道岔電流功率測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘 要：道岔電流功率測(cè)試儀是一種手持式便攜設(shè)備。文章介紹了道岔電流功率測(cè)試儀的系統(tǒng)構(gòu)成、模塊化程序設(shè)計(jì)方法和功能實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，這種測(cè)試儀方便可靠，極大地減輕鐵路工作人員檢修強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：道岔；鐵路微機(jī)監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)采集

引言

目前鐵路部門是將轉(zhuǎn)轍機(jī)的電壓電流采集出來傳送至監(jiān)測(cè)機(jī)房，由監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)顯示功率曲線。為了便于鐵路工程技術(shù)人員在設(shè)備檢修時(shí)能夠現(xiàn)場(chǎng)觀察道岔動(dòng)作時(shí)電壓電流功率值，于是開發(fā)出了道岔電流功率測(cè)試儀。這種測(cè)試儀能解決實(shí)際問題，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)測(cè)試儀的系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。根據(jù)功能劃分，整個(gè)測(cè)試儀大致可分為信號(hào)采集部分、存儲(chǔ)顯示部分、電量管理部分和上位機(jī)程序。

信號(hào)采集部分MCU2使用Freescale公司的微控制器MCF51AC256作為主處理芯片，包括線性放大器，多路模擬開關(guān)，采樣保持器，A/D轉(zhuǎn)換器等信號(hào)調(diào)理電路。其中電流測(cè)量采用5A互感型電流鉗表。

顯示控制部分MCU1使用另一塊MCF51AC256作為核心單元，包括顯示屏、鍵盤、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器AT24C1024B和時(shí)間芯片DS1302等構(gòu)成。顯示器是上海朗睿科技公司的3.5英寸LCD，EEPROM存儲(chǔ)器AT24C1024B，可保存至少20條曲線，時(shí)鐘芯片采用DS1302用于提供保存曲線的時(shí)間依據(jù)。

電量管理部分由8.4V鋰電池、電量計(jì)IC DS2781、開關(guān)芯片LTC2950-2、電壓轉(zhuǎn)換芯片AOZ1016AI等構(gòu)成。

上位機(jī)程序采用RS232與測(cè)試儀通信，PC機(jī)操作程序發(fā)出命令讀取測(cè)試儀保存曲線數(shù)據(jù)，并在PC機(jī)上進(jìn)行顯示。

2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)將應(yīng)用程序大致分為數(shù)據(jù)采集、UART通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和界面顯示等任務(wù)。

2.1 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)需要采集三路電壓和三路電流信號(hào)。在MCF51AC256中，AD模塊不能連續(xù)進(jìn)行通道轉(zhuǎn)換，需要指定AD通道順序。初始化后，定時(shí)觸發(fā)高速A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)其激活的某一個(gè)通道上的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣、保持，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。待轉(zhuǎn)換完成后，指定下一次轉(zhuǎn)換觸發(fā)時(shí)間和觸發(fā)通道。六路AD通道都轉(zhuǎn)換完成后，設(shè)定為數(shù)據(jù)采集一次。數(shù)據(jù)采集64次后，采用平均值來進(jìn)行數(shù)字濾波，得到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中。

在數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，判斷電流值是否大于某一固定值，若大于，將曲線準(zhǔn)備位置位，并將數(shù)據(jù)存放在曲線存儲(chǔ)區(qū)中，如曲線存儲(chǔ)區(qū)長度大于25，將曲線發(fā)送標(biāo)志位置位，MCU2可以向MCU1發(fā)送曲線數(shù)據(jù)；若曲線準(zhǔn)備位已經(jīng)置位，判斷電流值是否小于某一固定值，若小于，將曲線結(jié)束位置位。

2.2 UART通信程序設(shè)計(jì)

兩個(gè)MCU之間的采用UART通信交換數(shù)據(jù)。在設(shè)計(jì)中，UART通信均采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus_RTU協(xié)議。在兩個(gè)MCU通信中，MCU1設(shè)定為主機(jī)，MCU2設(shè)為從機(jī)。根據(jù)顯示屏顯示曲線界面的不同，主機(jī)向從機(jī)發(fā)送不同的查詢命令。從機(jī)回應(yīng)主機(jī)命令，并根據(jù)命令碼的不同向主機(jī)發(fā)送不同的曲線數(shù)據(jù)。

主機(jī)收到從機(jī)回應(yīng)信息，計(jì)算回應(yīng)信息的CRC校驗(yàn)碼，校驗(yàn)正確，將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；校驗(yàn)錯(cuò)誤，丟棄回應(yīng)信息[4]。主機(jī)通過定時(shí)器每500ms定時(shí)發(fā)送查詢命令，由于LCD實(shí)時(shí)值界面每1s刷新一次，可以認(rèn)為檢測(cè)、顯示具有較好的實(shí)時(shí)性。

2.3 存儲(chǔ)程序設(shè)計(jì)

MCU1收到MCU2回應(yīng)的數(shù)據(jù)后，判斷曲線準(zhǔn)備位是否為1，如為1，先將數(shù)據(jù)存順序放在緩沖區(qū)數(shù)組里，如果準(zhǔn)備位為0，這時(shí)查看曲線結(jié)束標(biāo)志位是否為1，若曲線結(jié)束位為1，說明曲線已結(jié)束，如果這時(shí)鍵盤上“保存”鍵被按下，保存標(biāo)志置位1，系統(tǒng)程序會(huì)將緩沖區(qū)數(shù)組里的全部數(shù)據(jù)保存在外部EEPROM芯片中。

2.4 界面顯示程序設(shè)計(jì)

液晶模塊在正常工作之前，需要系統(tǒng)初始化、寫入指令代碼、寫入數(shù)據(jù)三個(gè)步驟才能正常工作。在指令、數(shù)據(jù)寫入的過程中要注意時(shí)序問題，如果時(shí)序過短，會(huì)導(dǎo)致指令、數(shù)據(jù)無法正確寫入液晶模塊，而造成信息無法顯示或出現(xiàn)花屏現(xiàn)象。同時(shí)設(shè)計(jì)中利用內(nèi)存繪圖的技術(shù)。將需顯示的圖形繪制在內(nèi)存位圖中。然后再拷貝到屏幕上，這樣就很好地解決了屏幕閃爍的問題。

系統(tǒng)設(shè)置了三個(gè)曲線界面（總功率曲線界面、分功率曲線界面、電流曲線界面）、一個(gè)設(shè)置界面和一個(gè)實(shí)時(shí)值界面。

曲線界面以總功率曲線界面為例，首先設(shè)置坐標(biāo)軸與位移量，其中橫坐標(biāo)軸是曲線時(shí)間，每25個(gè)像素點(diǎn)1s，縱坐標(biāo)是功率值，默認(rèn)每一個(gè)像素點(diǎn)1W。當(dāng)曲線的時(shí)間大于11s或者功率值大于縱坐標(biāo)最大值時(shí)，界面會(huì)自動(dòng)調(diào)整時(shí)間軸和功率軸，使坐標(biāo)軸與曲線值相匹配。

實(shí)時(shí)值界面包含時(shí)間、電池電量、實(shí)時(shí)電能值和矢量圖，通過功率值的正負(fù)和矢量圖的方向，可以很容易地幫助鐵路工程人員進(jìn)行道岔交流電相位的判斷。

3 結(jié)束語

道岔電流功率測(cè)試儀的設(shè)計(jì)采用雙MCU結(jié)構(gòu)，采用LCD構(gòu)建良好的人機(jī)交互界。使用鋰電池供電便于操作人員通過鍵盤來采集道岔動(dòng)作時(shí)電流功率數(shù)據(jù)，且通過運(yùn)行曲線可以更直觀地掌握道岔的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)顯示道岔動(dòng)作時(shí)的電壓、電流、功率、頻率、相角、功率因數(shù)及設(shè)置參數(shù)等功能。目前該產(chǎn)品已經(jīng)在實(shí)際中使用，且運(yùn)行正常。

參考文獻(xiàn)

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[2]AT24C1024B Two-wire Serial EEPROM[Z].

[3]DS1302涓流充電時(shí)鐘保持芯片的原理與應(yīng)用[Z].廣州：廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司.

[4]Modbus通訊協(xié)議[Z].廣州：廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司.

作者簡(jiǎn)介：陶紅軍（1984-），男，漢族，籍貫：湖南永州，杭州祥元電子科技有限公司，大學(xué)學(xué)歷，助理工程師，研究方向：鐵路微機(jī)信號(hào)的采集與計(jì)算。