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摘要：接地回路电阻是电气设备接地系统的一个重要技术指标。为了保证电气设备接地系统的正常运行，必须实时地对电气设备进行接地回路电阻的测量。目前，动车、高铁、地铁及电气机车在我国得到了广泛地应用，但对于接触网各区段运行电压的监视及其防护还不够，时常造成不必要的故障和安全事故。另外，在动车装置检修过程中，需要对离网的接触网进行安全的接地操作，可靠接地是人身安全和设备安全的有效保证。设计了一台回路电阻在线自动测试装置，该装置在硬件设计上，以STC12C5A60S2为主处理器，无需切断电源和地线，可直接实现在线测量。其功能主要就是完成车辆检修时，双接地系统环路电阻的在线监测。

关键词：接地回路电阻、在线测量、STC12C5A60S2

0  引言

随着动车（高铁、地铁以及电动机车）在我国得到了广泛地应用，这就要求在动车检修过程中，需要对离网的接触网进行安全的接地操作。接地桩可靠的接地对于人身安全以及设备安全是一个有效的保障。因为动车组入库之后，必须要对其进行整备作业，检修人员这时要登上车顶对受电弓、电缆等部件状态进行检查处理，申请作业时必须要先把高压隔离开关分闸，然后再进行挂地线操作，所以我们必须要保证作业区内的接触网能够良好的接地，这样才能给登顶整备作业人员提供最有效的安全保障。然而，目前很多动车段的接地装置仍然采用人工挂接地杆的方式，这对于挂杆操作人员的人身安全存在极大地隐患。此外，接地采用接地杆钩头处引出铜线，并通过接地靴连接方式实现与接触网的接地，导致接地性能不可靠。主要体现在如下几个方面：第一，接地线与接地杆钩头以及接地靴连接处经常拉扯、折弯，极易发生断股，并且不容易发现，导致接地性能不良；第二，为了保证性能良好，动车需要对接地靴与钢轨连接处经常打磨并涂抹导电膏，同时也存在漏打磨或打磨不良导致的接触网接地不良等问题；第三，现有的接触网接地设置不能直观显示出接地电阻，不方便检查，极易造成安全隐患。

针对这种情况，需要研制一套接触网可靠接地系统，用来实时监测接地靴与钢轨接地桩接触电阻大小以及报警系统。

1  检测原理

传感器的主要作用是把被测信号量转换成较容易测量的电信号[1]。本设计在深入研究回路电阻测量的基础上，提出了非接触测量法，结合双钳口测量技术，实现了回路电阻在线自动测量。测量的过程中，采用电压互感器作为激励信号的发生器，采用电流互感器作为电流信号的接收器[1]。如下图1所示的Ng为电压互感器的线圈匝数，Nr为电流互感器的线圈匝数，良好的电磁屏蔽存在于两线圈之间。电压发生器线圈产生一个比较恒定交流电压E：

式中，e为电压发生器线圈内部所产生的电压，闭合回路中，可以根据电磁感应原理产生感应电流I：

电流I被置于电流接收线圈，根据电磁感应转换为电流i：

2  硬件电路设计

2.1总体方案架构

本文旨在设计出一种动车回路电阻在线自动测试装置。对于高精度、抗干扰的钳形互感器的研制，是动车回路电阻在线自动测试要解决的重要问题。在设计开发的过程中，装置测量精度的提高和抗强干扰的处理是我们需要攻克的难点。同时，测试装置也需要数据存储、触摸屏显示、声光报警提示以及数据上传等功能[2]。

2.2系统整体构成

系统主要分为以下几个部分：上位机监控中心、正弦激励信号发生部分、电压信号调理部分、电流信号调理部分、人机交互界面部分以及外围电路模块等。下面分别对以下几个部分的组成结构、工作流程做详细地介绍与说明。

动车回路电阻在线自动测量装置主要功能模块系统总体框图2所示：

（1）上位机监控中心：上位机是整个回路电阻测试系统运行后台的终端设备。系统把检测的数据信息通过RS485上传到上位机，通过触摸串口屏显示结果。同时将测试的结果与设置的报警参数进行对比，如果系统检测的结果在合理范围内，指示灯显示绿灯，数据正常显示，超限则显示红灯并进行声光报警闭锁。

（2）正弦信号发生部分：在动车回路电阻在线自动测试装置中，需要产生一定频率的正弦波信号作为激励电压信号源，然后将信号进行电压放大以及功率放大之后加到被测接地回路中。

（3）信号调理部分：对传感器采集到的电压信号和电流信号进行滤波、放大及AC/DC转换等，然后将调理好的信号送入单片机内部进行A/D转换。

（4）外围电路：包括存储模块电路、控制电路、时钟模块电路、串口通信电路等。

2.3系统工作原理

系统采用双钳口工作，使用单片机作为整个系统的控制中心，用触摸串口屏显示操作提示及检测结果[3]。由正弦信号发生器产生1KHZ的正弦电压信号，经过滤波、电压放大及功率放大后，将信号送到电压互感器钳口。经过闭合回路，电流互感器感应到电流信号，对输出的电压信号以及经过电流互感器的电流信号进行放大、滤波和交直流转换，最后将处理好的信号送回单片机，通过内部自带的A/D转换器进行A/D转换，对数据进行采集和软件滤波处理，计算后得到回路电阻的测试结果，通过触摸串口屏显示出来。

2.3 信号激励模块

2.3.1正弦激励信号发生电路

传统的正弦信号发生器很多，结构复杂，频率稳定性和精度低，达不到所需要求。综合考虑，本文选用集成函数发生器ICL8038，是一种可以输出多种波形的精密振荡集成电路，只需要对它的外部组件进行适当的调整，就可以在0.001HZ～300KHZ范围之内产生低失真正弦波信号。与此同时，可以通过对其电流或者电阻的控制，从而得到输出波形的频率以及占空比的大小。该芯片通过调频信号输入端对低频信号进行频率调制，在失真和稳定方面上有了明显的提高[4]。ICL8038精密函数发生器是一个单片集成电路芯片，采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成，具有精度高、稳定性好等特点，其正弦波输出具有低于1％的失真度，工作电源在±5～±12V之间，满足本系统要求的正弦电压信号[5]。正弦信号发生电路如图3所示，由8脚输入外部控制电压，调节电位器RW9，使2脚输出的正弦信号的频率发生改变，从而达到外部压控振荡。在10、11脚之间，是一个0.0047uF的振荡电容，11脚一端接负电源。4和5脚接电阻和电位器，用来调节正弦波失真度[6]。

2.3.2功率放大电路

为了能够驱动后级电路，需要对其信号进行功率放大，再接入电压互感器中。功率放大器的作用是使输出的电流电压足够的大，在允许失真限度内，尽可能地提高效率，简而言之，即输出功率大且效率高[7]。功率放大电路既可采用分立元件搭建，也可由集成功放组成。分立元件搭建的功率放大电路主要由二极管、三极管、电阻等组成，通过自由调整元器件的方式来实现功率放大。然而，电路中的任意环节出现问题，都会使性能降低，相比于集成功率放大电路较差。要解决这个的问题，需给它加上一个比较复杂的保护电路，防止因过热、过流、过载等问题导致元器件损坏。综合以上，选用低频性能好、电路成熟的集成功率放大电路TDA2030，TDA2030是目前使用比较广泛的一种集成功率放大器，它不需要在外围加上复杂的保护电路，因为其内部设计具有保护电路。相比于其他的功放电路，其引脚和外部元件相对较少，给电路设计带来了很大的方便，此外，还能通过加上散热片来解决散热问题。功率放大电路如图4所示。

TDA2030有5个引脚，信号Vi从正向输入端1脚输入，4脚输出。经过电容C18隔去直流成分，输出驱动负载。功放需要的电源是±12V，分别接5脚和3脚。与+12V相连的电容C19、C20是电源旁路电容，起到降低电源对地的交流阻抗作用，同时与-12V相连的C21、C22具有同等作用。电容C24、二极管D5、D6作用分别是滤去高频电压和保护输出电路，R41、R42、RW3构成了反馈通路。

2.3.3带通滤波电路

本设计采用的正弦波信号频率为1KHZ，但从回路中感应到的信号可能存在着各种各样的干扰，包括高频干扰、低频干扰以及直流干扰。整个采样信号的频带较宽，所以在单片机对信号处理之前，必须通过带通滤波电路对干扰信号进行滤除。经过处理后，高频干扰信号、低频干扰信号以及直流干扰被滤除掉，可以得到以激励信号频率1KHZ为中心频率的一个较窄的频带信号。电阻R17、R18、R19和电容C10、C11以及放大器LM358组成一个多路反馈无限增益电路。如图5所示。

经推导可得中心频率为

将C10=0.01uF、R17=160KΩ、R18=318KΩ、R19=800Ω带入上式，得出f0≈1000HZ。因此有源滤波电路只允许Uo3中的1000HZ信号通过，而滤去其他频率的干扰。

2.4 信号检测模块

2.4.1信号调理电路

由于采样所得到的信号是交流信号，所以在进入A/D转换之前，需要将正弦交流信号进行真有效值转换，转换成适合A/D的直流电压信号，主要原理是直接对交流信号的有效值按照比例转换从而得到直流信号[8]。

本次设计采用美国AD公司的AD736作为交直流转换芯片，AD736的功能就是将交流信号直接转换成直流有效值信号。该芯片测量速度快、灵敏度好、准确度高、且测量误差不超过±3%。

AD736芯片转换电路采用双电源进行供电，分别为+12V和-12V。信号由2脚VIN输入，6脚V0输出，7脚+Vs与8脚COM之间并联大小0.1uf的电容C28，4脚-Vs与地之间同样也并联电容大小为0.1uf的电容C26，目的是滤掉电路中的高频干扰，同时1脚CC起到隔直的作用。电路中的R45为限流电阻，D7、D8为双向限幅二极管，起到过压保护作用。AC/DC转换电路如图6所示。

2.4. A/D转换电路

通过对电压信号、电流信号的调理之后，将调理好的信号进行A/D转换[9]。本系统所使用的A/D转换器是STC12C5A60S2自带的ADC模块，它是一个8路10位高速A/D转换模块。ADC将一个模拟量的输入转化成10位数字形式，结果保存在寄存器ADC_RES和ADC_RESL中，信号的采集是由STC12自带的A/D转换器来完成的。STC12C5A60S2系列单片机的ADC是逐次比较型ADC，由D/A转换器和一个比较器组成。用数模D/A转换器转换的模拟量与本次输入的模拟量通过比较器进行对比，将结果保存在寄存器中。

逐次比较型A/D转换器的最大转换速率可达25万次/秒，具有速度高、功耗低等优点。STC12C5A60S2单片机中没有专门的ADC参考电压输入通道，它的参考电压源（Vref）是输入工作电源VCC。可选择8路A/D转换通道的其中一个通道接上基准电压，计算得出此时的工作电压VCC。

2.5 触摸屏显示模块

人机界面（HMI），又称用户界面或用户者使用界面，是人与动车回路电阻在线自动测试系统之间传输信息的一种工具和对话窗口，可以将系统信息的内部形式转变成人们能够直观接受的形式，广泛用于人机交流的领域。考虑到成本以及实用性，本文选用了铭正同创公司生产的一款型号为EzUIH043Let的触摸串口屏来设计动车回路电阻自动在线测试装置。此系列串口智能显示模块，支持图形界面和软硬件开发的同步设计，大大的缩短了开发周期，节约成本。该模块工作电源为5V，对外接口为串行UART接口，此接口简单且操作起来方便，此外该模块能够与各种 MCU进行接口操作。液晶模块引脚如表1所示。

3 系统软件设计

当测试装置上电后，系统将对各电路模块初始化，主要包括：时钟模块、数据存储模块、人机界面模块、声光报警闭锁模块以及串口通信模块。完成初始化后，对时间数据进行采集，以使后续测得的数据有时间作为参考。随后，进行回路电阻数据测试，比较判断参数是否超限，一旦数据超限，则执行相应的控制指令，反之，则直接进行数据存储，通过串口屏显示输出，并将采集得到的数据通过串口发送至上位机监控中心。系统主程序流程图如图7所示。

3 系统实验数据分析

在系统整体界面调试完之后，需要对测试装置进行数据采集分析。采集一组数据，对测试数据结果进行分析。接地回路电阻的测试结果以及图形拟合对比如表2所示。

由上图回路电阻测试结果可以看出：电阻的绝对误差在±0.25Ω以内，相对误差在3%以内。数据表明，本课题设计的动车回路电阻在线自动测试装置能够较为准确的完成接地回路电阻的采集。

4 结束语

本次课题完成了动车回路电阻在线自动测试装置的研究与设计。该测试装置无需切断电源和地线，可直接实现在线测量。根据设计的要求，完成了对整个测试装置的硬件电路设计、软件编程以及系统调试等工作。此装置已在沈阳动车所挂网运行半年，运行状态良好，从实际运行的情况来看，该测试装置性能稳定且可靠，从而验证了整个系统装置的设计可行。

参考文献

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[2] 李洁. 简谈全自动无人驾驶系统车辆段/停车场信号系统设计[J]. 铁路通信信号工程技术， 2017，14（04）： 48-50.

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[5] 超低频大功率信号源设计{Author}：高成芳[D]. 西安石油大学， 2014.

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[7] 谷丽华辛晓宁么旭东. 实用低频功率放大器的设计[J]. 沈阳化工学院学报， 2005（01）： 50-53.

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[9] 程光伟， 冯继伟. 程控超大功率低频功率放大器的设计[J]. 电声技术， 2014，38（03）： 59-64.

课题级别：科学技术类 【教授（研究员）专项】

课题内容：基于相位编码超材料技术太赫兹波束分离器的研究

课题编号：XGY2021IA01