基于DSP 的電弧式弓網(wǎng)離線檢測系統(tǒng)

金 光，婁劉娟，于 龍，陳唐龍

0 引言

工程實(shí)踐表明，弓網(wǎng)關(guān)系是目前制約國內(nèi)高速電氣化鐵路發(fā)展的瓶頸之一，而弓網(wǎng)電弧是弓網(wǎng)關(guān)系中需要解決的核心問題。

弓網(wǎng)電弧的危害主要有以下方面：對接觸線和受電弓滑板產(chǎn)生侵蝕和磨耗；產(chǎn)生過電壓；產(chǎn)生高頻噪聲；電力機(jī)車（高速動車）供電質(zhì)量下降。因此研究電氣化鐵路中的弓網(wǎng)電弧問題，對促進(jìn)國內(nèi)高速鐵路的建設(shè)和發(fā)展具有重要意義[1，2]。

1 弓網(wǎng)電弧的光譜特性

當(dāng)機(jī)車高速運(yùn)行時(shí)，機(jī)車通過其頂部的受電弓從高壓接觸線獲取所需要的電流，當(dāng)二者良好接觸時(shí)，其電壓相等。但在二者分離的瞬間，其電壓差急劇增加，使得它們之間的氣體發(fā)生“擊穿”現(xiàn)象，從而引起氣體放電。放電現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，在電極最近處空氣中的正負(fù)離子被電場加速，在移動過程中與其他空氣分子碰撞產(chǎn)生新的離子，該離子大量增加的現(xiàn)象稱之為“電離”?？諝獍l(fā)生電離時(shí)，溫度急劇上升，同時(shí)以弧光的形式發(fā)射出能量。

通過光譜分析儀，在25 kV 交流電、銅導(dǎo)線和金屬冶金滑板的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，可以測得弓網(wǎng)離線電弧光譜特征分布曲線。由實(shí)驗(yàn)可知，弓網(wǎng)電弧能量的分布相對比較集中，其中紫外光部分的波長主要集中在3 個(gè)區(qū)域內(nèi)：270～300 nm，320～330 nm，396～400 nm[3，4]。因此，在實(shí)際測量中，只需要重點(diǎn)檢測這幾個(gè)波段的紫外光，便可較為準(zhǔn)確全面地檢測是否有弓網(wǎng)電弧現(xiàn)象發(fā)生，從而得到弓網(wǎng)離線相關(guān)參數(shù)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要是根據(jù)弓網(wǎng)電弧的光譜特性，采用光電傳感器捕捉弓網(wǎng)離線時(shí)所產(chǎn)生的紫外光，由此來判斷是否有離線情況發(fā)生。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖如圖1 所示。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 紫外光電傳感器

在該系統(tǒng)中，對紫外光電傳感器的選型依據(jù)主要是離線電弧光的波長范圍，也就是說選用的紫外光電傳感器的感應(yīng)范圍必須要能包括離線弧光的能量集中范圍，這樣才能良好地實(shí)現(xiàn)氣體光譜匹配。除此之外，對于光電傳感器的敏感范圍、正常工作溫度、環(huán)境等因素都是應(yīng)考慮的問題。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖

通過比較，選用美國perkinelmer 公司生產(chǎn)的UV10T2E10F 型紫外線傳感器，該紫外線傳感器能很好地探測210～380 nm 光譜范圍的紫外線輻射，并產(chǎn)生光電流，它具有高靈敏度，寬響應(yīng)光譜范圍，密封封裝，小尺寸，低價(jià)格，寬工作溫度范圍以及能長期暴露在紫外光輻射下的特性，很適合紫外線探測應(yīng)用[5，6]。根據(jù)弓網(wǎng)離線電弧的光譜特性，選擇A1（290～390 nm）型濾光鏡，可以對電弧發(fā)出的紫外光進(jìn)行比較準(zhǔn)確的響應(yīng)，盡可能地減少外界干擾的影響。

UV10T2E10F 型紫外線傳感器的基本參數(shù)

響應(yīng)光譜波長范圍：210～380 nm；

峰值相應(yīng)波長：280 nm；

峰值低溫度系數(shù)：140 mA/W；

工作電壓：2.5～5 V；

工作溫度：-20℃～80℃。

3.2 A/D 轉(zhuǎn)換器

A/D 轉(zhuǎn)換器選用ADS5422，ADS5422 是14 bit的最高采樣頻率可達(dá)62 MS/s 的高速AD 轉(zhuǎn)換芯片，采用單一5 V 電源供電，在采樣頻率為10 M時(shí)其最大動態(tài)范圍為82 dB，最高信噪比達(dá)到72 dB，其數(shù)字量輸出可以直接和5 V 或者3.3 V 的CMOS 芯片連接，模擬量輸入的峰值為4 V，可以直接輸入0.5～4.5 V 的模擬量。

3.3 信號預(yù)處理電路

在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了放大電路對電流信號進(jìn)行放大，然后進(jìn)行濾波，最后將其轉(zhuǎn)換成電壓信號送到DSP 系統(tǒng)進(jìn)行處理，能有效減少電磁干擾的影響。

在傳感器的后續(xù)電路中，因?yàn)槠漭敵龅男盘柋容^小，所以采用多級運(yùn)放進(jìn)行信號放大，避免阻抗飽和。另外還設(shè)計(jì)了RC 濾波器，減小干擾信號的影響。其中運(yùn)放選用OPA336，該型號是專門為電池供電而設(shè)計(jì)的微功耗的CMOS 運(yùn)算放大器，單電源供電即可工作，最低到 2.1 V，采用RAIL-TO-RAIL 技術(shù)，靜態(tài)工作電流僅為20 μA，輸入偏置電流僅為1 pA，適合運(yùn)用于微電流轉(zhuǎn)電壓的設(shè)計(jì)。電路中R 和C 的取值應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算。

另外，ADS5422 的模擬信號輸入采取差分輸入的方式，可以盡量減少信號噪聲及電磁的干擾，尤其該方式可將所有偶次諧波通過正反2 個(gè)輸入信號基本上相互抵消。

系統(tǒng)信號采集電路如圖2 所示。

3.4 DSP 最小系統(tǒng)

3.4.1 TMS320VC5509 芯片特點(diǎn)

該設(shè)計(jì)選取TI 公司生產(chǎn)的TMS320VC5509 芯片作為本系統(tǒng)的DSP 芯片。TMS320C5509 芯片主要具有以下特點(diǎn)：

（1）TMS320VC5509 型DSP 是一款高性能、低功耗的定點(diǎn)DSP，其內(nèi)部總線由1 個(gè)程序總線、3 個(gè)數(shù)據(jù)總線、2 個(gè)數(shù)據(jù)寫總線組成，這些總線使得DSP 可以在一個(gè)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)讀3 個(gè)數(shù)據(jù)和寫2個(gè)數(shù)據(jù)的高性能[7]。其內(nèi)核電壓在時(shí)鐘頻率為200 MHz 的時(shí)候?yàn)?.6 V，管腳電壓在2.7～3.3 V的范圍內(nèi)，較低的內(nèi)核電壓和管腳電壓實(shí)現(xiàn)了DSP的低功耗。

圖2 系統(tǒng)信號采集電路圖

（2）TMS320VC5509 型DSP 有豐富的片上外設(shè)功能，有雙通道10 bit 的A/D 轉(zhuǎn)換器、1 個(gè)可以訪問異步存儲器和同步存儲器的外部存儲接口（EMIF）、3 個(gè)多通道緩存串口（MCBSP）、USB接口、I2C 接口、主從設(shè)備（HPI）接口等，豐富的外設(shè)和管腳為DSP 的擴(kuò)展外圍設(shè)備奠定了基礎(chǔ)。

3.4.2 電源模塊設(shè)計(jì)

TMS320VC5509 芯片DSP 采用低電壓分離式供電方式進(jìn)行供電，這樣可以大大降低DSP 芯片的功耗。其中芯片內(nèi)核采用1.8 V 電壓供電，外部I/O 采用3.3 V 電壓供電[3]，據(jù)此可以選擇TI 公司的TPS73HD318 芯片，該芯片是雙路輸出低壓降（LDO）穩(wěn)壓器，最大電流750 mA，可以將TPS70451 的雙輸出配置成2 路不同的輸出，分別輸出1.8 V 和3.3 V 的電壓。

3.4.3 FLASH

FLASH 是一種高速、電擦除、電改寫的非易失性的存儲器。因其具有速度快、容量大、功耗低以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，所以在電子、計(jì)算機(jī)、通信、軍事以及航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，根據(jù)容量、速度、兼容性等方面的考慮，選取美國SST公司的128 K×8 bit 的閃存存儲器SST29LE010。

FLASH 連接到DSP 作為其外部程序存儲器，供DSP 上電時(shí)啟動載入程序使用，其作用是將FLASH 中保存的程序載入DSP 中運(yùn)行。

3.4.4 數(shù)據(jù)RAM

對DSP 進(jìn)行外擴(kuò)存儲器，增大系統(tǒng)的數(shù)據(jù)空間，用于對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行暫存，數(shù)據(jù)RAM 選用IDT72V2113，該型號RAM 主要由一個(gè)內(nèi)部RAM陣列以及讀寫控制單元、讀寫指針單元、輸入輸出寄存器、標(biāo)志信號以及復(fù)位單元組成。通過設(shè)置輸出使能引腳來決定數(shù)據(jù)輸出的狀態(tài)。另外為了方便數(shù)據(jù)的讀寫，IDT72V2113 還增加了一些對數(shù)據(jù)讀寫的控制信號，包括讀寫使能、讀寫時(shí)鐘以及字寬控制等。

3.4.5 可編程邏輯器件

該系統(tǒng)選用Alter 公司的MAX 7000A，它通過嵌入IEEE 標(biāo)準(zhǔn)1149.1 JTAG（Joint Test Action Group）接口支持3.3 V ISP，并具有高級引腳鎖定功能。該器件具有節(jié)能模式，還具有可編程電壓擺率控制、6 個(gè)引腳或邏輯驅(qū)動輸出使能信號、快速建立時(shí)間的輸入寄存器、多電壓I/O 接口能力和擴(kuò)展乘積分布可配置等結(jié)構(gòu)特性。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)主程序流程

系統(tǒng)主程序流程圖如圖3 所示。

4.2 數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)是根據(jù)紫外光電傳感器對弓網(wǎng)離線電弧發(fā)出的紫外光的響應(yīng)來估算一個(gè)控制區(qū)段的電弧強(qiáng)度、電弧數(shù)目、電弧持續(xù)時(shí)間總和、最大電弧持續(xù)時(shí)間等數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到離線率、離線時(shí)間、燃弧率等一些重要的弓網(wǎng)關(guān)系評價(jià)參數(shù)。

因?yàn)楫?dāng)紫外光照射到紫外光電傳感器上時(shí)，會發(fā)出一系列響應(yīng)信號，通過對響應(yīng)信號進(jìn)行放大、濾波、A/D 轉(zhuǎn)換等一系列處理之后，便可以轉(zhuǎn)化成一系列響應(yīng)脈沖的形式。紫外光強(qiáng)度越大，響應(yīng)脈沖越密集、幅值越大；反之，越稀疏、幅值越小。

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

根據(jù)上述依據(jù)，然后編制相應(yīng)的算法，利用DSP 的高速運(yùn)算能力進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，便可以估算出需要的弓網(wǎng)關(guān)系評價(jià)參數(shù)。

4.3 上位機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件

該系統(tǒng)是作為接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)子系統(tǒng)來進(jìn)行設(shè)計(jì)的，所以應(yīng)與相應(yīng)的上位機(jī)進(jìn)行通訊，將DSP得到的電弧及離線信息上傳至本地PC，并與接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)得到的公里標(biāo)、時(shí)速等信息相結(jié)合，進(jìn)而顯示、保存，這樣才能詳細(xì)地反應(yīng)線路狀況，為線路的維護(hù)提供依據(jù)。

5 結(jié)束語

電弧檢測技術(shù)是一種比較新的檢測技術(shù)，在國內(nèi)外的研究中越來越受到重視，在某些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)有相應(yīng)的產(chǎn)品問世，但在國內(nèi)還沒有相應(yīng)的產(chǎn)品出現(xiàn)，本文利用弓網(wǎng)電弧的光譜特性并結(jié)合當(dāng)前在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛的DSP 技術(shù)，對弓網(wǎng)電弧進(jìn)行檢測，進(jìn)而得到線路的一些弓網(wǎng)關(guān)系參數(shù)，如離線率、離線時(shí)間、燃弧率等，從而為線路的維護(hù)提供便利。但是由于系統(tǒng)使用的環(huán)境惡劣，并且存在較大的干擾，所以整個(gè)系統(tǒng)仍需進(jìn)一步完善，以便更加準(zhǔn)確地運(yùn)行，提供更加可靠的數(shù)據(jù)，為下一步廣泛應(yīng)用于電氣化鐵路的檢測領(lǐng)域打下基礎(chǔ)。

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