何 濤,高 帥,張 銳
(1.蘭州交通大學(xué)自動控制研究所,甘肅蘭州 730070;2.光電技術(shù)與智能控制教育部重點實驗室,甘肅蘭州 730070;3.甘肅省軌道交通信號與控制評測行業(yè)技術(shù)中心,甘肅蘭州 730070;4.甘肅眾一合技術(shù)有限公司,甘肅蘭州 730070)
道岔狀態(tài)監(jiān)測是鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)中非常重要的環(huán)節(jié),因為道岔作為鐵路線路中的重要設(shè)施,其狀態(tài)直接關(guān)系到列車的安全運行,其中交流轉(zhuǎn)轍機應(yīng)用最為廣泛。交流轉(zhuǎn)轍機狀態(tài)監(jiān)測可以及時發(fā)現(xiàn)道岔的異常情況,如能及時處理,可以保證列車順利通行。針對交流轉(zhuǎn)轍機的數(shù)據(jù)采集具有精度要求高、速率要求快、能耗要求低、可靠性要求高、安全性要求嚴(yán)格和反應(yīng)要求及時等特點,信號處理的特殊性(同時涵蓋直流分量和交流分量),如何設(shè)計一款符合現(xiàn)場要求的數(shù)據(jù)智能化采集終端,是目前需要解決的核心問題[1]。
交流轉(zhuǎn)轍機采集板為監(jiān)測系統(tǒng)底層的采集設(shè)備,本設(shè)計基于Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407單片機進行設(shè)計與實現(xiàn)。交流轉(zhuǎn)轍機采集板內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示,將采集板接入到交流轉(zhuǎn)轍機采集點中,使用采集器對實驗設(shè)備進行2部分信息采集:一部分是模擬量的采集(包括3路交流電流、1路直流電壓、2路表示電壓和2路交流電壓),通過電流傳感器和電壓傳感器將采集的信息變換成符合標(biāo)準(zhǔn)的電信號,然后通過LM324傳到STM32芯片進行ADC轉(zhuǎn)換;另一部分是開關(guān)量的采集,通過采集器將采集的8路電流信號通過光耦KAQV214傳到STM32芯片[2]。MCU將采集的所有信息進行處理,然后通過RS485通信模塊傳送到上位機進行下一步的故障分析處理。
圖1 采集板結(jié)構(gòu)示意圖
本研究將STM32F407處理器作為采集模塊的主控芯片,使用的內(nèi)核是ARM處理器的Cortex-M4,穩(wěn)定性高。同時,STM32F407外設(shè)資源豐富,為采集板增加擴展口提供了硬件基礎(chǔ),存儲容量大,且該處理器具備高精度多通道的快速ADC,可以高效穩(wěn)定地采集轉(zhuǎn)轍機電壓電流等模擬量,并且STM32F407兼有低功耗模式。這些特性滿足了采集板采集信息快速精準(zhǔn)的要求。
LM324四路運算放大器抗干擾能力強,成本低且無需增加多余的外部偏置元器件。此外LM324還具有短路保護輸出、內(nèi)部補償以消除自激振蕩、輸入保護等功能。故采用LM324進行模擬量的隔離變換采集[3]。
隔離變換設(shè)計共分2部分,包括3路交流電流采集和4路交流電壓采集,2部分電路設(shè)計大致思路方法類似,故以交流電壓(圖2)為例進行介紹。首先通過TV0815交流電壓互感器進行高低信號的轉(zhuǎn)換,防止電壓/電流過大燒壞器件,然后通過設(shè)計兩級反相放大器(R2、R6為反饋電阻)用來構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng);運算放大器的反相輸入端接輸入保護電阻(R12、R13),運放的同相輸入端接地。將采集的信號通過負(fù)反饋輸入并放大,得到穩(wěn)定的輸出電壓傳到單片機進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
圖2 4路交流電壓采集電路
假設(shè)輸入信號經(jīng)過電壓互感器(L2)感應(yīng)得到的次邊電流為i(t),經(jīng)過兩級運算放大電路的信號表達(dá)式如式(1)所示(以交流電壓為例):
(1)
STM32對輸入模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換時,需要設(shè)置基準(zhǔn)參考電壓(VREF)以保證采集數(shù)據(jù)的精度和準(zhǔn)確性以及消除溫度漂移,進而確保采集的電壓具有較高的精度和準(zhǔn)確性?;鶞?zhǔn)參考電壓設(shè)置電路如圖3所示,使用LM336進行基準(zhǔn)電壓的設(shè)置,在電位器W1輸出端加入一個反饋電路LM324可以使得基準(zhǔn)參考電壓電路的輸出電壓更加精確。
圖3 基準(zhǔn)電壓設(shè)置電路
開關(guān)量的采集使用KAQV214光耦器件,可以很好地隔離輸入信號和輸出信號,使其不會受到彼此的干擾。
電源模塊設(shè)計采用URE2405P-6WR3(圖4),輸出功率為6 W,4∶1超寬電壓輸入范圍,具備輸出過壓保護、輸出短路保護和電源隔離功能[4]。使用URE2405P-6WR3進行24 V轉(zhuǎn)5 V輸出電壓,C3是濾波電容。D1(SMDJ24A)和D2(SMAJ5A)為TVS管,將D1加在24 V電源線和接地間,D2放置于信號線和接地間,能有效減少噪聲對信號的干擾,并能防止微處理器因瞬間的脈沖而工作異常進而影響整個道岔信息的采集處理過程,同時也起到避免器件損壞的效果[5]。
圖4 電源模塊電路設(shè)計
由于本設(shè)計采用的是STM32F407芯片,所以用到了模擬電源和模擬地,為防止相互產(chǎn)生串?dāng)_影響數(shù)據(jù)采集結(jié)果,先對其進行隔離設(shè)計。在數(shù)字地和模擬地間并聯(lián)2個0 Ω電阻(R84、R86)即可起到很好的隔離效果。原理圖設(shè)計如圖5所示。
圖5 數(shù)字電源/地與模擬電源/地隔離設(shè)計電路
RS485通信模塊硬件電路設(shè)計簡便、成本低、應(yīng)用廣等,本設(shè)計采用RS485通信與上位機進行數(shù)據(jù)傳遞,針對RS485通信總線在進行與上位機通信過程中會受到各種干擾的問題,將電路原理圖進行如圖6改進設(shè)計。
圖6 RS485通信模塊電路設(shè)計
RS485通信采用差分傳輸方式,極大提高了抗共模干擾的能力。針對RS485芯片接收器的檢測靈敏度問題,系統(tǒng)可能會在總線不工作狀態(tài)期間誤判接收到新的幀起始信號而工作異常,故在RS485的A輸出端和5 V電源線之間接一個4.7 kΩ的上拉電阻(R90)以及在B輸出端和地之間接一個4.7 kΩ的下拉電阻(R89),使A、B始終保持電位差,避免處理器工作不正常。
在鐵路信號實訓(xùn)系統(tǒng)中使用雙絞線(阻抗約為120 Ω)進行數(shù)據(jù)通信,為了減弱由于阻抗不匹配而產(chǎn)生的噪聲干擾 ,在進行線路設(shè)計時,在RS485的A、B輸出端并接1個120 Ω(R93)的匹配電阻,達(dá)到有效抑制噪聲干擾的效果[6]。
采集板的時鐘信號通過HSE時鐘振蕩器產(chǎn)生。本設(shè)計采用25 MHz晶體振蕩器,在振蕩器兩端并聯(lián)2個22 pF裝載電容,可以有效提高輸出準(zhǔn)確性以及減少啟穩(wěn)時間。
采用4位撥碼開關(guān)電路,由于通信波特率在通信協(xié)議中預(yù)設(shè)為115 200 bit/s,故選用4位撥碼開關(guān)(SW DIP-4)設(shè)置從機地址即可,分別與MCU的PB1、PB2、PC4、PC5IO端口連接,4路均接4.7 kΩ的上拉電阻。
本研究采用嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)工具Keil μVision V5,它集成了C/C ++編譯器、匯編器、鏈接器、調(diào)試器、圖形用戶界面等功能,可以幫助開發(fā)者快速開發(fā)嵌入式系統(tǒng)軟件。Keil 5可以支持大多數(shù)ARM處理器,如Cortex-M、Cortex-A、ARM7、ARM9、ARM11等,并可以支持多種開發(fā)板,如STM32、LPC、NXP等,同時可以支持多種通信協(xié)議,如UART、SPI、I2C等。
經(jīng)過隔離、濾波處理的3路交流電流、1路直流電壓、2路表示電壓和2路交流電壓送入STM32F407的ADC轉(zhuǎn)換通道,MCU接收到數(shù)據(jù)并進行采樣、存儲、運算,將得到所需要的表示電壓、動作電流和動作功率存儲在數(shù)組中,當(dāng)采集板檢測到上位機發(fā)送的讀保持寄存器命令時,通過RS485通信模塊將數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議中規(guī)定的格式發(fā)送。
由于電壓和電流的有效值算法類似,故此處以電壓為例進行介紹。根據(jù)真有效值算法定義,同一時間內(nèi)一個交流電壓流過某個純電阻負(fù)載所消耗的電能等于一個直流電壓在相同時間內(nèi)流過該負(fù)載消耗的電能,由此可得到該直流電壓的值就是交流電壓的有效值。
在實際采集測量時,首先根據(jù)奈奎斯特采樣定理設(shè)定合適的采樣間隔對信號進行采樣,得到一個離散信號,然后將采樣值取平方和,再求平均值,最后開方得到離散信號有效值。離散信號電壓有效值公式如式(2)所示:
(2)
由于在電壓電流采集設(shè)計中需要用到基準(zhǔn)參考電壓,對整體的采集信號進行了幅度的抬升,所以需要將上述有效值算法進行調(diào)整,首先需要計算所有采樣值的均值:
(3)
然后將采樣值減去均值進行平方和計算,然后進行有效值計算:
(4)
針對轉(zhuǎn)轍機表示電壓,需要根據(jù)優(yōu)化算法,提供面積計算公式,實現(xiàn)直流電壓分量和交流電壓分量的計算,涉及50 Hz頻率。
三相電路有功功率測量是三相電路分析的重要內(nèi)容,在實際工程應(yīng)用中通常使用一表法、二表法和三表法。其中二表法主要用于三相三線制電路的有功功率測量,但是由于二表法測量功率時端口電壓、電流關(guān)系及兩者之間相位差角的分析較為復(fù)雜,所以本設(shè)計基于二表法進行改進有功功率的采樣計算。二表法測量三相功率原理是:三相功率等于兩功率表電壓線圈所接電壓的有效值、電流線圈通過的電流的有效值以及電壓與電流相位差的余弦的乘積再求和,具體計算公式如下:
P=UACIAcosφ1+UBCIBcosφ2=P1+P2
(5)
式中:φ1為AC線電壓有效值UAC與A相電流有效值IA的相位差角;φ2為BC線電壓有效值UBC與B相電流有效值IB的相位差角。
二表法根據(jù)不同接線方式分為電壓線圈共A極、共B極和共C極接法。現(xiàn)根據(jù)共B極接法對其進行改進計算。
(6)
然后根據(jù)式(7)求得AB相有功功率PAB,同理可得BC相有功功率PBC:
(7)
式中:uk_AB和ik_AB為MCU采集并存儲到寄存器的AB相電壓和相電流。
最后根據(jù)二表法原理可求得三相電流有功功率為
P=PAB+PBC
(8)
本設(shè)計對7個通道進行數(shù)據(jù)采集(包括3路模擬電流和4路模擬電壓),采用連續(xù)掃描模式,對通道使用DMA,避免丟失已經(jīng)存放在ADC_DR寄存器中的數(shù)據(jù)。7個通道連續(xù)掃描一次的轉(zhuǎn)換時間可達(dá)1 μs[7]。本設(shè)計采用基本定時器TIM6,由于這個定時器寄存器中只有TIM_Prescaler和TIM_Period,使用時只需要初始化這兩個成員即可。中斷延時的公式為
(9)
時鐘初始化可得TIMx_CLK為84 MHz,設(shè)定TIM6定時器頻率為10 000 Hz,即令:TIMx_Period=99,當(dāng)定時器從0計數(shù)到99時,即為100次,為一個定時周期;TIMx_Prescaler=83。
本設(shè)計中采用的通信機制為主從機制,即主機輪詢、從機應(yīng)答的機制。具體設(shè)計要求:系統(tǒng)中只允許將一臺設(shè)備設(shè)為主機,用作主從通信;系統(tǒng)中的從機可以有若干臺,但是禁止主動向主機發(fā)送數(shù)據(jù);系統(tǒng)上電后所有主從設(shè)備均處于監(jiān)聽總線的狀態(tài),也就是處于接收狀態(tài);若要發(fā)起一次通信或進行數(shù)據(jù)交換,必須由主機主動發(fā)起,此時主機即上位機首先轉(zhuǎn)為發(fā)送模式,向從機即采集板發(fā)送數(shù)據(jù)包,隨后立即轉(zhuǎn)成接收模式以接收采集板收到上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)包做出的響應(yīng)。
交流轉(zhuǎn)轍機采集模塊可進行3路交流電流采集(穿孔)、4 路交流電壓采集,在RS485總線上可連接多個模塊節(jié)點從而實現(xiàn)多路采集的目的。使用主從通訊方式,基于RS485總線協(xié)議,波特率預(yù)設(shè)為115 200 bit/s,實現(xiàn)半雙工多點通訊,每條總線上最多掛載16組采集模塊,當(dāng)PC上位機下發(fā)命令給指定采集模塊,總線上的采集模塊接收下發(fā)命令并解析數(shù)據(jù),提取地址并與自己地址核對,匹配后上傳對應(yīng)的命令功能碼數(shù)據(jù)。
采集板設(shè)計完成后需對其進行反復(fù)測試,以驗證結(jié)果是否準(zhǔn)確,是否滿足現(xiàn)場需求。實驗室模擬環(huán)境下,將220 V交流電壓輸出接整流二極管即可得到所需要的半波整流信號,再接600 Ω保護電阻與道岔采集板輸入端連接,采集板外部供電為24 V直流電壓源,通信輸出通過USB轉(zhuǎn)RS485通信模塊與上位機相連接,通過Keil MDK5實時調(diào)試觀察采集數(shù)據(jù),如表1所示。
表1 開關(guān)量和模擬量采集測試
名稱采樣值名稱采樣值IN_kg1[0]0XY_U_Date[0]305IN_kg1[1]0XY_U_Date[1]30IN_kg1[2]0XY_U_Date[2]305IN_kg1[3]1XY_U_Date[3]30IN_kg1[4]0IN_kg1[6]0IN_kg1[5]0IN_kg1[7]0
其中ADC_ConvertedValue[0-3]為交流電壓采樣值,ADC_ConvertedValue[4-6]為動作電流采樣值,IN_kgl[0-7]為8路開關(guān)量采樣值,XY_U_Date[0,2]為電壓交流分量采樣值,XY_U_Date[1,3]為電壓直流分量采樣值,經(jīng)過計算分析采樣正確,誤差范圍在0.5%以內(nèi)。
以S700K交流轉(zhuǎn)轍機為例測試采集板全部功能,將采集的A、B、C相動作電流數(shù)據(jù)及功率數(shù)據(jù)繪制成曲線圖,如圖7~圖10所示。
圖7 A相道岔動作電流曲線
圖8 B相道岔動作電流曲線
圖9 C相道岔動作電流曲線
圖10 道岔動作功率曲線
動作曲線符合S700K轉(zhuǎn)轍機的正常動作電流及功率曲線,最開始有一個較大的峰值,中間是一個較為平穩(wěn)的階段,最后是一段相對較低的電流臺階,整個轉(zhuǎn)換過程大約為6 s。經(jīng)過理論計算和測試分析,采集板測試范圍和測試精度符合現(xiàn)場需求。
經(jīng)過實驗室測試驗證正確后,現(xiàn)進行現(xiàn)場測試,選用5機牽引的S700K型電動轉(zhuǎn)轍機進行測試,將采集板連接到組合架上進行電壓電流的采集(電壓采樣在斷相保護器輸入端,電流采樣在斷相保護器輸出端),通過RS485總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲杉瘷C上,檢查線路確認(rèn)連接無誤后上電,觀察電源燈、采集秒閃燈正常工作,采集數(shù)據(jù)結(jié)果表2所示。
表2 5機牽引S700K轉(zhuǎn)轍機測試數(shù)據(jù)
采集板現(xiàn)場安裝、測試如圖11所示,通過分析測試結(jié)果,本設(shè)計符合Q/CR442—2020《鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)條件》規(guī)定的采集內(nèi)容及采集要求,設(shè)計成本低、功耗小,可以起到實時監(jiān)測并排除道岔故障的效果。
圖11 交流道岔采集板測試
(1)采集板根據(jù)采集信號特點對采集電路進行濾波、隔離等處理,采用真有效值算法對電壓電流進行采樣計算,通過改進二表法測三相電源有功功率進行動作功率的采樣計算。
(2)經(jīng)過多次測試實驗分析,完成了對交流道岔轉(zhuǎn)轍機開關(guān)量、動作電流、表示電壓及功率的采集,并通過RS485通信接口輸出,可以將數(shù)據(jù)上傳至上位機進行信號參數(shù)監(jiān)測,也可以安裝在組合架上與鐵路微機監(jiān)測系統(tǒng)站機進行通信,將采集數(shù)據(jù)顯示在人機交互軟件上。
(3)基于STM32F407的采集板設(shè)計在功耗、體積、傳輸方面有獨特優(yōu)勢,可在鐵路信號微機監(jiān)測方面應(yīng)用。