轨道转辙机功率传感器设计说明2382.pdf

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1、 题目：道岔机功率传感器设计 概括 电动转辙机是铁路系统中重要的电信号设备。它的主要作用是改变铁路道岔的开口方向，反映道岔的状态和位置。道岔的可靠动作对提高铁路运输效率、保障行车安全起着至关重要的作用。随着电气化和高速铁路的发展，铁道部对铁路电气设备的检查和维护提出了更高的要求，以确保行车安全。开关机作为开关转换装置，是实现联锁控制的关键设备，其有功功率和工作电流是检验开关机电气特性的重要指标。信号微机监控系统是保障行车安全、提高各种设备的测量精度、快速准确解决各种问题必不可少的机制。本文设计了一种工业应用的三相电机功率在线监测系统。采用多参数功率采集芯片 ATT7022A进行数据采集和处理，

2、采用 RS-485 实现 C8051F410单片机与 PC机的通讯，采集道岔机启动和工作过程中的电流和功率。.三相电机故障在线监测。通过现场实际使用证明，该装置具有精度高、功耗低、可靠性高、抗干扰能力强等特点。关键词：电动开关机；在线监控；RS-485 通讯；电磁干扰;铁路信号 第一章绪论 1.1 课题研究背景与意义 在铁路现场运行中，铁路监控信号起着非常重要的作用。铁路信号监测系统的可靠运行保证了铁路系统的正常运行。随着铁路运输的发展和科学技术的进步，对行车安全状况的检查已逐渐从保证行车安全的运行管理措施转向技术措施。，已基本形成以自动控制为手段的体系。随着铁路信号监控技术的逐渐成熟，铁路信

3、号系统成为提高运输效率、实现运输管理自动化和列车运行自动化控制、改善铁路员工工作环境、保障铁路交通安全的重要技术手段。.必要措施。目前，我国铁路信号监测系统与世界发达国家的信号技术和设备相比，还存在一定差距。中国自主研发的系列零部件是一个系统集成的过程。调度集中调度监控设备也是采用已形成的标准软硬件产品和操作系统的模块化系统。该方法的一般经验与国外高铁调度中心完全利用网络连续指挥全线列车的方式还有很大差距1。为此，中国高度重视现有差距，提出了铁路方向的跨越式发展战略。全国铁路六次大规模提速后，提速技术和装备得到广泛应用，推动了整个铁路行业相关技术的进步，带动了相关产业的发展。发展。1.2 我国

4、计算机监控发展概况 我国目前使用的信号监测系统是将先进的计算机技术与铁路信号相结合的新一代铁路信号监测系统。它改进了原有的监控方法，进一步提出了一种新的、合理的维护测试方法。铁路信号监控系统是保障铁路交通安全、提高运输效率不可缺少的辅助设备。监控系统减少了维护对运输的干扰，逐步向预防性状态维护的标准迈进，使信号设备处于可靠运行和实时综合控制状态检测系统。它还具有一定程度的报警诊断能力。电气集中计算机监控系统已在我国各种规模的车站使用 20 多年。1980 年代初，以单片机为核心的检测控制装置在全国陆续开发生产，可替代人工电气完成。信号微机检测装置为一级特性测试项目测试。到 1990 年代中期，

5、通过不断的经验积累、发展、改进和改进，监测目标的范围不断扩大和完善。一直以来，我国铁路信号监控系统一直致力于走自主发展道路，现已基本发展成系统、设计、工业生产、施工、维护成套的信号系统。但是，随着技术和市场经济的不断进步，对我国整个技术水平产生了相当大的影响，对铁路环境也产生了较大的影响。铁路相关技术部门和公司相继成立。提速，改变长期低速运行的方式。列车速度的不断提高对铁路信号系统提出了更高的要求。保障列车安全进出、综合自动控制、交通指挥调度、信息化管理等都提出了越来越高的要求。该系统似乎用途有限。向更高要求的进展将受到阻碍。因此，如何抓住机遇谋求发展，迎接我国铁路信号相关产业的挑战，是我们今

6、天必须思考和解决的问题。1.3 本文的主要工作 本文的主要工作包括以下几个方面：1）分析监控系统的技术指标和使用要求，包括系统的测量精度、输入输出规格、通信协议、使用环境和电磁兼容要求等。监控模块，设计了系统的总体框架，分析了满足系统各项指标的方法。2）根据各项技术指标的要求和系统的总体框架，完成系统各电路模块的设计。包括道岔机功率传感器的设计，完成对传感器信号进行调节的传感器信号调节电路；电流源的设计；完成处理模块用于处理所收集的数据；完成设计抗干扰能力强；设计 提供程序专用的调试接口电路；以便为模块提供必要的供电电路等。3)根据系统功能需求完成系统软件的设计。这些包括：a)各硬件设备的驱动

7、控制程序，如：数据读取程序、PWM 输出转换程序、滤波程序等。b)上位机软件程序主要用于数据存储，方便工作人员操作。4）总结系统设计的经验和不足，寻找改进措施。第二章站点结构概述 2.1 具体站点说明 2.1.1 道岔定位位置的确定 道岔定位的确定主要有两个考虑：一是确保进出列车安全。对于一些位置不同会影响行车安全的开关，定位的原则应该指向一个安全的位置。其次，考虑到设备的可维护性和降低工作人员的劳动强度以提高效率，相关道岔应按照向作业相对繁忙的线路开放的原则进行定位。道岔不需要在路线使用后自动恢复到原来的状态，道岔可以在不使用时处于两个位置中的任意一个。如果联锁失效，开关仍需手动移动。2.1

8、.2 道岔和警告标志坐标的计算 在电气比对集中站中，道岔、警示标志、色光信号的坐标是指信号监控室到上述设备的距离。计算各种设备的数据参数的目的是为测量信号时计算电缆长度提供必要的依据。1.道岔坐标 在试验场基建部门提供的比例尺上，给出的道岔坐标为道岔中心到车站试验场中心的距离。在电气集中设计中，还需要获取转辙机轨末端的具体坐标，因为电动转辙机安装在转辙机轨末端附近。道岔坐标计算问题可以转化为道岔中心坐标转换为道岔点坐标的问题，这样坐标问题就可以轻松解决。当道岔轨道末端位于车站中心远端时，道岔点坐标等于道岔中心到道岔点的长度加上道岔中心坐标。当转辙点轨道末端位于车站中心近端时，转辙点坐标等于转辙

9、中心坐标减去转辙中心到转辙点的长度；通过这个表示可以得到每个开关的具体坐标。2.警告标志的计算 警红标志应设置在两条中心线到警红标志距离均为2米的地方，即两条支线的中心线相距4米的地方。3.设置信号的坐标 有两种类型的信号：高和短。进线信号、主线出线信号、引出线分流信号为高柱信号，咽喉区分流信号和边线出线信号为低柱信号。信号坐标的设置分以下三项进行说明：1）开关蛙后面两条线中间设置的高位信号的具体坐标 坐标应根据附近建筑物的邻近限制要求进行设计。系统设计时，信号布置的坐标可以由道岔相互连接的轨道半径、信号所在的道岔和蛙人的数量、轨道占用的场地和可以确定两条轨道线中心之间的距离。.2）低调信号的

10、具体坐标设置在开关和青蛙后面的线中间。一般情况下，由于低调信号的高度不超过 1100 毫米，所以位于青蛙后面两条线中间的低调信号只要其安装位置在 4 到 5 米之外就达不到从警告标志。建筑边界的价值。3)道岔尖端前信号设置的具体坐标。在道岔点前设置高或短信号信号，一般通过在道岔与基本轨连接处并排设置来解决问题。2.2 轨道电路概述 2.2.1 轨道电路的作用及组成 本节主要介绍轨道电路，它是铁路信号监控系统实现自动控制的必备设备。轨道电路可用于自动检测列车、车辆进出站的实时情况，并可控制上位机监控中信号机的显示；此外，还可以利用轨道电路将地面信号传输到机车控制室，从而据此控制列车运行。.在现场

11、，轨道电路以铁路线的两条钢轨为回路。两端必须电绝缘，并与电源相连，与用电设备组成一个整体电路。2.2.2 轨道电路原理 有很多方法可以对轨道电路进行分类。在目前的信号设备检测中，多采用闭路轨道电路。轨道电路的工作原理如下：当火车占据轨道电路时，电路中的回路电流可以通过机车的车轮，从而导致轨道电路分成两条路径。同时，由于轮对电阻远小于轨道继电器电阻，电源的输出电流显着增加。轨道继电器之间的压降不足以打开轨道继电器，使后触点闭合，信号灯熄灭。如果轨道电路损坏或断开，也不足以打开轨道继电器。如果发生这种情况，系统会提示您不要通过火车。轨道电路空闲时，即两条铁轨完整，没有列车在轨道上通过，即轨道电路空

12、闲时，电路回路电流通过两条铁轨和轨道继电器，使控制轨道继电器吸合，前触点自动闭合，控制信号等。这意味着你可以通过火车。2.3 铁路道岔及典型安全问题 道岔是火车改轨的中间线路连接设备。站场内各线路的连接应由铁路道岔装置控制。道岔的安全意义重大。从实际运行中可以看出，道岔对保障列车安全起到了重要作用，但其自身的抗破坏性较弱，会引发一系列问题。单道岔是最常见的道岔之一。普通的单道岔只能同时作用于一个道岔，即把一条线路上的进站列车拉到另一条轨道上。而这两条线中的一条是曲线，另一条必须是直线。2.3.1 电动开关机的组成及原理 1）道岔装置设备：道岔装置主要包括两条基本轨、两条轨道轨道和一台电动道岔机

13、。通过电动转辙机的运动，可以移动尖轨的位置，进而确定轨道转辙的方向。轨道点轨是道岔机的重要组成部分，通过连杆与电动道岔机连接。2）基础轨及安全防护部分：该部分主要由护栏、基础夹板和翼轨组成。两条连接轨迹相交处的安全性。从下图可以看出，两条翼轨之间会有一定的间隙，这是一个有害的空间，如果太大，会影响火车的通过。在实际操作中必须避免这种危险。因此，需要增加护栏部分，可以引导来车的车轮。电动转辙机机车车辆轮对尖轨转辙机部分连接部分辙叉及护轨部分护轮轨直轨侧轨导曲线有害空间 图 2.1 普通单开右开道岔开侧钢绞线示意图 3）连接部分：该部分主要由两条导轨和两条直线导轨组成。它的作用是将转辙机连接到叉形

14、件和护栏件上。这里，导轨曲线的半径不能太大，所以当火车经过时，速度必须在它附近。2.3.2 电动开关机开关控制 电动转辙机的工作原理是利用电机带动转辙点导轨改变位置来实现轨道的变化。具有正转和反转两种方式，保证开关能实现两个相反方向的分闸位置。我国铁路使用的电动转辙机的部件主要由机壳、转辙锁紧装置、摩擦联轴器、电动机、自动开闭装置、减速机、道岔挤压装置等组成。其中包括确保安全并实现功能的设备。2.3.3 铁路道岔的典型安全问题 本节主要介绍应注意的铁路道岔常见安全问题，包括道岔障碍、道岔伤害、公共工程安全、道岔挤压等。以下重点介绍道岔障碍的原因及后果。1.道岔障碍 道岔障碍主要是指在轨道转换过

15、程中，如果道岔中有障碍物阻碍道岔的运动，可能导致轨道转换错误的发生。轻则轨道转换不到位，重则造成列车脱轨的危险问题。接下来，我们从具体的轨道路线图分析各个障碍物的影响因素，可以让设计更好的运行，避免出错。1）点轨切换障碍物：从图中可以看出，当点轨旋转后，当障碍物到达足够多，导致点轨前端与基轨不完全重叠时，会导致点轨脱轨。拾取轮。电动转辙机机车车辆轮对尖轨护轮轨直轨侧轨导曲线有害空间障碍物图2.2 尖轨开关障碍物造成脱轨原理示意图 图 2.2 T ip 轨道切换障碍物的 D 制导原理 2）动铁芯轨叉开关造成的障碍物：如果有这样的障碍物，会导致动铁轨卡爪转动后动铁轨叉尖无法连接到基本轨道，这将不可

16、避免地发生。造成活动芯轨车辙 叉的切换方向与尖轨的切换方向不一致。这种不一致会导致经过的机车脱轨。电动转辙机尖轨位置通向侧股直 轨侧 轨导曲线障碍物长心轨帮轨短心轨电动转辙机同步联动机构因障碍阻碍活动心轨无法开向侧股活动心轨辙叉 图 2.3 活动心轨开关障碍物造成脱轨原理示意图 图 2.3 活动穿越尖端轨道切换障碍的 D 脱轨原理 3）蛙翼轨和车轮护栏的轮缘槽造成的障碍。当列车通过时，由于障碍物的大小、硬度、位置和形状，可能会出现列车的重量、速度和瞬时形状，并且机车车辆的轮缘可能会上升或弹出顶部表面。铁路。可能会发生火车脱轨事故。4）轨道电路造成的障碍：在该系统中，每条钢轨都是轨道电路的一部分

17、，参与电流的传输。如果轨道中的一根钢轨断开，可能会导致整体信号测量异常，从而导致链条混乱。2.挤压道岔 在铁路运营中，也出现过挤道现象。意思是当道岔已经关闭，但仍有列车未收到信号时，被迫进站，导致道岔开口方向与列车行进方向不同。造成严重后果。2.4 开关机信号检测部分 为解决道岔机发生故障时事故原因的处理和分析问题，本系统设计了一种基于流水线结构微处理器的数据采集系统应用方案。采用自带内核的高精度三相电源专用芯片，DSP实现对道岔机工作状态的在线监测。通过对电源、信号采集通道、信号输出通道进行必要的抗干扰设计，以及RS-485总线通讯、光电隔离、短路保护和过载保护等措施，系统很好地适应了工作的

18、复杂性。环境。在现场试运行中得到了很好的验证，该方案在强电磁干扰的工作环境中具有良好的应用前景。正常工作下，开关转换是一个比较稳定的过程，工作电流也是一个规律的曲线。通过监控设备的智能诊断软件分析电流波形和数值的变化，可以判断开关机是否正常工作并记录其劣化趋势；以便及时报警，防止事故发生，为维修工作提供科学指导。下图是电动开关机的接线图。图 2.4 开关电机接线图 图 2.4 接线图开关电机 三相四线电机功率在线监测。采用专用电源芯片对电源信号进行检测，RS-485并通过总线与上位机通信，从而更好地保证信号的可靠性，最终达到调度监督、计算机监控和有效管理的目的。2.5 监控系统总体方案 信号监

19、控系统需要检测的信号包括：轨道开关机电源、工作电流、灯丝电压、轨道继电器电压、开关电压、电源接地电流等多路信号。设计：本系统采用PC计算机作为显示、存储、打印测试结果和控制测试电路。其优点是上位机界面显示，易于现场人员接受；测量信息可以保存、查询、调用，也可以用于历史数据。用于分析和故障预测的记录；系统中的非线性问题可由上位机修改。检测方式采用下位机中断请求和上位机响应的处理方式，使测量过程得到及时处理，满足测量时间要求。信号采集部分采用光电隔离技术、阻容滤波网络等措施，使测量系统不会对原信号系统产生任何影响，保证工作系统的安全。系统总体方案如下：系统需要对多点工作情况进行监控，并对转辙机进行

20、监控，以保证转辙机的正常运行。部分框图如下所示：1，压力传感器2，电压传感器3，功率传感器4，电流传感器5，缺口位移检测上位机系统下位机（嵌入式系统）下位机（嵌入式系统）下位机（嵌入式系统）1，压力传感器2，电压传感器3，功率传感器4，电流传感器5，缺口位移检测.主机监测系统总线系统 图 2.5 系统示意图 图 2.5 系统示意图 该系统的工作原理是下位机的嵌入式系统将功率传感器、电流传感器等采集的模拟量数字化，通过总线与上位机和监控主机进行通信。与数据库进行比对，将开关机和待测物图形化、数字化显示，设置上下限报警判断。并且在必要时可以将现场图像上传到监控主机，确认现场情况，便于分析和故障诊断

21、。2.6 本章小结 本章主要对本课题的试验场地进行详细说明，并介绍轨道电路的原理和作用。列举了铁路运营系统中铁路道岔经常出现的安全问题，并提出了解决方案。最后主要针对电动开关机的信号检测提出整体方案设计。第三章 下位机系统软硬件设计与实现 3.1 信号检测硬件设计介绍 本系统下位机部分主要基于流水线结构微处理器 C8051F410 设计的数据采集系统应用方案。为解决道岔机容易出现故障的问题，DSP采用自带内核的高精度三相电源专用芯片，实现道岔机工作状态的在线监测。通过对电源、信号采集通道、信号输出通道进行必要的抗干扰设计，以及RS-485总线通讯、光电隔离、短路保护和过载保护等措施，系统很好地

22、适应了工作的复杂性。环境。在现场试运行中得到了很好的验证，该方案在强电磁干扰的工作环境中具有良好的应用前景。电动开关机每次工作时都有固定的功率。一般情况下，开关转换是一个比较稳定的过程。每台电动开关机的动作时间约为 8 秒。在此期间，开关机的功率基本不变，动作电流也是规律曲线。通过监控设备的智能诊断软件分析电流波形和数值的变化，可以判断开关机是否正常工作并记录其劣化趋势；以便及时报警，防止事故发生，为维修工作提供科学指导。为以后设计更先进的设备奠定了基础。为保证系统能够及时报警和处理电动开关机故障，需要对设备的运行状态进行存储和分析，需要对电源信号进行检测。在本文中，我们使用专用芯片Att70

23、22a。三相四线电机功率在线监测。使用专用电源芯片检测电源信号RS-485并通过总线与上位机通信，更好地保证信号的可靠性，最终达到调度监督、计算机监控和有效管理的目的11。3.2 系统工作原理 3.2.1 系统基本工作原理 系统主要分为两种应用模式，既可应用于数据终端，也可应用于模拟终端。该系统的工作原理如图 1 所示。图 3.1 硬件电路示意图 图 3.1 硬件电路示意图 从图中可以看出，本文设计了两种测量模式：一种是监测模式，即系统中的四个电流源将采集到的功率信号和三个电流信号转换成4-20mA电流信号。在实际应用中，有专门的仪器用来检测和测量采集到的信号；另一种方式是485通过模块将信号

24、与上位机进行通讯，并将信号实时传输给上位机，用于显示、存储、备份打印等功能。3.2.2 功率信号计算原理 系统中使用的电源芯片ATT7022a集成了六个二阶sigma-delta ADC参考电压电路。无需外接数据采集芯片，系统集成度高。采用双端差分信号输入形式，减少干扰源。在该芯片中，完成了有功功率的计算，去除直流分量后，对电流和电压信号进行乘、加、数字滤波等一系列数字信号处理后，得到各相的有功功率。前端的过采样技术ADC可以充分保证电流和电压采样率的同步。根据采样定理可知，电流、电压采样数据中最多包含21次谐波信息，(3-1)按照公式计算的有功功率也至少包含21次谐波。谐波信息信号。01()

25、()NnPUnI nN(3-1)ATT7022a三相三线方式下，采用二元测量法，合相功率计算公式为：3ABCBABCBPUIUI(3-2)3QU9090ACABCBIUI(3-3)电压电流互感器 三相电能芯片 流水线式处理器 JTAG 在线调试电路 DC/DC 电源电路 模式 1 四路 电流源 模式 2 485 通讯模块 复位电路 22333SPQ(3-4)三相三线模式下，ATT7022a相位B通道不参与功率测量，只有A相位和C相位通道参与三相三线测量。但是，通道的参数ATT7022a可以B单独发布，只要将B相应的信号添加到通道的电压和电流通道13。在三相三线模式下仍然可以读取Pb/Qb/Sb

26、/URmsb/IRmsb/Pfb/Pgb 参数，但B任何信号加到通道的电压和电流通道上都不会对三相三线的正常测量产生不利影响。示意图如下图所示，组合有功功率如下：Pt=Pa+Pb+Pc (3-5)高通滤波器高通滤波器相位校正功率增益校正能量计算功率计算 电压采样值电流采样值EpaPa合相功率pt=pa+pb+pc 图 3.2 有功功率测量 3.2.3 电压和电流有效值测量 通过对电压采样值取平方根得到数字滤波等一系列运算，得到轨道电路接收端电压和列车信号灯电压有效值测量1000mv值，输入信号电压有效值的误差0.5%为电压通道小于10mv具体电压有效值测量处理原理图如下：高通滤波器数字滤波器开

27、平方 电压采样值 Ur 图 3.3 电压有效值测量 电动开关机的电流测量是通过电流采样值的平方根、数字滤波等一系列运算得到的。当前有效值的误差小于0.5%当前通道2mv输入的信号1000mv。具体电流有效值测量处理原理图如下：高通滤波器数字滤波器开平方 电流采样值 Ir 图 3.4 电流有效值测量 图 3.4 电流有效值 3.2.4SPI 通信 电源芯片ATT7022a和单片机系统是通过总线提供数据传输ATT7022a接口SPI。在系统中，将电源芯片中采样计算得到的有功功率和电压与电流存储在电源芯片对应的寄存器中C8051F410；误差小，准确度和响应时间都能得到很好的保证3。此外，ATT70

28、22a内部电压监控电路可以保证上电和断电时的正常工作。3.3 下位机硬件电路设计 硬件电路设计采用模块化设计的方法。本系统设计的模块主要有：RS-485通信总线接口模块、电流源电路、电源检测模块、高速光耦6N137、编程调试接口电路、电源电路、振荡电路，由电源监控电路、系统复位组成和信号输出模块。下面对设计的各个子模块进行详细介绍。3.3.1 微控制器系统概述 C8051F410该器件是一个完全集成的低功耗混合信号片上系统MCU。下面列出了一些主要功能：高速、流水线结构的8051兼容微控制器内核（可达50MIPS）；全速、非侵入式在系统调试接口（芯片）；高精度可编程24.5MHz振荡器；必要时

29、倍频。32KB内存2304片；Flash字节片RAM；硬件实现SMBus/I2；增强型UART和增强型SPI串行接口；4通用16位定时器；具有捕获/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA）6；硬件实时时钟（SmaRTClock），低工作电压1V，带64字节电池备份RAM和后备稳压器；片上上电复位、VDD监控和温度传感器；片上电压比较器；最多24 2 个端口I/O。3.3.2 信号采集电路 系统的工作过程是高压信号通过电压互感器左右转换0.5V，电流信号0.1V通过电流互感器左右转换。转换后的信号经过整流、滤波、调理后输入三相电源芯片ATT7022a。信号输入ATT7022

30、a中间后，将测得的有功功率和三相电流信号存入相应的参数输出寄存器。该ATT7022a芯片连接到流水线处理器C8051F410。在高速流水线指令结构下，可以达到程序执行速度50MIPS，从而满足系统的实时性。相应的信号值在中断模式下从寄存器中读取。ATT7022a信号采集电路如下图：图 3.7 信号采集电路 图 3.8 ATT7022a 信号处理外围电路 对这个信号做了两种处理：第一种是对与上位机相连的检测系统，需要做RS-485总线通讯处理。测量仪器的另一个模块是模拟仪器，它需要将平均功率和有效电流信号转换成420mA电流信号进行测量显示。在实际应用中，可以根据实际应用环境选择这两个模块。3.

31、3.3 光隔离 RS-485 总线模块 为了增强RS-485总线节点的抗干扰能力，C8051F410输出不直接MX1487连接，而是通过高速光耦连接6N137。光隔离RS-485总线电路如图 3 所示：图 3.9 光隔离 RS485 总线电路图 光耦电路中使用的两个电源VCC必须VDD完全隔离，否则光耦将毫无意义。电源的完全隔离可以使用小功率电源隔离模块。为避免后续信号处理部分带电，避免数字信号对模拟信号的干扰，提高系统性能，采用高速光电耦合器件。因为使用了串行模数转换器，电路接口变得简单，串行时钟变得非常高，普通的光电耦合器件远远不能满足要求。我们采用6N137速度高达10MHz的光耦合器。

32、RS-485 总线通讯需要注意三个要点：1、总线隔离 RS-485总线是一个并行的两线接口。如果一个芯片出现故障，总线可能会被“拉死”。因此，在两线端口和PTC总线410之间串联了一个电阻ABV V、。为了防止对外部设备的强电磁干扰，可以选择防雷芯片59。另外，二极管TVS相互之间同时接地5V，以消除线路浪涌的干扰。2、故障保护措施 RS-485该标准将接收器阈值指定为200mV。因此，它的作用是提供更高的噪声抑制，但同时会产生200mV母线电压处于中间状态时可能引起的接收器输出状态的不确定性。当总线空闲、开路或短路时，两条线之间的电压会低于200mV此值，必须采取必要的措施进行处理。可以在总

33、线上添加一个偏置电阻进行保护。当总线空闲或开路时，偏置电阻用于将总线偏置到某个状态。但这种方法不能解决总线短路问题。为解决总线短路问题，采用Maxim本公司MAX2080系列RS-485接口，接收阈值移至-200mV/-50mV.这消除了对外部偏置电阻的需要，也解决了总线的短路故障安全缺陷。3、电磁抗干扰问题 驱动器输出信号中的共模输出必须有一个返回通道，并且在大多数情况下，必须使用一个低阻抗的返回通道，即信号地。没有这个措施，信号会以辐射的形式返回到源端，整个总线就像一个电磁波发生器，干扰很大，会影响信号的正常传输。因此，RS-485必须在网络中添加一个低阻抗信号地。但这种传统方法只对高阻抗

34、共模干扰有效。本文主要采取了三项措施：1）当干扰源的阻值很大时，可以在接地线上加一个限流电阻来限制干扰电流。接地电阻不宜过大，以免共模电压上升。2)使用浮动技术隔离接地回路。此方法适用于共模抗干扰能力较小的情况。此时引入的干扰节点浮空并与机箱隔离，不会产生较大的回路电流。3）采用隔离接口技术，当不能悬空时，可以用隔离接口隔离接地回路。3.3.4 电流源模块 功率信号和三相电流的有效值通过C8051F410，光电耦合器将电压转换成电流电路（即电流源），电压信号变成420mA电流信号。具体电路3-10如图35所示：如图3-10，它TLP250起驱动作用，信号经过两路放大整流，将脉冲电压信号转换成与

35、其成线性关系的电流信号。这样就保证了输入和输出的对应关系，使输出能够准确地反映采集到的信号的变化36。图 3.10 电流源示意图 图 3.10 电流源示意图 3.3.5 电源电路 DC/DC恒压隔离稳压单路输出（正压或负压）转换器，具体电路图如图 3 所示，图 3.11 DC/DC 电路图 3.11 DC/DC 电路图 图中电源转换电路中的芯片采用 WB12058，输出稳压精度高，纹波小，隔离特性好，无需任何外接元件即可工作37。但是，当外界环境的电磁干扰比较强时，可以外加一个电感电容网络，可以达到很好的消除噪声的效果。该电路特别适用于需要高输出电压精度和纹波噪声抑制的电压转换器系统。DC/D

36、C 3.3.6 电源监控电路 该电路中使用的电源芯片ATT7022a包含一个电源监控电路，可以持续监控模拟电源AVcc。当电源电压低于 时，芯片将被复位。4V%这确保了在电路上电和断电时芯片的正确启动和正确操作。电源监控电路应置于延时和滤波环节，最大程度排除电源噪声引起的误差。如图 3.12 所示，该芯片要求 AVc 的波动不超过5V5%，为保证芯片正常工作，电源应去耦38：图 3.12 片上电源监控特性曲线 图 3.12 芯片内功率监测特性曲线 3.3.7 电源芯片系统复位 电源芯片ATT7022a提供两种复位方式：硬件复位和软件复位。硬件复位通过外部引脚完成RESET，该RESET引脚带有

37、上拉电阻，正常工作时该引脚为高电平。47K当RESET运行中出现持续时间大于 20us 的低电平时，ATT7022a进入复位状态。当RESET变为高电平时，它ATT7022a会恢复并从复位状态进入正常稳定的工作状态39。写入端口时，0 xD3软件复位SPI通过端口完成SPI。系统首先执行重置。复位状态为SIG高电平ATT7022a。复位后，它ATT7022a在初始状态下运行。当ATT7022a从复位到工作状态需要一定的延迟时间时，大约10 分钟后500us状态会从高电平变为低电平。SIG此时，芯片开始进入正常工作状态40。这时就可以将校准数据写入芯片了。校准数据写入后，SIG引脚状态将立即再次

38、变为高电平。3.3.8 硬件抗干扰设计 铁路信号监测设备的干扰源，主要包括以下几个29：1）高压开关操作：当操作高压开关时，电弧的熄灭和重新点燃引起一系列高频振荡。2）雷击：变电站可能被雷击直接击中，强雷电流和过电压直接作用在一次设备上，产生极强的脉冲电场和磁场，通过一次与二次之间的耦合路径进入二次回路系统或接地网。3）运行中的电力设备：当载流导线和运行中的电力设备发生短路故障时，它们的短路电流会在附近产生强工频磁场。4）辐射电磁场：变电站的高频载波和对讲机都是辐射干扰源。5)静电放电 针对实际场景中的各种干扰，主要的硬件抗干扰措施主要有以下几点：1.参考电压 系统2.45V内部C8051F4

39、10的参考电压用作参考电压。这个电压是微处理器固有的，稳定性高，受外界环境影响小，抗干扰能力强。2.接线和滤波 在一些对噪声和纹波敏感的电路中，DC/DC可以在输出和输入端加滤波电容来降低纹波值。如果输出滤波电容的电容过大，可能会导致启动问题。为了获得非常低的纹波值，DC/DC可以将滤波器网络连接到转换器的输入和输出。LC 为了提高模拟量的输入阻抗，减少损耗。转换前加入一级电压跟随器A/D，将检测到的信号电压转换为电流，再将并联电阻恢复为电压信号。使用高精度12位双积分A/D转换器43。为了消除数字量的杂波干扰，10 F在电路中增加了滤波电容组。具体电路图如图3.13 所示：图 3.13 抗干

40、扰子电路图 图 3.13 子电路抗干扰图 芯片ATT7022a提供的参考电压Vref，精度高，干扰小。单片机系统采用看门狗电路，提高MCU抗干扰能力44。3、采用光电耦合隔离 本系统在电源端和 RS-485 通讯模块增加高速光电耦合隔离，使信号处理系统不受电源影响，同时高压和低压模块由变压器隔离，减少影响。在地线方面，模拟地和数字地应分开布线。正常工作情况下，输出电路无过流、短路保护功能。最简单的方法是在输入端串联一个自恢复保险丝，或者在电路中添加一个断路器。3.4 下位机软件设计 3.4.1 软件设计思维 本程序编写和调试的开发环境是Keil 51使用C混合编程语言和汇编语言，基于C程序中调

41、用汇编的设计思想45。软件设计主要包括：I/O端口的初始配置、电压管理系统的设置、系统时钟、中断、定时器以及PCA可以改变输出位8占空比的子程序PWM4546 47。软件部分的设计工作主要涉及信号的采集、输出的计算与变换、复位功能的实现、软件陷阱的抗干扰部分。首先对系统进行初始化，采用定时器中断的方式进行采样，进入循环数据采集处理子程序。对采集到的数据进行处理，处理过程主要包括数据过滤、信号转换等。由于本系统要求电流信号由420mA平均功率和有效电流信号转换而来，而采集到的二进制信号的065536范围为A=B*4/5+51 3.4.2 数据采集程序框图及处理分析 数据采集采用中断采集方式，程序

42、主要包括主程序、初始化子程序、串行通信子程序、平滑滤波程序和中断PWM输出子程序25。数据测量中断子程序框图如图 3.13 和图 3.14 所示，为主框图：N初始化程序开机初始化到校表状态初始化到读数据状态读测量数据并求平均值计算输出脉冲宽度PCA中断标志位是否为1中断子程序Y 图 3.14 数据测量主程序框图 Fig.3.14 数据测量主程序图 YN中断入口清允许输出标志数据处理位为1数据存入输出寄存器中断返回 图 3.15 数据测量中断子程序框图 Fig.3.15 中断子程序数据测量图 软件系统采用汇编语言，方便调试和修改，及时满足系统的精确要求。在本系统中，每半个周期对三相电压电流信号采

43、样 1000 个点，并ATT7022a在电源芯片中计算出相应的功率值，C8051F410并设置中断请求采样为定时间隔。10ms分为四个样本，分别是平均功率和三相电流有效值。对收集到的数据信号进行平滑和滤波，以避免输出出现较大波动47。3.4.4 精度校准方法分析 使用ATT7022a此电源芯片需要校准。支持全数字校准，可实现通过数字校准得到的电表有功功率0.5s。具体校准流程表如下图所示：图 3.18 校准流程图 图 3.16 校正表流程图 开始参数设置设置结束高频脉冲输出设置其他参数设置能量累加模式设置起动电流设置失压阈值设置相位补偿区域设置比差补偿区域设置电压通道ADC增益选择 图 3.1

44、7 参数设置流程 图 3.19 参数设置流程 图 3.18 分相校准表 图 3.20 分相校正表 分相校正时分相电流的校正可能会影响A/B/C三相电流矢量和寄存器的精度。IRmst 3.4.5SPI 通讯接口 一SPI、通讯接口介绍 ATT7022a该部分集成了一个SPI串行通信接口。微处理器ATT7022a通过该SPI 端口实现数据读取，其SPI接口工作在从机模式，使用 2 条控制线和 2 条数据CSSCLKDIN线DOUT。当CS片选由高电平变为低电平时，表示 SPI 操作开始；然后微处理器发出读信号或写信号，确认后再发出地址信号，这样就可以进行数据的读写了。当CS它从 low 变为 hi

45、gh 时，操作结束。SPI无论是读数据还是写数据，每次操作都必须有下降沿SPI，CS否则通讯不成功。操作结束CS由上升沿指示SPI。ATT7022a与外部MCU通讯接口的接线图如图SPI12所示：图 3.21 SPI 通信接口典型接线图 图 3.21 典型接线图 SPI 通讯接口 DIN的串行数据输入（输入引脚）用于将微处理器的数据（如数据/命令/地址等）传输到端口上ATT7022a的串行DOUT数据输出（输出引脚）用于从寄存器 ATT7022a12。SCLK串行时钟（输入引脚）控制要移出或移入串行端口的数据的传输速率，以在上升沿放置数据并在下降沿取数据。在SCLK下降沿，DIN将高位的数据采

46、样到ATT7022a中间，在SCLK上升沿，ATT7022a将数据放在DOUT高位输出。在实际电路设计中，SPI应在信号线上串接一个小电阻，约 50 欧。输入端总会有一个寄生电容，加上这个电阻后，就可以形成一个低通滤波器，可以消除信号传输过程中产生的振荡现象，保证传输的正确性。如果外部电磁干扰较大，可以增加额外的电容。这里我们10pF通过实验选择左右电容51。3.4.6 软件抗干扰设计措施 监控模块的性能好坏直接影响整个开关电源的工作。如果抗干扰措施的设计没有充分考虑，一旦干扰进入监控模块，就会造成误检误报警，从而导致整个系统瘫痪。该系统的软件抗干扰方法如下30。主要采用数字滤波和数字调零技术

47、，消除A/D开关电路和转换电路的偏差，使信号平滑，减少干扰的影响。对各类数据，规定格式，采用校验、仪表校准技术、检错重传机制，提高可靠性。大量冗余指令用于提高软件执行的可靠性。3.4.7 系统误差分析 在实际的电力系统中，连接了许多外部电气设备，会给电网注入各种谐波电流。交流信号不是单一的50HZ正弦波。这些高次谐波危及电气设备的正常运行或缩短其寿命，必须予以消除。一般来说，高次谐波的幅度随着阶数的增加而变小3031。但是，同一频率的谐波电压和谐波电流将构成谐波功率，是有功功率的一部分。谐波电压和谐波电流也是电压有效值和电流有效值的一部分。因此，在交流采样技术中，应考虑谐波分量。3.5 章节总

48、结 本章的主要工作是实现下位机系统的设计，包括硬件和软件的设计。首先分析了系统的工作原理，然后进行了设计。设计方法是采用自顶向下的方式，将系统划分为若干子模块，逐一分析设计，最终实现硬件功能。通过软件调试工具，将程序添加到硬件系统中，最终实现下位机的设计。同时对系统的误差进行了分析。第四章铁路信号计算机监控系统的设计与实现 上位机由微机系统组成，软件采用Visual Basic编程方式。Visual Basic（简称VB）是Windows一个简单、易学、高效的环境编程语言开发系统32。，已广泛应用于各个领域，是许多计算机软件开发人员采用的开发工具。VB不仅提供了良好的接口设计能力，而且在计算机

49、串行通信中具有很强的功能。所需的各种预置信号（数字信号）通过串口传输到单片机系统，再由单片机系统生成实际的模拟信号线性光电隔离器致到现场。预置值可分别显示在计算机软件窗口和PC单片机系统的预置数字表上。同时，现场测量的信号也可以通过线性光电隔离器后，实时显示在系统的检测数显表和机器的界面上。PC这种设计界面直观，有利于现场信号的实时监测52。(1)下位机通讯 PC本机与各从机通信时，从机采用工作模式3和中断模式致和接收数据。本地地址是指每个从机的地址。当单片机发现PC本机致的地址与自己的地址匹配时，单机致地址响应信号，其他从机不同时响应。这确保了PC一次只有一个从站与机器通信。(2)上位机通讯

50、 采用上位机数据收发Visual Basic过程中的通讯控制。MSCOmm该控件不需要用户操作通讯底层，是一种简单实用的与下位机通讯的方法。它有事件驱动通信和查询通信两种方式。本设计采用事件驱动的方式，即接收缓冲区每次接受指定字符数时产生一次事件，MSCOmm致OnC0Mm时设置为不产生事件。4.1 串行通信方案介绍 串行通信作为一种灵活的通信方式，广泛应用于PC单片机之间的通信。PC只要我们借助相关ActiveX控件，即使在不被人们青睐的低级操作中，VB仍然可以实现串行通信，甚至它的实现方式C比汇编更快、更方便。并且有更好的界面。中 有 一 个 名 为Visual Basic（短 名 称）的