可用满足检测条件，则开启电流检测功能，用户可对操作屏进行操作，完成电流检测、数据显示、数据存储、数据传输任务。

图7 配电盘检测保护装置主界面

主界面有记录查询、电流检测、系统设置、型号管理4个可操作菜单，按下记录查询后进入线路选择页面，通过选择不同的线路，查看选中线路电流值历史记录；按下电流监测后进入电流监测页面，默认刷新显示QE50路电流值；按下系统设置进入系统设置页面，可以设置系统时间、屏幕亮度、WIFI的名称、WIFI密码、ip地址、远程服务器的端口号、本地端口号、WIFI连接状态；按下型号管理进入型号管理页面，不同的型号设置的电流报警阈值不同，可以快速的切换电流阈值的设置。

电流监测页面如图8所示，显示当前应用的型号、总线及总线上线路实时电流值，开机后系统会自动跳转到电流监测页面，默认所有线路为断开，线路电流值为灰色，该页面有：总线1、总线2、连接、断开、查看、返回；各操作按钮的功能进行以下说明。

图8 电流监测页面

2 现场测试实例

产品在现车工作时，是需要断开车上的QE连接器，将设备串联在车上的总配电盘的控制线上，因此需要设备的外部连接器也必须是QE连接器，一端为插头、一端为插座，将保护装置在车上安装总配电盘的配电柜外使用，使用该装置时需将配电盘输入端QE连接器拔下，将保护装置串联到配电盘输入端线路内。系统开机进入待机页面，检测保护装置功能实现需执行以下操作：

第一步：点击待机页面系统设置按键。系统设置页面界面如图2所示。系统设置界面能够设置系统的时间、液晶背光亮度、接入WIFI的名称、密码、服务器ip地址、接口号、本地接口号、连接WIFI、断开WIFI、系统设置保存、WIFI状态显示。系统开机后自动连接上一次连接的无线路由，如果需要重新连接，需要修改完系统配置后，先按【保存】，再按【连接】才重新连接，否则仍然使用上一次系统配置。

第二步：在上一步完成无线路由连接后，点击【返回】按键，界面重新跳回到待机页面界面。点击待机页面界面的【型号管理】按键，系统会弹出型号管理界面。

第三步：型号管理界面点击【修改】按键进入阀值配置页面。可根据具体试验车型在阀值配置界面对线路阀值、型号名称进行修改，按下【保存】按键保存当前配置。按下【返回】按键界面跳回到型号管理界面。

第四步：在型号管理界面选中当前车型型号，点击【应用】按键，应用后各路线的阀值使用选中的车型。点击型号管理界面【返回】按键后，系统界面重新跳回系统待机界面。

第五步：完成型号管理后，点击型号管理界面【返回】按键，系统界面重新跳回系统待机界面。点击系统待机界面【电流检测】按键，会弹出电流检测界面。

第六步：电路检测页面下能够显示当前应用的型号、总线及总线上路线实时电流值。默认所有线路为断开，线路电流值为灰色。按下【总线1】，电流检测界面刷新显示总线1线路的电流值，按下【总线2】，电流检测界面刷新显示总线2线路的电流值。

第七步：电路检测界面可选择多条线路，选中后线路为黑色，按下【连接】选通选中的线路，选通后的线路为绿色，启动按键灯亮。选择多条选通后的线路，选中后线路为黑色，按下【断开】断开选中的路线，断开后的线路为灰色，启动按键灯灭。电路检测界面，不论线路是否连接，系统都会实时刷新电流值，正常状态下电流值显示为绿色，当电流值超过阀值时显示为红色。按下【查看】按键，查看该型号线路设定的电流阀值。按下【返回】按键，界面回到待机界面。

第八步：点击系统待机界面【记录查询】按键，检测会弹出记录查询界面。默认进入该页面显示总线1的线路，按下【总线1】或【总线2】，选择路线后查看选中路线的历史记录。

第九步：历史记录界面可以显示型号名称、电流值、时间、当前页数、总页数、数据导出状态。按下【上一页】按键，查看上一页数据，按下【下一页】按键，查看下一页数据，按下【WIFI导出】按键，通过WIFI将数据导出到服务器，按下【U盘导出】按键，数据通过U盘将该线路数据导出到U盘。历史记录在使用U盘导出时，需要将之前导出的数据进行备份，按下【U盘导出】按键后会将之前导出的数据覆盖，导出完后会进行提示。按下【返回】按键，返回到待机界面。

配电盘检测保护装置现车测试连接如图9所示，按照测试步骤可对司机台部分控制指令线电流值完成检测。检测保护装置对总配电盘内CN1连接器与CN2连接器中信号线检测。

3 结束语

完成配电盘检测保护装置软硬件设计。检测保护装置由数据采集电路、数字控制电路、辅助电路组成。检测保护装置能对配电盘线路上的电流进行采集，记录和传输，当线路上出现过载、过流时及时断开信号回路，实现保护作用。

针对装置单CPU控制通信接口数量不足，在硬件电路上完成IIC总线扩展和IIC总线I/O扩展，实现了多通道电流检测，解决了多通道大数据量传输速率不足问题。为抑制电流检测通道间相互干扰，选用IIC通信总线隔离芯片，实现通道间的电气隔离，提高了采样精度。

针对现车调试工况，所设计检测电路可检测控制回路中双向电流，控制电路可通断回路中双向电流，显示屏可显示正负电流。在信号控制回路中出现过载、短路情况时，软硬件协同控制信号回路，实现线路过流、短路防护。

为优化人机交互体验，丰富系统界面内容和功能，选用支持文本、控件操作的液晶显示屏，同时主控制器与显示屏采用串口通信，简化了开发流程和开发难度，缩短开发周期，节约开发成本。

针对无线通信技术在工程上的广泛应用，在主控制器上外接WIFI模块，实现了采样数据的远程共享。