列车供电监测子系统漏电流检测模块的制作方法
【专利摘要】列车供电监测子系统漏电流检测模块，包括电源电路、通信电路、CPU控制电路和信号测量电路；电源电路为通信电路、CPU控制电路和信号测量电路提供所需电源，CPU控制电路通过信号测量电路、通信电路与DC600V供电装置、上位机、6A系统通信。列车供电监测子系统漏电流检测模块完成DC600V供电装置漏电流数值检测并发送任务，可以实时得到供电装置漏电信息，将采集信息上传，在司机控制室的6A显示界面上显示供电装置接地漏电流等安全信息，从而可以预判供电装置的状态，对可能产生的故障进行提前预防，达到列车供电安全的目的。
【专利说明】列车供电监测子系统漏电流检测模块
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机车安全检测领域，具体涉及列车供电监测子系统漏电流检测模块。
【背景技术】
[0002] 机车车载安全防护系统即6A系统是针对机车运行过程中危及安全的重要事项、 重点部件和部位，通过在前期部分机车已经装用的成熟产品的基础上，完善功能、综合集成 而构建的系统化、平台化的机车安全防护系统。该系统包括中央处理平台和6个子系统，列 车供电监测子系统是其中之一，完成机车供电系统及列车用电系统的绝缘检测、供电统计 以及对DC600V供电装置的运行状态信息、故障、关键状态量监视及记录，从而可以预判供 电装置的状态，对可能产生的故障进行提前预防，达到列车供电安全的目的。列车供电监测 子系统漏电流检测模块属于列车供电监测子系统，完成DC600V供电装置漏电流数值检测 并发送任务。因此，急需发明一种可完成上述功能的列车供电监测子系统漏电流检测模块。
【发明内容】
[0003] 本发明所解决的技术问题是提供一种列车供电监测子系统漏电流检测模块，完成 DC600V供电装置漏电流数值检测并发送任务，可以实时获得供电装置漏电信息，对可能产 生的故障进行提前预防，达到列车供电安全的目的。
[0004] 本发明采用的技术方案是，列车供电监测子系统漏电流检测模块，包括电源电路、 通信电路、CPU控制电路和信号测量电路；电源电路为通信电路、CPU控制电路和信号测量 电路提供所需电源，CPU控制电路通过信号测量电路、通信电路与DC600V供电装置、上位 机、6A系统通信。
[0005] 所述的电源电路包括输入滤波EMI、DC-DC隔离转换模块，输入滤波EMI用于抑制 高频干扰，DC-DC隔离转换模块用于电压变换。
[0006] 所述的通信电路包括第一收发器、第二收发器，列车供电监测子系统漏电流检测 模块通过第一收发器与供电装置进行数据通信，第二收发器用于数据读写与下载。
[0007] 所述的信号测量电路包括滤波跟随、精密整流、隔离放大、差动运放；为模数转换 器ADC提供所需电流信号。
[0008] 所述的CPU控制电路包括ARM微处理器芯片、收发器UART、模数转换器ADC和外围 器件；收发器UART通过第一收发器与DC600V供电装置通信，收发器UART通过第二收发器 与上位机通信，DC600V供电装置通过信号测量电路与模数转换器ADC通信。
[0009] 所述的外围器件包括电压监测、复位电路、有源晶振、JTAG、电池电路、电容滤波以 及串行存储器；电压监测用于监测CPU控制电路电压；JTAG接口电路用于程序和数据的下 载；串行存储器为ARM微处理器芯片提供存储空间；有源晶振为ARM微处理器芯片提供所 需晶振；复位电路通过手动按钮方式复位，内置看门狗。
[0010] 所述的第一收发器增设隔离电路。
[0011] 本发明的有益效果是，列车供电监测子系统漏电流检测模块完成DC600V供电装 置漏电流数值检测并发送任务，可以实时得到供电装置漏电信息，将采集信息上传，在司机 控制室的6A显示界面上显示供电装置接地漏电流等安全信息，从而可以预判供电装置的 状态，对可能产生的故障进行提前预防，达到列车供电安全的目的，列车供电监测子系统漏 电流检测模块的电路设计充分考虑了抗干扰和数据保护
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1为本发明原理框图。
[0013] 图2为本发明电源电路图。
[0014] 图3为本发明列车供电监测子系统漏电流检测模块原理图。
【具体实施方式】
[0015] 现结合附图1、2、3,对本发明作进一步的说明：
[0016] 本发明的列车供电监测子系统漏电流检测模块属于列车供电监测子系统，其特性 指标及参数如下：
[0017] 额定工作电源电压： DC110V±5% 额定工作电源功率： 10W 测量范围： 0300mA 测量精度： 误差<±7% 电流检测输入电阻： <0.4Ω 通信方式： RS485，RS232 环境温度： -40° C---+70° C
[0018] (一）电源电路
[0019] 电源电路如图2所示，电源电路完成输入电源DC110V到隔离输出5V的DC-DC转 换，5V-5V、5V-± 15V的隔离输出，5V-3. 3V的输出以及+15V-5V的转换。电源电路提供+5V， +5V_IS01，3. 3V，±15V和+5V_IS02几种类型的电源输出，以满足本系统的电源要求。
[0020] 根据要求列车供电监测子系统漏电流检测模块首先需要对外部漏电流进行测量， 测量部分电源需要与内部控制部分电源隔离，测量部分需要±15V和+5V电源；同时，通 信部分使用的电源也需要与内部控制电源和测量电路部分电源隔离，通信电路需要+5V电 源；控制部分包括CPU芯片电源需要3. 3V和外围器件需要的+5V电源。
[0021] 电源电路前端的滤波及EMI部分完成输入电压的滤波、过压保护和浪涌电流的吸 收，EMI部分可以有效地去除共模电磁干扰，然后将去除干扰的电压信号送入DC-DC输入 端，DC-DC模块完成110-5V的电压隔离转换。DC-DC模块的输入电压范围可以达到66V? 160V，可靠性好，温度特性突出，专为铁路产品定制，可以充分满足本发明的电源要求。
[0022] DC-DC模块隔离转换的DC5V通过芯片转换成产生最大3A的3. 3V电压，完全满足 设计需要；DC5V为外围器件提供电源，包括复位电路、电源监测电路、晶振和RS-232通信电 路等。DC5V通过模块转换为隔离的5V_IS01，提供给RS-485通信电路，为通信芯片提供与 控制和测量隔离的电源，从而降低线路干扰，保证系统正常工作。DC5V通过模块隔离转换 为±15V_IS0,该模块隔离电压为3kV，输出电流±33mA，可以满足测量电路的运放电源要 求；同时测量电路中的比较器需要+5V电压，可以直接通过降压模块将+15V_IS0直接转换 为+5V_IS02,这两组电源共同提供给测量回路使用。
[0023] (二）系统原理介绍
[0024] 列车供电监测子系统漏电流检测模块电路原理如图3所示。以下CUP芯片采用 arm芯片。
[0025] 1、CPU控制电路，CPU控制电路实现CPU芯片的正常工作、程序下载、信息存储及 复位功能，完成通信、存储等控制任务。主要包括CPU芯片，电压监测、复位电路，晶振电路， JTAG 口读写电路以及RAM存储器接口电路等。核心控制处理器采用的CPU具有3级流水线 和哈佛结构，操作频率可达100MHz ;内置了嵌套的向量中断控制器NVIC ;具有在系统编程 ISP和在应用编程IAP功能的512KB片上Flash程序存储器。
[0026] 本系统需要的功能可以通过CPU芯片的外设组件实现：
[0027] ①、4个UART、带小数波特率发生功能、内部FIFO、DMA支持和RS-485,用以实现 RS-485 和 RS-232 通信；
[0028] ②、8通道的12位主次逼近式模数转换器ADC，具有掉电模式，测量范围：0? Vrefp通常为3V，不超过VDDA ;12位转换时间，200KHz ;可选择由输入跳变或定时器匹配信 号触发转换；
[0029] ③、3个增强型的I2C总线接口，用以实现与FRAM的连接；
[0030] CPU的晶振由12M有源晶振提供，12MHz内部RC振荡器IRC调整到1 %的精度，片 内PLL无需高频率晶振便可以使CPU以最高频率100MHz运作；通过ARM微处理器芯片的10 引脚完成对芯片3. 3V电源电压的监控，复位芯片通过手动按钮方式复位，增加了看门狗设 置，确保了软件的可靠性JTAG接口电路完成程序和数据的下载；存储单元的设计采用I 2C 总线的1M位铁电存储器，可存储128K个字节8位，该存储器没有写延迟，数据保存期限为 10年。
[0031] 2、信号测量电路，信号测量电路完成对外部0---300mA双向电流的滤波，整形，放 大，隔离等任务，将信号输入到CPU内部的ADC端口进行AD转换，计算出当前的漏电流数 值。
[0032] 列车供电监测子系统漏电流检测模块的主要任务就是对DC600V供电装置的输出 接地漏电流进行检测，通过通信接口将检测到的漏电流数据经AP卡定时传递给6A系统的 中央处理平台，在司机控制室的6A显示屏上显示，所以列车供电监测子系统漏电流检测模 块的信号测量电路需要高精度准确的采集漏电流信号，并将信号转换成CPU可以进行ADC 转换的直流电平信号。
[0033] 根据技术条件要求，漏电流模块需对0--300mA的双向直流信号进行采集，本设 计首先对输入电流信号通过电阻取样，然后经过由运放组成的二阶有源低通滤波，一方面 可以减少信号毛刺和降低波动，另一方面可以提高A/D的输入阻抗，而且可以将输出阻抗 降低到最小，因为CPU的ADC模块在处理快速变化的模拟信号时要求尽可能小的输出阻抗 来满足精度要求。滤波后的电压信号通过双二极管的钳位电路将电压限制在±15V之间， 防止高压信号损坏运放，因为漏电流信号是双向的，所以采集到的信号就有正负电压两种 情况，本设计采用运放、电阻和精密整流二极管搭建全波精密整流电路，通过电阻匹配将正 负电压信号整流为后端的隔离放大器需要的〇_250mV正信号。高精度隔离放大器输出与输 入电路之间可达到4250VPEAK的电流隔离，抗电磁干扰性能极强；当与隔离电源配合使用时， 可防止共模电压线路上的噪声、电流进入干扰、损害电路。隔离放大器可实现本设计中的精 准电压测量，输出信号被自动调节至最大不超过3. 3V的低侧电源共模电压。共模电压输出 后通过运放搭建的差动运放电路将信号最后调制成电压范围为0-3. 3V的TTL信号，进入 到模数转换器ADC的输入端。CPU内置ADC的电源与参考电压通过电感与CPU使用的数字 电源隔离，信号输入后通过软件配置ADC时钟、寄存器等，可以完成信号的模数转换，达到 设计的目的。
[0034] 3、通信电路，第一收发器采用RS-485收发器，第二收发器采用RS-232收发器； 通信电路完成列车供电监测子系统漏电流检测模块与供电装置的通信，通过隔离的RS-485 收发器传递漏电流数值，通过RS-232收发器与上位机完成参数修改、读取。
[0035] 列车供电监测子系统漏电流检测模块的通信任务主要完成与供电装置之间的信 息传递和上位机对模块的读写，通过隔离的RS-485收发器与供电装置进行数据交换，通过 RS-232收发器完成对列车供电监测子系统漏电流检测模块数据的下载和读写。
[0036] 列车供电监测子系统漏电流检测模块通过CPU内置的UART通信接口与供电装置 进行RS-485通信，通信接口的隔离收发的RS-485的波特率为19200,为了保证信号传输的 质量，隔离芯片需选用的高速光耦数据传输速率为IMbit/s，而且绝缘电压高达2. 5kV，完 全满足本设计的波特率需要；线路收发器芯片使用多点长线程传输总线芯片，专为在有干 扰环境下工作而设计，共模输入电压范围为±12V，三态输出符合RS-485差分信号接口要 求。考虑到调试和日后可能增加的通信需要，本模块设计了 2路完全相同的RS-485通信电 路。
[0037] 列车供电监测子系统漏电流检测模块通过CPU内置的UART通信接口实现RS-232 收发器通信功能，RS-232收发器使用收发器完成对AP卡数据的下载和CPU芯片的读写，收 发器芯片专有的低压差发送器输出级确保在120kbps数据速率下维持RS-232收发器输出 电平，有2路接收器和2路驱动器，提供1 μ A关断模式有效降低功耗；关断模式下，接收器 保持有效状态，对外部设备进行监测，仅消耗1 μ A电源电流。
【权利要求】
1. 列车供电监测子系统漏电流检测模块，其特征在于：包括电源电路、通信电路、CPU 控制电路和信号测量电路；电源电路为通信电路、CPU控制电路和信号测量电路提供所需 电源，CPU控制电路通过信号测量电路、通信电路与DC600V供电装置、上位机、6A系统通信。
2. 根据权利要求1所述的列车供电监测子系统漏电流检测模块，其特征在于：所述的 电源电路包括输入滤波EMI、DC-DC隔离转换模块，输入滤波EMI用于抑制高频干扰，DC-DC 隔离转换模块用于电压变换。
3. 根据权利要求1所述的列车供电监测子系统漏电流检测模块，其特征在于：所述的 通信电路包括第一收发器、第二收发器，列车供电监测子系统漏电流检测模块通过第一收 发器与供电装置进行数据通信，第二收发器用于数据读写与下载。
4. 根据权利要求1所述的列车供电监测子系统漏电流检测模块，其特征在于：所述的 信号测量电路包括滤波跟随、精密整流、隔离放大、差动运放；为模数转换器ADC提供所需 电流信号。
5. 根据权利要求1所述的列车供电监测子系统漏电流检测模块，其特征在于：所述的 CPU控制电路包括ARM微处理器芯片、收发器UART、模数转换器ADC和外围器件；收发器 UART通过第一收发器与DC600V供电装置通信，收发器UART通过第二收发器与上位机通信， DC600V供电装置通过信号测量电路与模数转换器ADC通信。
6. 根据权利要求5所述的列车供电监测子系统漏电流检测模块，其特征在于：所述的 外围器件包括电压监测、复位电路、有源晶振、JTAG、电池电路、电容滤波以及串行存储器； 电压监测用于监测CPU控制电路电压；JTAG接口电路用于程序和数据的下载；串行存储器 为ARM微处理器芯片提供存储空间；有源晶振为ARM微处理器芯片提供所需晶振；复位电 路通过手动按钮方式复位，内置看门狗。
7. 根据权利要求3所述的列车供电监测子系统漏电流检测模块，其特征在于：所述的 第一收发器增设隔离电路。
【文档编号】G01R31/02GK104090154SQ201410344409
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月18日 优先权日:2014年7月18日
【发明者】李壮, 樊世君 申请人:中国北车集团大连机车研究所有限公司