杂散电流测试装置的设计毕业论文.doc

杂散电流测试装置的设计毕业论文目 录1 绪论11.1课题的背景及意义11.2国内外现状21.3目前存在的主要问题21.4本文主要研究内容32 杂散电流的基础研究32.1城市轨道交通的直流牵引供电系统32.2杂散电流的定义及分类42.2.1 杂散电流的基本定义42.2.2 城市轨道交通的杂散电流42.2.3 杂散电流的分类42.3 杂散电流的分布及其影响参数52.3.1 杂散电流的分布规律52.3.2 影响杂散电流的参数52.4 杂散电流的危害62.4.1 杂散电流腐蚀的危害62.4.2 杂散电流的其它危害62.5 杂散电流的防护方法及相关标准72.5.1 杂散电流的先期防护措施72.5.2 杂散电流产生后的防护82.5.3 杂散电流的防护标准93 杂散电流检测装置的功能简介93.1主要用途93.2总体设计功能103.3主要参数及其特点描述1134现场测量123.4.1杂散电压测量123.4.2杂散电流测量123.4.3牵引电压测量133.4.4泄漏电流测量133.5人机交互接口143.6杂散电流智能测量仪工作原理154 杂散电流检测装置设计164.1 C8051F320单片机系统概述.164.1.1 C8051F320单片机系统概述164.2 信号调理电路204.2.1 结构钢调理电路204.2.2参比电极对结构钢的测量的调理电路214.2.3 钢轨对结构钢的测量调理电路214.3 A/D转换器224.4 USB总线控制器244.5 键盘电路264.5.1 如何判断是何健按下264.5.2 键盘扫描程序流程图274.5.3 键盘电路接线图274.6 LCD显示电路284.6.1 并行接口294.6.2 显示电路接线图304.7 数据存储电路314.8 电源电路324.9 扩展电路334.10 报警电路344.11 时钟电路354.11.1各引脚的功能如下354.11.2 DS1302的控制字节364.11.3 数据输入输出364.11.4 DS1302的寄存器364.12 复位电路374.13 参比电极简介375 检测装置的抗干扰385.1干扰产生的原因385.2 抑制干扰源385.3 切断干扰传播路径385.4 提高敏感器件的抗干扰性能395.5 其它常用抗干扰措施396 总结40参考文献41翻译部分43英文原文43中文译文56致 谢66 中国矿业大学2010届本科生毕业设计 第65页1 绪论1.1课题的背景及意义近年来，随着改革开放政策的贯彻执行以及经济建设世纪目标的实现，我国大中城市的建立和发展有了很大的提高，同时大量的流动人口和快节奏的生活使得人们对准时、安全、快捷的交通方式的需求越来越强烈。城市轨道交通作为一种较成熟的交通方式，便凭借其运量大、干扰小、快捷、方便、安全的特点走进了我们的生活，以缓解日益突出的城市交通问题。城市轨道的主体结构是永久性建筑，是百年大计，所以我们应该对其安全性能保持足够的关注。轨道交通所使用的电动车组牵引用电量大，线路长,其周围常有各种金属管线设施。而且我国的地下铁道和轻轨交通，基本上都采用走行轨回流的直流牵引供电方式。这样做虽然可以减少建设投资，但同时其运行时所带来的伴随走行轨回流方式而产生的杂散电流(又称迷流)会对轨道的安全带来威胁。所以城市轨道杂散电流的影响是整个设计、建设、运营维护中必须考虑的问题。由于杂散电流的作用,会引起金属产生电解形式的腐蚀,不仅速度快,而且在金属表面常呈现深度的穿孔状腐蚀。如果防护不当,可能会对轨道周围的埋地金属管线、电缆金属恺装外皮以及车站和区间隧道主体结构中的钢筋发生电化学腐蚀，不仅能缩短金属管线的使用寿命，还会降低地铁钢筋混凝上主体结构的强度和耐久性，严重时还可能发生管道漏泄,造成灾难性损失。如香港曾因地铁杂散电流引起煤气管道的腐蚀穿孔，造成煤气泄漏的事故；北京地铁第一期工程投入运营数年后，其主体结构钢筋发现严重腐蚀，其隧道内水管腐蚀穿孔，仅东段部分区段更换穿孔水管就达54处。此外，天津地铁也存在着水管被杂散电流迅速蚀穿的情况。在国外，如日本、美国、法国、意大利、英国、加拿大和俄罗斯等国的地铁也存在地铁杂散电流腐蚀的问题。现在，我国的地铁和轻轨作为城市重要的交通工具正得到迅速发展。除北京、上海、香港、青岛、南京、天津和广州等城市的地铁已基本投入运营，目前许多城市也把修建地铁列入了城市规划之中。由于地铁和轻轨是一种复杂的地下工程，其结构在施工完成后己定型。经若干年运营后，要对主体结构因杂散电流腐蚀而进行更换或翻修是十分艰难的。而对杂散电流腐蚀机理和危害加以研究，能够对杂散电流相关的参数进行及时的检测，并最终设计一种行之有效的杂散电流监测系统，实时地监测杂散电流的大小与分布，用以预警有关部门提前采取措施来抑制杂散电流的危害，就显得尤为重要。2因此，许多发达国家都投入了大量人力物力,对此问题进行长期深入的研究。北京地铁建设运营初期,也是在实践中逐渐加深了对杂散电流腐蚀危害的认识,及时采取了一系列对地铁杂散电流的限制与防护措施,进行了对杂散电流的大量试验测量,设置了有效的防护监测,取得了较好的效果。城市轨道交通在我国许多城市还是一个新生的事物,为了更好地发挥它的经济与社会效益,同时尽量减少可能造成的负面影响,在地铁或地面轨道交通设计、建设和运营的全过程中,对杂散电流的腐蚀防护问题必须给予充分的重视。鉴于地铁与轻轨杂散电流腐蚀防护对城市发展与国民经济的重要意义,因此实现对杂散电流及其相关参数的检测，提前预防杂散电流的危害，对城市轨道交通的安全、可靠运行来说具有重要的意义。1.2国内外现状自从有直流电力牵引的地铁诞生以来，杂散电流腐蚀及防护在发达国家一直受到较高度的重视，美国、德国、日本和前苏联在此课题上都投入了巨大的财力和人力，取得了丰硕的成果。而且到目前为止，还在不断地研究新的防护方法和防护手段。我国在20世纪90年代以前只有北京地铁和天津地铁的小段在投入运行，有关地铁杂散电流腐蚀和防护的研究很少，为了证明地铁里杂散电流的情况，1979年北京地铁科研所进行了大规模的测量调查。测量结果表明北京地铁确实存在杂散电流，这才引起了各方面的广泛关注。地铁杂散电流难以直接测量，一般都采用间接的方法来反映杂散电流的腐蚀情况。腐蚀防护标准给出了需要测量的杂散电流腐蚀的各项参数和监测方法，并制定判定依据。地铁结构与设备受杂散电流腐蚀的危险性指标是同结构表面向周围电解质的电流密度和由此引起的电位极化偏移来确定的。而电流密度难以直接测量，只有通过测量极化电位来判断。地铁杂散电流腐蚀要测量的参数轨道电位、埋地金属的极化电位，轨道过渡电阻、轨道纵向电阻等。传统的监测方法都需要人工参与，缺乏自动在线测量功能，这给地铁运营的运行维护带来了困难。不过随着通信和计算机技术的发展，国外的杂散电流自动化监测已得到了广泛的应用，己研究出了长线管道受杂散电流腐蚀的监测方法，使用了大存储量的数据采集装置，用计算机进行数据采集和数据分析。并且他们对杂散电流的监测及日常维护管理非常重视，德国柏林交通公司的做法是:成立专门检查测量部门，长年累月、周而复始的监测、检查杂散电流防护情况。4就我国地铁运行情况来看，国内也已经有城市采用杂散电流自动监测系统进行地铁杂散电流的测试，但由于起步较晚，现在还有许多设备没能国产化，并且对杂散电流的监测还没起到足够的重视。不过随着城市轨道交通的不断发展，这种情况将逐步得到改善。1.3目前存在的主要问题杂散电流腐蚀的防护和检测，是设计、建设、运营维护中必须考虑的问题。而杂散电流的腐蚀是一个长期累计的结果。目前存在的问题有：(3) 杂散电流分布的精确模型很难确定，杂散电流很难直接准确测量，根据所监测的参数，很难预测出金属结构在杂散电流的作用下腐蚀程度和腐蚀趋势。(4) 影响地铁杂散电流分布的一些重要参数如：轨地过渡电阻和轨道纵向电阻等，缺乏有效的在线测量方法和实现手段；(5) 缺少合理的地铁杂散电流自动监测系统，不能为运行维护部门提供准确可靠的杂散电流腐蚀情况，为运行维护服务；(6) 杂散电流监测软件功能比较简单，与其他系统之间的资源相互独立，不能实现资源共享。1.4本文主要研究内容1、了解杂散电流产生的原理、危害2、分析杂散电流的分布规律和防护方法3、研究各参数对杂散电流的影响4、明确各参数的测量原理5、杂散电流检测装置设计2 杂散电流的基础研究2.1城市轨道交通的直流牵引供电系统要充分了解了解杂散电流，必须首先对产生杂散电流的直流牵引供电系统有所了解，只有在了解了直流牵引供电系统之后，对其有了一个形象而全面的认识，才能够了解杂散电流定义中所涉及的供电系统中的各构件。现对城市轨道的直流牵引供电系统介绍如下：目前地铁和轻轨的牵引方式采用电力牵引，其供电系统大多采用直流供电，供电电压有直流600V、750V、150OV、3000V(标称值)。图21所示为典型的地铁供电系统示意图。5其各部分名称及功能简述如下:(1) 牵引变电所:供给地铁一定区段内牵引用电能的变电所；(2) 馈电线:变电所向接触网(轨)传送电能的导线；(3) 接触网(轨):通过机车的受流器向机车提供电能的导电网；(4) 机车:动车或动车组；(5) 钢轨:用于牵引电流的回流；(6) 回流线:用以供牵引电流返回牵引变电所的导线。1牵引变电所；2馈电线；3接触网；4机车；5钢轨；6回流线；7电分段图 2-1 地铁供电系统示意图2.2杂散电流的定义及分类2.2.1 杂散电流的基本定义我国的CJJ49-92行业标准:地铁杂散电流腐蚀防护技术规程中对杂散电流的定义做出了规定:杂散电流:“在非指定回路上流动的电流” 。它的英文解释是：electrical current through a path other than the intended path.这个定义比较客观生动的阐述了杂散电流的特点。可以这样理解:只要是没有按照期望的路径流动的电流，都可以叫它杂散电流。例如在轨道交通运输系统中，在理想状态下，由牵引变电站送出的电流经过架空线进入列车，然后由铁轨回到变电站，可以形成一个封闭的回路。但是，在实际运行过程中若铁轨之间联结不好，接头处电阻过大，或者轨道与地面绝缘不良等因素都会造成电流的泄漏，这些泄漏的电流就是杂散电流。2.2.2 城市轨道交通的杂散电流本文主要研究城市轨道交通（包括地铁和轻轨），其运行方式大多采用直流电力牵引系统作为动力源，通过直流供电系统取流，把走行轨作为电流回流通路。在列车(停止、启动、加速、减速、匀速、滑行、制动、倒车等)运行过程中以及不同负载(空载、轻载、重载)的情况下，走行轨上会形成大小差别很大的工作电流。图 2-2 地铁杂散电流产生示意图该电流绝大部分能经过走行轨流回到电源负极，而总有一小部分通过轨道与地面绝缘不良的位置泄漏到地铁道床及周围土壤介质中，形成杂散电流，俗称地铁迷流(metro stray current)。地铁杂散电流经过在地下无规律流动，最后绝大部分还会流回到电源供电系统的负极。当然也存在极少的杂散电流无法流回到直流供电电源的负极，而成为真正的迷流。892.2.3 杂散电流的分类杂散电流具有多源性的特征,其大体可分为交流杂散电流、直流杂散电流、大地(天然)杂散电流。交流杂散电流主要来源于工业用电的传输、感应和馈地。此外,在变电站、雷达站、载波电话和有线广播站附近都存在强烈的交流杂散电流。直流杂散电流主要由电气化铁路、直流电机、电结合点设备以及其他直流用电器、各类避雷接地装置等引起。大地杂散电流是由太阳等离子体与地球磁场之间的互相作用以及电离层中的离子扰动所引起的地球脉动电流2.3 杂散电流的分布及其影响参数2.3.1 杂散电流的分布规律通过对城市轨道交通的直流牵引供电系统和杂散电流的定义进行研究之后，我们总结出杂散电流的分布规律如下：(1)在阳极、阴极处，杂散电流最大在电源的接入端，也就是阳极、阴极处，电流大于没有泄漏时的串联电流，这时的杂散电流主要是流回主回路的杂散电流。在实际地铁运行中，机车的下部处于阳极区，容易发生腐蚀。变电站附近的钢轨处于阴极区，也容易发生腐蚀。所以应对其重点防护。(2)各杂散电流的和为零从主回路泄漏的杂散电流与流回主回路的杂散电流近似相等，符合能量守恒定律。其中从变电所到机车处泄露杂散电流总量先增加后减少，在变电所和机车处为零，在机车与变电所的中点处最大。2.3.2 影响杂散电流的参数杂散电流能有如此分布规律，是受到了直流供电系统中一些参数的影响，现将这些能够对杂散电流的产生、大小和分布起影响作用的参数列举如下：1、地铁轨地过渡电阻值走行轨与地之间的过渡电阻越小，走行轨与地之间的泄漏点越多，杂散电流越容易产生，而且越大。2、走行轨阻抗的大小钢制的走行轨本身的阻抗越大，杂散电流就越大。3、机车运行的牵引电流大小机车的牵引电流越大(列车在启动和超负荷运行时，瞬间牵引电流达到上千安培)，杂散电流的比例也就会越大。4、供电区间的距离地铁列车的位置离走行轨连接负极的距离越远，杂散电流产生的范围就越大。5、土壤潮湿度土壤越潮湿，流入土壤中的杂散电流与走行轨上流过的电流的比例就越大，此外杂散电流的产生与土壤的酸碱度，细菌情况也有一定的关系。在以上几个因素中，有研究表明，地铁轨地过渡电阻及走行轨阻抗是影响杂散电流的最为重要的因素。2.4 杂散电流的危害通过上面的分析，我们虽然掌握了杂散电流的分布规律，但如果我们不能及时的消除或减小杂散电流，其所带来的危害还是能够对地铁的安全运行和人员的安全等方面产生很大的影响。2.4.1 杂散电流腐蚀的危害杂散电流会引起地铁设施、地铁附近的钢筋混凝土结构物以及埋地管线发生腐蚀，造成严重后果,主要表现在以下四个方面: 1) 钢轨及其附件的腐蚀在列车下部，列车处于阳极区，容易发生电蚀。资料表明，钢轨的杂散电流腐蚀在隧道内及道岔等部位尤为显著，在有些地方23年就要更换轨道。道钉也有杂散电流腐蚀，而且多发生在钉人部位，从面上难以发现。2) 钢筋混凝土结构物的腐蚀杂散电流通过混凝土时对混凝土本身并不产生影响，但如果有钢筋存在，则钢筋起汇集电流的作用并把电流引导到排流点处。在杂散电流由混凝土进入钢筋之处，钢筋呈阴极。如果阴极析氢且氢气不能从混凝土内逸出，就会形成等静压力，是钢筋与混凝土脱开。如有钠或钾的化合物存在，则电流的通过会在钢筋与混凝土的界面处产生可溶的碱式硅酸盐或铝酸盐，使结合强度显著降低。在电流离开钢筋返回混凝土的部位，钢筋呈阳极并发生腐蚀。腐蚀产物在阳极处的堆积会以机械作用排挤混凝土而使之开裂。如果结构物中的钢筋与钢轨有电接触，则更容易受到杂散电流腐蚀。在地铁运营一段时间后，如果要对被杂散电流腐蚀破坏的钢筋混凝土结构进行维修和更换将是十分困难的。3) 埋地管线的腐蚀杂散电流对埋地管线会产生腐蚀。地铁系统内的埋地管线主要有自来水管、石油管线、蒸汽管线等，在系统外则可能有煤气管线、石油管线、自来水管线等公用事业管线以及各种电缆管等。据调查这些管线不同程度地存在杂散电流腐蚀问题，有些铁管数年内甚至数月内即发生点蚀。在设计和建设地铁时不考虑此问题会产生极严重的后果。4) 异常腐蚀在把线路引入修理库、交检库及运转库等建筑物时，如绝缘施工不良可使钢轨与建筑物发生某种程度的电连接，从而使漏泄电流增大，产生较强的杂散电流腐蚀。例如设绝缘电阻降到0.1，钢轨电压的一昼夜平均值为+5V，则有平均50A的电流漏出，由此推算出的杂散电流腐蚀量为每年450kg。这种情况应尽量避免。2.4.2 杂散电流的其它危害1. 杂散电流造成人身触电地铁轨道为长轨，是由多节轨道焊接而成，因此轨道接缝电阻值较大，而使轨道与结构钢之间的电位差增加，如果轨道接缝处开焊，轨道接缝电阻更大，这使轨道与结构钢之间的电位差更高。如图23所示，在站台上，地铁乘客手脚之间的电位差为V，当这个电位差很高时，人就有死亡的危险。欧洲标准EN50122规定:这个电位差不得超过92V。14 图 2-3 人身触电示意图2. 杂散电流烧毁排流设备轨道与轨枕之间有绝缘相隔，但如果由于某种原因，绝缘物损坏，轨道与排流网短路，这时将有非常大的杂散电流，通过排流网、排流柜，流回牵引变流所，从而可能烧毁排流柜。2.5 杂散电流的防护方法及相关标准在明确了杂散电流的危害后，如何将杂散电流降到最低程度，采取行之有效的防护方法成为了地铁建设过程中的另一项工作重点。2.5.1 杂散电流的先期防护措施在地铁建设中，首先应有一个严格和完善的防护杂散电流的设计，并按照标准要求进行一丝不苟的施工，以期“防患于未然”，对杂散电流进行主动的防护，这当然是必不可少的先期防护措施，其主要包括以下几种防护方法：1、 构造杂散电流排流网在地铁建设初期，就利用电缆把整体道床内的结构钢筋连接起来，构成杂散电流收集网，使杂散电流通过收集网流向电源的负极。同时，我们还可以把车站结构、后构法隧道管片连续焊接起来，构成杂散电流收集网，减小其泄漏。2、降低回流回路的阻值钢轨本身具有电阻，当电流流过钢轨时在电阻上就产生电位差，因钢轨对地绝缘电阻不可能是无穷大，故产生有电位差和产生杂散电流。所以要降低杂散电流的数量就要减小钢轨压降，降低钢轨压降的方法有如下几点：a. 增加走形轨的截面积，减小钢轨的电阻：地铁列车走行钢轨同时作为牵引列车回流用，因此钢轨阻抗越小，从钢轨向外流失的杂散电流也越小，减少钢轨阻抗的有效办法是采用长钢轨，钢轨越长，钢轨接头就越少，钢轨的阻抗也就越小。b. 各钢轨之间应有畅通的电气连接以保证低阻值的回流路径。c. 缩短变电所之间的距离，采用双边供电：从杂散电流的估算公式来看，杂散电流与供电距离的平方成正比，所以缩短供电距离是减少杂散电流数量非常有效的方法。3、增加杂散电流流通路径的电阻增加杂散电流流通路径的电阻具体的有2点措施：a. 增加轨道对地的过渡电阻：木质轨枕、枕木的端面和道钉必须经过绝缘处理或设置专门的绝缘层，轨道和接地回路之间应具有良好的绝缘，走行钢轨采用点支承等。增加杂散电流泄漏路径电阻的另一个方法是地铁系统采用不接地或二极管接地策略。b. 在车辆段的检修与停车库中，每一条线路的走形轨均应使用绝缘接头与车场线路的走形轨相隔离。4、增加埋地金属管线的阻值敷设在地铁沿线的电力、通讯及控制测量电缆，应采用防水绝缘护套的双塑绝缘垫层；地铁中各种电缆，在隧洞中的电缆、水管等金属结构应以绝缘方式敷设；所有通向隧洞外的管线，必须装有绝缘接头或绝缘法兰。5、隔离法隔离法是通过电缆沟布线，并在固定位置采用绝缘安装金属管道多采用外刷绝缘涂料。常用的绝缘涂层有沥青、煤焦乙烯等。其优点是施工简单、一般不需维护，而且成本低。缺点是不彻底，如果涂料的密封性不好，长时间运行后会开裂脱落。上述大多数措施，同时也是防止土壤腐蚀方面的措施。因此防止土壤腐蚀的问题也得到了解决。2.5.2 杂散电流产生后的防护虽然有了上述众多的主动防护措施，但是又不能不注意到，地铁建设过程中的许多先期防护措施是会随着时间的推移而逐渐失效的。一项新建的杂散电流甚小的地铁系统，在运行一段时间之后，由于不可避免的污染，潮湿，漏水和受力破坏等因素，均会使原来良好的轨地绝缘性能降低，老化或失效。这就需要采取一些新的防护方法，来弥补先期防护措施受损所带来的损失。当出现这种情况后，我们应采用活化防护方法进行补救。活化防护就是杂散电流进入到地下金属结构后的保护方法，其防护原理是基于将杂散电流从地下设施引至回流轨，或将这些电流与相遇的电流抵消，一般应用于已经受杂散电流腐蚀的金属结构。在上述情况出现时消除杂散电流最行之有效地一种方法即为排流保护法。排流保护法主要是为保护金属导体而采取的防护措施，其基本原理是将被保护的金属导体对走行轨的阳极区用导线连接起来，从而相当于将金属导体与走行轨短路，使被保护的管道变为阴极性的，从而防止金属发生阳极腐蚀。地铁隧道内(或轻轨基础上)的道床，一般为整体固定道床，整体道床每个结构段大约50米左右，现在新建地铁，大都将各段道床内结构钢筋焊接为一电气整体，称之为道床排流网，并将各段道床排流网通过电缆相连，使道床内形成低电阻杂散电流通道，排流至变电所的负极。根据欧洲标准EN50 122标准，各牵引区段，在排流网上的纵向电压降小于0.1伏。用排流网上纵向电压降的允许值，及各区段杂散电流的大小，计算出排流网截面，都在1000mm2以上。此时排流网每公里的电阻小于0.16，这个电阻值是非常小的。因此排流效果非常好。活化防护法中除了排流法外，还有阴极保护法。其工作原理是用专门的直流电源(阴极站)供出反向的电流，来抵消地下设施流出的杂散电流。为了在大地形成上述电流，阴极站的负极引出端接至地下设施，正极引出端接至特殊阳极接地器。当阴极保护电流等于从设施流出的杂散电流时，设施表面的电腐蚀终止，当电流较大时，则形成阴极极化效应。如果阳极接地器使用钢电极，则其周围填炭，在钢电极和炭之间形成电子导电;也可使用炭、石墨或铁矽电极，其可溶性比钢低90%到95%。为使地下设施的防护电位均衡分布，阳极接地的布置距地下设施要远于50m。实质上，前述的排流法亦可看成是阴极保护法，它以钢轨作为阴极站的负极。阴极保护与排流防护相比，其优点是，可由于牵引变电所之间任何地点的保护电流不因杂散电流的变化而改变;缺点是，设备造价高，需供给所需消耗的电能，以及需要阳极接地设施。在实际的工程中经常采用排流法和阴极保护法相结合的方法来对杂散电流进行防护。此外，分段供电在轨道上设置绝缘结、使用单向导通装置也是防止特殊地段杂散电流腐蚀的有效措施。2.5.3 杂散电流的防护标准目前国际上杂散电流防护通常采用欧洲标准EN50 122、EN50 162标准。适用于采用直流电力牵引和走行轨回流方式的地铁系统设计、施工和运行维护等各个环节。标准从制定之处到目前为止，经过了不断的补充和完善，目前已被大多数国家所采用。我国在1992年我国制定并颁布了我国地铁杂散电流腐蚀防护专业的第一个行业标准地铁杂散电流腐蚀防护技术规程，并被批准为行业标准，编号CJJ4992。这个标准对此后我国城市地铁轨道交通建设起了重要作用。3 杂散电流检测装置的功能简介3.1主要用途该装置对直流牵引供电系统运行期间有关杂散电流的相关参数进行测量，并存储监测数据。当出现杂散电流相关参数超标等异常情况时，工作人员注意并采取相应处理措施，保障直流牵引供电系统的安全可靠运行。杂散电流智能测量仪可用于采集牵引钢轨、排水管、铁门等金属物体等对接地网的电位差（杂散电压）、牵引钢轨、排水管、铁门等金属物体等对接地网的电流（杂散电流）；以及架线对轨道的电压；架线的泄漏电流等。计算杂散电压、杂散电流、架线电压、泄漏电流的平均值；完成测量后，测量人员将测量到的数据上传至上位机，杂散电流分析防治专家系统完成数据的存储和分析。当出现杂散电流等相关参数超标等异常情况时，自动发出报警信息，提醒值班工作人员注意并根据专家经验给出相应的防治措施。杂散电流智能测量仪可以广泛用于矿山直流牵引供电运输系统以及城市轨道交通供电系统。3.2总体设计功能根据杂散电流的腐蚀特点和设计任务，在要求设计的便携式杂散电流监测仪中，我们用尽可能少的器件来精确的实现设计中所要求的任务。该监测仪主要完成钢轨、参比电极、结构钢的电压的采集与测量，即数据采集与处理部分；并具备存储一天检测数据的能力，即数据存储，还应有时间记录功能，即时钟电路；并可将采集的数据完整的显示出来，不仅可以显示数据与文字，而且还可以显示图形图像，即显示部分；当需要输入、输出时，还应有输入、输出接口电路，即键盘电路、USB接口电路；若测量装置出现问题，还应该具有报警功能，具备声光报警电路。在本设计中要体现的就是输入、处理、存储、报警、显示及输出接口功能；作为便携式装置，不需要通信接口，当数据处理存储完毕后，将数据拷入U盘，在把U盘里的数据在电脑上进行分析。杂散电流装置的具体各部分功能：1、输入功能：在输入部分，即数据采集，包括钢轨、参比电极、结构钢电压的检测和信号处理，以及各自的保护电路。2、处理功能：包括对采集的数据进行AD转换，CPU内部的计算，对数据的存储，对数据的显示，对键盘输入的处理，对时间的载入。3、存储功能：即数据的存储。4、接口功能：包括键盘接口、USB接口。5、显示功能：即显示电路。6、报警功能：要求声光报警；总的框图如图3-1所示：图3-1系统总框图各部分功能具体各部分设计：1、CPU：是该硬件的核心，负责处理一切的数据，2、A/D转换：将采集的模拟数据转换为CPU可接受可处理的数字数据。3、I/O扩展电路：扩展CPU的接口。4、显示电路：显示数据、字符、图像等。5、键盘电路：用于输入，修改等操作。6、外存储器：存储数据，并向U盘写入数据。7、USB口：接USB。8、电源电路：提供电源，并进行相应的转换。9、时钟电路：向单片机提供包括秒、分、时、日、月、年等在内的实时时间信息。10、报警电路：当CPU或程序出错时，及时发出声光报警。11、限压、分压保护电路：用于钢轨的输入电路。12、参比电极、结构钢保护电路：参比电极、结构钢输入电压在A/D转换的电压范围之内，所以只要加保护电路即可。13、量程：参比电极本体电位、结构钢极化电位在0-5V以内；钢轨对结构钢的电压在100V以内。3.3需要达到的参数标准 为了满足测量精度高，本装置采用了高性能低漂移芯片、双极性高分辨率A/D转换器变换电路。为适应电机车运行时被监测信号快速变化，采用高速转换器件，最小测量间隔可达到微秒级。硬件电路设置电源、输入信号、输出等多级抗干扰环节，并采用超大规模集成电路芯片，软硬件结合提高装置抗干扰能力。在存储方面，因为国内SD卡能存储4G多的信息，所以这样可以保证存储量的容量。为了能更好的实现在线下载程序，更便于系统升级，本装置采用了快速接线，并设有人机交互显示器。4 杂散电流检测装置设计功能介绍：本系统主要采用单片机为核心元件，对杂散电流进行采集，使用FLASH对数据进行保存，并通过USB接口与外界联系。具体功能分析如下:(l)能够自动采集各电阻上的电压值并可以进行长时间的连续采集。(2)能够实时显示所检测的各段杂散电流的大小及变化趋势。(3)有一定的数据处理能力。包括数据的计算、保存以及采集条件的控制等方面的能力4.1 C8051F320单片机系统概述.1、C8051F320简介C8051F320是由美国Cygnal公司推出的C8051F系列单片机中的一款小型单片机。它是集成的混合信号片上系统SOC（System on chip），除了具有与MCS-51内核及指令集完全兼容的微控制器、标准8051的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件。C8051F320片内自带有USB收发器和控制处理器是它区别于同一系列产品的一大特点。用C8051F320来进行USB技术开发既方便又快捷。结构示意图如4.1所示。图4.1 结构细图C8051F320功能部件及特点：（1）、USB功能控制模块：满足USB2.0协议；可在全速（12 Mbps）或低速（1.5Mbps）下运行；集成有一个时钟恢复源，对于全速或低速传输均可不用外部晶振；支持8个灵活通用的端点；内置一个1K的USB专用缓冲存储器；集成了一个USB接收器，不需要外部电阻。（2）、模拟外设：10位的ADC（1LSBI N L）：其最大可编程转换速率可达200kbps，可多达17个外部输入，可编程为单端输入或差分输入，内置一个温度传感器（3）；2个模拟比较器；2.4V的内部电压基准；精确的VDD监视器和欠压检测器。（3）、高速8051微控制器内核：采用流水线指令结构，其70%的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期；速度可达25 MIPS（时钟频率为25MHz时）。（4）、数字外设：25个字节宽的端点I/O；所有口线均耐5V电压；可同时使用UART串口、硬件SMBusTM、SPITM；带有4个可编程的16位计数器/定时器阵列；带有5个捕捉/比较模块的通用16位计数器/定时器。（5）、时钟源：内部晶振，精度为0.25；支持所有USB和UART模式；外部晶振器：晶体、RC、C或外部时钟；内置一个针对USB控制器的片上时钟乘法器。（6）、供电电压：片上的参考电源校准器支持USB总线电源操作；校准器的Bypass模式支持USB内部电源操作。（7）、存储器：1280字节的内部数据RAM（1K+256）；16K字节的可以在系统编程的Flash闪速存储器。（8）、片内调试模块：片内调试电路提供全速、非侵入式的在系统调试（不需仿真器）；支持端点、单步、观察点、堆栈监视器；可以观察/修改存储器和寄存器；比使用仿真芯片、目标仿真头和仿真插座的仿真系统有更好的性能。（9）、工作温度范围：070。（10）、性能特点：C8051F320在保持CISC结构及指令系统不变的情况下，对指令运行实行流水作业，推出了CIP-51的CPU模式，从而大大提高了指令运行速度，使8051兼容机系列进入了8位高速单片机行列。（11）、电气特性校准器的输入电压(REGIN引脚):4.0-5.25V;VDD(电压校准器的输出):3.0-3.6V(通常取3.3V);VREG偏流(电压校准器有效时):70uA;CPU和USB运行时的供给电流:18mA(CPU时钟为24MHz，USB时钟为48MHz时)，或9mA(CPU时钟为12MHz，USB时钟为6MHz时);内部晶振频率:12.0 MHz;USB时钟频率:48.OMHz(全速)，6.OMHz(低速);由于C8051F340内部集成了高精度时钟源、电压调节器、AD转换器以及用于AD转换的参考电压源等丰富的片上外设，因此对系统进行硬件设计时，无需再外扩上述电路，从而简化了系统硬件结构，提高了集成度和可靠性。可在工业温度范围（-45到+85）内用2.7V3.6V的电压工作。端口I/O参比电极和/RST引脚都容许5V的输入信号电压。C8051F320采用32脚LQFP封装，其工作极限参数表和总体直流电气特性表分别如下表所示。2、C8051F320微控制器核：C8051F320单片机系统使用Silicon Labs的专利CIP-51微控制器内核。CIP-51与MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用标准803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。CIP-51内核具有标准8052的所有外设部件，包括4个16位计数器/定时器、2304字节内部RAM及25/21个I/O引脚等。CIP-51采用流水线结构，与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。在一个标准的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24个系统时钟周期，最大系统时钟频率为12-24MHz。而对于CIP-51内核，70%的指令的执行时间为1或2个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。CIP-51工作在最大系统时钟频率25MHz时，它的峰值速度达到25MIPS。下图4.2给出了几种8位微控制器内核工作在最大系统时钟时峰值速度的比较关系。图4.2 几种控制器的时钟峰值速度的比较另外，C8051F320系列MCU在CIP-51内核和外设方面有几项关键性的改进。扩展的中断系统向CIP-51提供16个中断源（标准8051只有7个中断源），允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。C8051F320的内部振荡器在出厂时已经被校准为12MHz1.5%，该振荡器的周期可以由用户以大约0.25%的增量编程。时钟恢复电路允许内部振荡器与4倍时钟乘法器配合，提供全速方式USB时钟源。内部振荡器还被用作低速方式下的USB时钟源。由于C8051F320内部配备强大的功能模块大大简化了USB技术的开发。可同时对两路信号进行采样，使用内部集成的A/D转换器和定时器完成信号采样及数模转换，简化了电路的设计。利用USB全速传输，保证了较高的数据传输率，同时无需外加单独的USB电源。且A/D转换器、定时器、USB控制器等器件互相独立工作，需要较少的8051内核干涉。下面就构建检测系统使用到的C8051F320系统目标板上的器件进行介绍。表4.1参 数条 件最小值典型值最大值单位数字电源电压(注1)2.73.33.6V数字电源电流（CPU处于活动状态）VDD=3.3V,CLK=24MHzVDD=3.3V,CLK=1MHzVDD=3.3V,CLK=32MHz100.630mAmAuA数字电源电流（CPU和USB处于活动状态，全速或低速）VDD=3.3V,CLK=24MHzVDD=3.3V,CLK=6MHzTBDTBDmA mA数字电源电流（CPU不活动，即不访问FLASH）VDD=3.3V,CLK=24MHzVDD=3.3V,CLK=1MHzVDD=3.3V,CLK=32MHz50.314mAmAuA数字电源电流（停机方式）0.1uARAM数据保持电源电压15VSYSCLK(系统时钟，注2)025MHzTSYSH(SYSCLK的高电平时间)18nsTSYSL（SYSCLK的低电平时间）18ns额定工作温度范围-40+85注1：USB需要最小3.0V的电源电压；注2：未能使用调试功能，SYSCLK最少为32KHz。表4.2参 数条 件最小值最大值单位环境温度（通电情况下）-55125储存温度-65150任何端口I/O引脚或/RST相对GND的电压-0.35.8VVDD引脚相对DGND的电压-0.34.2V通过VDD和GND的最大总电流500mA/RST或任何端口引脚的最大输出灌电流100mAC8051F320的引脚功能：引脚功能引脚功能P0.1(1)数字信号I/OP1.0(26)数字信号I/O，模拟信号IP0.2(32)数字信号I/O；模拟信号I；外部晶振输入P1.1(25)数字信号I/O，模拟信号IP0.3(31)数字信号I/O,外部晶振输出P1.2(24)数字信号I/O，模拟信号IP0.4(30)数字信号I/OP1.3(23)数字信号I/O，模拟信号IP0.5(29)数字信号I/OP1.4(22)数字信号I/O，模拟信号IP0.6(28)端口0.6，ADC0外部转换输入引脚P1.5(21)数字信号I/O，模拟信号IP0.7(27)数字信号I/O，外部参考电源的输入输出端口。P1.6(20)数字信号I/O，模拟信号IP0.0(2)数字I/OP1.7(19)数字信号I/O，模拟信号IP2.0(18)数字信号I/O，模拟信号IP3.0/C2D(10)端口3.0，EC2调试接口的双向信号引脚P2.1(17)数字信号I/O，模拟信号IRST/C2CK(9)设备的复位引脚，EC2调试接口的时钟信号P2.2(16)数字信号I/O，模拟信号IVBUS(8)USB总线输入脚P2.3(15)数字信号I/O，模拟信号IREGIN(7)5V校准仪的输入端P2.4(14)数字信号I/O，模拟信号IVDD(6)数字电源P2.5(13)数字信号I/O，模拟信号ID-(5)USB的D-P2.6(12)数字信号I/O，模拟信号ID+(4)USB的D+P2.7(11)数字信号I/O，模拟信号IGND(3)地4.2 信号调理电路4.2.1 结构钢调理电路由于流过结构钢的杂散电流不是太大，电压约在0.3-0.6V之间，在CPU的AD转换范围之内，测量主体结构钢筋的自然电位时要在不受地铁杂散电流影响时测量，在地铁停运半小时以后进行，仪表正极接主体结构钢筋，负极接测量参比电极。以本次测量的电位为基准零电位，在地铁运行时,按上述相同的测量条件和相同仪表测量具有随机变量特性的地铁结构的极化电压值。 图4.3 结构钢4.2.2参比电极对结构钢的测量的调理电路由于参比电极的电压不是太大，在2V以内，与结构钢的电压相似。在CPU的AD转换范围之内，所以用运算放大器做调理电路时不必要放大，重点在过压的保护及电平抬升上，用一加法电路抬升电压，所用为两个MAX4182放大器，该放大器输入为05V，加法电路的基准电压为1.25V。在加上输入的1V的电压，这样输入电压就在3.3V以内，即在AD转换的范围内。下图中，电阻R5用来限流同时起保护作用。稳压二极管组成过压保护电路，将输入的电压钳制在3.3V之内。同时加以小电容C5以滤去不必要的杂波。然后经过一加法电路，抬升电平。下图中的电路是直接测量参比电极和结构钢之间的电压，经过CPU的运算算出两点间的电压，存储到CPU的临时存储器中。经由CPU计算出参比电极的对结构钢的电压。每30分钟由软件求得一次平均值。 图4.4参比电极与结构钢电压的测量4.2.3 钢轨对结构钢的测量调理电路因为轨道电压一般在三十伏左右，所以需要进行分压处理后进行采样,在送入AD转换13。按照规定钢轨与结构钢之间的电压不能超过92V。在本设计中计算保护电路时按100V计算，接线时正端与走行轨扼流变压器中性点相连接。其负极与主体结构钢筋或接地极相连。在钢轨信号进入调理电路之前加以80V的稳压二极管，将输入的电压限制在80V之内，做为安全限制电压，再进入调理电路，由于CPU可接受的输入电流为18mA。所以按18 mA来计算电阻值。计算如下：R = 6 K为精确控制输入的信号，将这6 K的电阻分开设置，设置一电阻R6为5K，作为大的限流电阻，剩下的1 K分为两部分，一部分为R7为0.6 K,另一部分设为可调电阻器R8为0.4 K，作为精确调制信号的部分。同样用一加法电路抬升电压，所用为两个MAX4182放大器，该放大器输入为05V，加法电路的基准电压为1.25V。在加上输入进来的1V的电压，这样输入电压就在3.3V以内，即在AD转换的范围内。为了绘制走行轨电压分布图,应在线路的不同监测点上同时进行测量，相邻测点间的距离可取为0.51km。下图中的电路是直接测量钢轨与结构钢之间的电压。经过CPU的运算算出钢轨与结构钢之间的电压，存储到CPU的临时存储器中。每半小时由软件求得的多次电压的平均值。图4.5 钢轨与结构钢电压测量电路4.3 A/D转换器：C8051F320内部有一个10位逐次逼近寄存器型ADC和一个17通道差分输入多路选择器。其原理框架图见下图4.6。ADC工作在200ksps的最大采样速率时可提供真正10位的线性度，INL为1LSB。ADC0的最高转换速率为200ksps，即20KB/s。转换时钟由系统时钟分频得到，分频系数由ADC0CF寄存器的AD0SC位决定，转换时钟（SAR时钟）频率计算公式为： 0AD0SC31式中：为SAR时钟频率，为系统时钟频率，AD0SC为ADC0CF寄存器的AD0SC位十进制数值。ADC系统包含一个可编程的模拟多路选择器，用于选择ADC的正输入和负输入。端口13可作为ADC的输入。本设计中采集到的电压模拟信号分别进入C8051F320的P2.5、P2.6、P2.7端口， ADC工作在差分方式下，对电压信号进行采样。图4.6 AD内部图ADC0工作在低功耗跟踪保持方式。在该方式，每次转换前有3个SAR时钟的跟踪时间，跟踪发生在转换启动信号有效之后，如图所示。由于本系统模拟多路选择器的设置在P2.5、P2.6、P2.7之间等时交替变换，而ADC有建立时间要求，所以有必要采用低功耗跟踪保持的工作方式，三个SAR时钟的延迟可以满足ADC最小建立时间的要求。系统从空闲模式被唤醒时，系统启动内部振荡器与ADC，转换系统时钟基准为内部振荡器8分频模式，并开始ADC转换，转换完成后，读ADC数据，而后停止ADC及内部振荡器并令CPU回到空闲模式，为了捕捉ADC采样数据，系统在峰值工作电流2.2mA上持续了400s。A/D转换可以有6种启动方式：软件命令、定时器0溢出、定时器1溢出、定时器2溢出、定时器3溢出或外部转换启动信号。这种灵活性允许用软件事件、周期性信号（定时器溢出）或外部硬件信号触发转换。一个状态位用于指示转换完成，或产生中断（如果被允许）。转换结束后10位结果数据字被锁存到ADC数据寄存器中。本设计中A/D转换触发通过定时器2溢出进行触发。当定时器2高字节溢出时，硬件自动启动A/D转换，自动并把计数初值装入定时器2寄存器里。并在A/D转换完成时，置位A/D转换结束中断位，产生A/D转换中断。通过定时器2的计时，定时器2计时时间即完成一次采样时间。图4.7 AD时钟图4.4 USB总线控制器：C8051F320单片机系统集成了全速/低速USB功能控制器，用于实现USB接口的外部设备（C8051F320不能被用作USB主设备）。USB功能控制器（USB0）由串行接口引