0 引言

動車檢修過程中接地樁可靠接地是對工作人員人身安全和設備安全的重要保證。目前，我國動車檢修段依然采用人工攜帶手持式鉗表進行回路電阻測量，國內(nèi)暫無專門針對動車檢修特殊環(huán)境所設計的回路電阻測試儀，而傳統(tǒng)回路電阻測試儀普遍存著功能單一、安裝受限、測量不方便等缺點[1～6]。為此，文章提出了一種基于STM32的動車回路電阻在線測試儀，采用穿線式設計，利用接觸網(wǎng)兩端掛接接地線，形成“接觸網(wǎng)-接地線-鐵軌”回路。通過本地回路電阻在線測試儀配合遠程終端形成一整套在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)**測量、數(shù)據(jù)遠程傳輸、自動報警等功能。大量的實驗數(shù)據(jù)表明，該測試儀無需開機校準，測量精度高，測量范圍寬，可以實現(xiàn)對檢修段整段回路電阻的在線監(jiān)測。從而有效排除接地安全隱患，保護檢修人員的人身安全和設備安全。

1 檢測原理

動車檢修段每號車道的出入口均通過接地線和接地開關進行接地，由“接觸網(wǎng)-接地線-鐵軌”形成接觸網(wǎng)回路。測試儀利用雙鉗口法對該回路的電壓、電流參量

進行采集。測試儀的檢測原理如圖1所示。電壓互感器線圈Ng作為激勵線圈，電流互感器線圈Nr作為接收線圈。e為電壓線圈所產(chǎn)生的交流電壓，E為被測接觸網(wǎng)回路中通過電磁感應所產(chǎn)生的電壓信號（單位V），電壓E在被測接觸網(wǎng)回路中產(chǎn)生感應電流I（單位A）。通過感應電流I，電流互感器將產(chǎn)生電流信號i（單位A），如式(2)所示：(2)

根據(jù)歐姆定律，可計算出被測接觸網(wǎng)回路的電阻R（單位Ω），如式(3)所示，其中，K為比例系數(shù)[7]：(3)

根據(jù)上式計算出的接地系統(tǒng)回路電阻，將通過觸摸屏和上位機實時顯示。

2 硬件電路設計

2.1 總體方案設計

動車回路電阻在線測試儀由信號激勵模塊、信號檢測模塊以及控制與顯示模塊三部分組成?？傮w方案設計如圖2所示。

信號激勵模塊由正弦激勵信號發(fā)生電路、功率放大電路以及帶通濾波電路組成。測試儀通過正弦激勵信號發(fā)生電路產(chǎn)生960Hz的激勵信號，該信號經(jīng)過功率放大以及帶通濾波電路處理后，將作為雙鉗口法采集的激勵源。

信號檢測模塊包括信號調(diào)理電路以及A/D轉(zhuǎn)換電路。采集到的電參量通過信號調(diào)理電路進行有效值轉(zhuǎn)換以及去除干擾，然后送至STM32內(nèi)部的12位A/D轉(zhuǎn)換器進行處理。

控制與顯示模塊包括報警電路、人機交互界面和上位機系統(tǒng)。人機交互界面實時顯示測量值，工作人員可通過人機交互界面設置報警閾值，測試儀在測量值大于報警閾值時，將會對外進行報警閉鎖。后臺上位機系統(tǒng)則可以向調(diào)度室內(nèi)的工作人員實時反映監(jiān)測情況，并形成監(jiān)測報表。

2.2 信號激勵模塊

2.2.1 正弦激勵信號發(fā)生電路

文章采用ICL8038作為正弦信號發(fā)生器。為了避免工頻干擾，設計的激勵信號頻率應為50Hz的非整數(shù)倍。同時為了配合配套的電流傳感器和電壓傳感器，文章使用的信號頻率為960Hz。正弦激勵信號發(fā)生電路如圖3所示。

正弦波信號由2腳輸出，通過調(diào)節(jié)電位器RW1阻值大小改變輸出的正弦波頻率。電位器RW2用于改變輸出信號的失真度。

2.2.2 功率放大電路

由于ICL8038的驅(qū)動能力不足，需要對輸出信號的功率進行放大處理。功率放大電路如圖4所示。

選用TDA2030集成功率放大器對輸出的正弦信號進行功率放大。電容C3濾除信號中的直流成分，旁路電容C4、C5則降低了電源對地的交流阻抗。二極管D4、D5保護輸出電路，R7、R8則構成了反饋電路。因此，電路穩(wěn)定可靠，具有一定的抗干擾能力。

2.2.3 帶通濾波電路

工作現(xiàn)場環(huán)境復雜，ICL8038產(chǎn)生的正弦信號可能會混疊工頻干擾和高頻雜波，為此設計的帶通濾波電路如圖5所示。

帶通濾波電路只允許選定頻段的信號通過，可以有效的濾除工頻干擾和一些高頻雜波，其中心角頻率為[8]：

通過改變R10、R11、R12、C7、C8的值，可以選定通過的頻段，文章選擇通過的頻段為910Hz～1010Hz。

2.3 信號檢測模塊

2.3.1 信號調(diào)理電路

在進行A/D轉(zhuǎn)換前，需要將交流信號轉(zhuǎn)換為正電壓的直流信號。為此設計了如圖6所示的信號調(diào)理電路。

采用AD736作為交直流轉(zhuǎn)換芯片，對正弦交流信號有效值進行轉(zhuǎn)換得到直流信號。工作電壓為±12V，2腳為信號輸入腳，6腳為信號輸出腳。濾波電容C9、C12、C13，可濾除高頻干擾，電容C10則起到隔直作用。雙向限幅二極管D7、D8起到過壓保護作用。因此，電路整體轉(zhuǎn)換精度高，靈敏度好。

2.3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

測試儀選用STM32F103為控制核心，使用其內(nèi)部自帶的12位A/D轉(zhuǎn)換，其*高工作頻率可達72MHz，具有SPI、I2C等多種通訊接口，使用方便[9, 10]。

2.4 控制與顯示模塊

觸摸屏作為人機交互界面，可以實現(xiàn)參數(shù)的輸入與顯示。開機后可通過觸摸屏輸入報警閾值，并在檢測時實時顯示測量值。當測量值大于報警閾值時，表明接地存在安全隱患，測試儀進行聲光報警輸出，提示現(xiàn)場工作人員。同時，發(fā)送信息至后臺上位機系統(tǒng)，調(diào)度室內(nèi)將實時反映現(xiàn)場監(jiān)測情況?，F(xiàn)場監(jiān)測圖如圖7所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)主程序流程圖如圖8所示。

系統(tǒng)上電后，首先對各模塊進行初始化，包括對硬件電路初始化、中斷初始化、時鐘初始化等。為保證安全性，需通過在觸摸屏或后臺上位機上輸入密碼進行專業(yè)人員身份確認。身份確認后，可設定報警閾值。之后自動進入U/I參數(shù)采集程序，得到回路電阻值R并通過觸摸屏進行實時顯示。同時通過串口通訊將監(jiān)測值實時發(fā)送給后臺上位機。若實監(jiān)測的阻值超過了設定的報警閾值，測試儀將進行聲光報警并控制相關繼電器閉鎖，觸摸屏界面變?yōu)閳缶缑?，并向后臺上位機發(fā)送報警指令。

4 系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)準確度測試環(huán)境選擇為沈陽動車段半戶外式檢修車間，測試時間為2018年6月，環(huán)境溫度28℃，采用1Ω～10Ω和20Ω精密電阻作為標準測試電阻，使用ETCR2000手持式鉗形接地電阻測試儀測量值作為對照值，測量值為多次測試后取得的平均值，實際測量數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，測試儀測量值的相對誤差明顯小于鉗表測量值，測量更**。測試儀*大相對誤差為3.33%，滿足工程上≤7%的要求。與手持式鉗表相比，

精度更高，而且能夠?qū)崟r在線監(jiān)測，使用安裝方便。經(jīng)過長期的運行和實驗所得大量實驗數(shù)據(jù)可得，該監(jiān)測系統(tǒng)運行穩(wěn)定，測量準確。

5 結語

文章設計了一種動車回路電阻在線測試儀，采用非接觸式設計，配合人機交互界面和遠程終端形成了一套動車檢修段回路電阻在線監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)在沈陽、長春、通遼等動車段已經(jīng)投入試驗運行。經(jīng)長期運行和實驗，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，測量精度高，使用安全方便，能夠滿足對我國高速鐵路接地系統(tǒng)安全性在線監(jiān)測的要求，具有較高的應用價值。