动车组辅助电源装置在线检测与故障诊断系统的设计

动车组辅助电源装置在线检测与故障诊断

系统的设计

摘要

论文首先阐明了故障诊断的目的、意义及其发展状况，接着综述了目前系统故

障诊断的理论研究情况，指出了当前我国铁路机车车辆诊断技术的发展情况，特

别指出了我国在这方面存在的一些主要问题。

论文结合CRH2动车组辅助供电系统中的辅助电源装置（APU）构成及其功能作

以简要介绍，分析动车组辅助电源装置中各模块的常见故障，通过对常见故障的

分析，确定了对动车组辅助电源电路进行故障诊断所需要的检测量，设计了实现

该系统的总体方案。

论文设计了A/D转换器与单片机的接口电路，实现了模拟量到数字量的转换；

完成了模拟量和开关量的采集电路（交流信号采集子模块、温度检测子模块等）的

硬件电路，实现了所需检测量的实时检测。

论文还对检测数据的存储和传输进行了研究,设计了采用CF卡的数据存储电路

和基于CAN总线的数据传输电路。

论文介最后绍了故障树分析法的相关理论知识，基于故障树分析法对辅助电

源装置的主要故障进行了初步分析研究。

关键词：动车组辅助电源在线检测故障诊断故隙树

Abstract

Basedontheanalysisofcommonfaults,thepapermeasureinentsdevice

includingtheexchangeofsignalacquisitionmodule,temperaturedetectionmodule

andsoonPapersalsoresearchsstorageandtransmissionofthedetectiondataand

designestheCFcardcircuitanddatadatastoragetransmissioncircuitsbaseonCAN

bus.Thispaperintroducestheoreticalknowledgeoffaulttree,basedonthefaulttree

analysisofauxiliarypowersupplydeviceforthemainfaultoftheinitialanalysis.

Keywords:EMUsAuxiliaryPowerFaultDiagnosis

FaultTree(FT)

目录

第1章绪论............................................................1

1.1故障诊断的意义及其发展概况...........................................1

1.2目前主要系统故障诊断方法.............................................2

1.3本文研究的主要内容...................................................5

第2章动车组辅助电源装置的构成与故障分析................................5

2.1辅助电源装置的沟成和功能.............................................5

2.1.1辅助电源装置的构成...............................................6

2.1.2辅助电源装置的功能...............................................7

2.2辅助电源装置的故障分析...............................................8

第3章辅助电源装置的在线检测单元设计...................................12

3.1信号检测系统总体方案..............................................13

3.2模拟量检测模块......................................................14

3.2.1A/D转换器与单片机的接口电路....................................15

3.2.2交流信号采集模块................................................16

3.2.3温度检测模块.....................................................18

3.3开关量检测模块......................................................23

第4章数据存储与传输单元设计...........................................25

4.1数据采集存储单元....................................................25

4.1.1CF卡基本工作原理...............................

4.1.2CF卡与单片机的接口电路.........................................27

4.1.3数的存储模式28

4.1.4数据存贮模块软件的设计.........................................29

4.2CAN总线模块........................................................30

4.2.1CAN总线接口电路................................................31

4.2.2CAN控制器的软件设计............................................32

第5章辅助电源故障诊断.................................................35

5.1故障诊断的故障礴分析法..............................................35

5.1.1故障树的建造...................................................35

5.1.2故障树的数学描述................................................37

5.1.3故障树定性分析的故障诊断........................................38

5.2动车组辅助电源装置故障诊断..........................................40

结论...................................................................43

致谢...................................................................44

参考文献..............................................................45

第1章绪论

1.1故障诊断的意义及其发展概况

随着现代科学技术的迅速发展，机械设备日益朝着大型化、复

杂化、高速化、重载化、连续化、综合化、高级化等高度自动化的方向

发展，造成机械设备日益复杂，零件数目显著增加，零部件之间的联系

更加紧密，一旦某一部分发生故障，往往会引起整台设备的瘫痪，造成

巨大的经济损失和人员伤亡事故的发生。现代化机械设备正常状态所花

的维修费用和停机损失，在成本中所占的比例越来越大，设备故障或事

故引起的损失不断增加，设备维修业务的重要性日益成为一个突出的问

题。人们对机械设备的可靠性、可用性、可维修性、经济性与安全性提

出了越来越高的要求。再则现代工业生产中的设备系统比以往更注重其

效率和能耗，且环保的要求越来越高。因此，怎样在设备运行中或基本

不拆卸的情况下，借助或依靠先进的传感器技术和动态测试技术及计算

机信号处理技术，掌握设备运行状态，分析设备中异常的部位和原因,

并预测未来的发展趋势，是各国学者急需解决的问题。

国内外许多资料表明，开展故障诊断的经济效益是明显的，据日本统计，在采

用诊断技术后，事故率减少75%,维修费降低50船英国对2000个国营工厂的调查

表明，采用诊断技术后每年节省维修费3亿英镑，用于诊断技术的费用仅为0.5亿

英镑，净获利2.5亿英镑。据有关部门统计，我国每年用于设备维修的费用仅铁道

部就达250亿元，如果将故障诊断这项技术推广，每年可减少事故50%〜70乐节约

维修费用10%〜30%,效益相当可观。

铁路是我国重要的基础设施，列车是铁路运输的载体，列车的运行良好是确

保铁路安全运行的关键。在我国，每年因列车故障造成的经济损失是很大的，为保

持各设备正常运行所花的维护费用在铁路运输经费中占了很大的比重，为使设备

维修工作更加高效而科学，就必须对列车各部件的劣化、故障状态、故障部位及其

原因有正确的了解。而这些，必须依赖列车故障诊断技术。

我国铁路系统目前在机车、车辆的状态监测及其故障诊断方面己经取得了一定的成

绩，诸如机车车辆重要零件的电磁及超声波探伤、机车车辆红外线轴温探测系统、

旅客列车轴温报警、货车滚动轴承不分解自动诊断试验台、机车柴油机的油量分析

等。近年来开展的列车安全综合检测系统和高速旅客列车安全综合监测系统研究均

取得了可喜的成绩。随着铁路向高速、重载方向发展，机车、车辆运行安全性、可

靠性要求将更高，对各种机车车辆可能发生的故障进行智能诊断和预报显得尤为

重要。

我国机车车辆制造维修的低水平，特别是可靠性低，严重影响着当前的铁路提速

和“货车重载、客运高速”战略的实施。虽然我国高速动车组“引进、消化、吸收、

再创新”工作正在积极的实施中，但是这将是一个相当长的过程。无论管理部门还

是技术部门，都对机车车辆故障诊断的迫切性有所提高。特别是我国“4・18”铁路

大提速后，我国铁路向重载、高速发展方向的脚步又迈出了实质性的一步。动车组

在我国开始大量运行，对动车组故障诊断技术的研究更加迫不及待。

1.2目前主要系统故障诊断方法

按照德国的P.M.Frank教授的观点，现有的各种故障诊断方法可分为基于动态数学

模型的方法、基于信号处理的方法和基于知识的方法。

1.基于动态数学模型的方法

该类方法发展最早也最为深入，它需要建立被诊断对象的精确数学模型，

优点是充分利用了系统内部的深层知识，利于系统的故障诊断，该类方法可分为

参数估计方法、状态估计方法和等价空间方法。其中基于观测器的状态估计法和等

价空间法是等价的，参数估计法得到的残差包含在观测器方法得到的残差中，二

者在本质上是互补的。

⑴参数估计法。当故障由参数的显著变化来描述时，可以利用己有的参数估计方

法来检测故障信息，根据参数的估计值与正常值之间的偏差情况来判断系统的故

障情况。基本思想是把理论建模和参数辨识结合起来。参数估计法不需计算残差序

列，对模型依赖程度不强，能实时跟踪参数变化，且适于多种故障诊断，它是一

种闭环结构的故障诊断系统，在设计时必须考虑其稳定性和收敛性，其缺点是对

非线性和时变系统的诊断较困难。

⑵状态估计诊断法。被控过程的状态直接反映系统运行，通过估计系统状态，并

结合适当模型则可讲行故障诊断。首先重构被控过程状态，并构造残差序列，残差

序列中包含各种故障信息，通过构造适当的模型并采用统计检验法，才能把故障

从中检测出来，并作进一步分离、估计及决策。相对而言，自适应观测器和未知输

入观测器法适于在线实时诊断，其鲁棒性、准确性和算法收敛性较好，但对象模型

要求较精确。

2.基于信号处理的方法

基于信号处理的方法也是理论研究的热点之一“它回避了建模的难点，一

般对线性和非线性系统都是适用的。

(1)主元分析方法。主元分析(PCA)是一种有效的数据压缩和信息提取方法,

该方法可以实现在线实时诊断，一般适合于大型的、缓变的稳态工业过程的监控。

用于故诊断的基本思想是：对过程的历史数据采用主元分析方法建立正常情况下

的主元模型，一旦实测信号与主元模型发生冲突，就可判断有故障发生，通过数

据分析可分离出故障。它对数据中含有大量相关冗余信息时故障的检测与分离非常

有效，且还可作为信号的预处理方法用于故障特征量的提取。传统的PCA法是一种

线性变换方法，主要适用于二维数据矩阵，随着过程的复杂化和动态变量维数的

增加，其系数选取的难度也加大，这时可结合小波分析u51.神经元网络等方法弥

补其不足，因此PCA法仍是一个快速发展的诊断方法。

(2)小波变换方法。小波变换是一种时频分析方法，具有多分辨分析的特性，

非常适合非平稳信号的奇异性分析。故障诊断时，对信号进行小波变换，在变换后

的信号中去除由于输入变化引起的奇异点，剩工的奇异点即为系统发生的故障点。

基于小波变换的方法可区分信号的突变和噪声，故障检测灵敏准确，克报噪声能

力强，在线故障检测实时性好，但在大尺度下会产生时间延迟，且不同小波基的

选取对诊断结果影响较大。该方法随着小波理论研究的深入而发展较快，目前多集

中于应用性研究。近年来，将小波分析与模糊理论、神经网络结合，提出了模糊小

波和小波网络等技术并用于非线性系统故障诊断中。

(3)利用6算子的方法。基于3算子构造Hilbert空间中的最小二乘正交投影向量

集，导出完整的格形滤波器作为故障检测流波器，用a算子描述的后向预测误差向

量的首位元素作为残差，并采用自适应噪声抵消技术使残差仅对故障敏感。该方法

可在线实时检测，具有灵敏度高、计算量小、抗噪能力强等优点。但其无限宽数据

窗使故障信息难以消除。利用有限宽滑动数据窗代替无限宽数据窗，并采用归一化

滑动窗口协方差格形滤波器算法，有效地消除了上述缺陷，由此构造的故障检测

器适用于突变及缓变故障信号的检测。

⑷利用Kullback信息准则检测故障Czal。Kullback信息准则能够度量系统的变

化，在不存在末建模动态时将其与阀值比较可有效地检测故障。当系统存在未建模

动态时，可首先用基于Goodwin的随机嵌入方法把未建模动态特性当作软界估计•,

利用遗传算法和梯度方法辨识参数和软界，然后在准则中引入一个新指标评价未

建模动态特性，合理设计阈值可实现故障诊断。该方法尚不能在线检测。

3.基于知识的方法

基于知识的方法无需系统的定量数学模型，充分利用了专家诊断知识和

诊断对象的信息，特别适合于非线性系统和复杂的大型系统。该方法的内容最为丰

富，也最有生命力。

(1)基于专家系统的故障诊断方法。专家系统主要指的是一个智能的计算机程

序系统,其内部含有大量的某个领域专家水平的知识和经验，能够利用人类专家的

知识和解决问题的经验方法来处理该领域的高水平难题。专家系统是人工智能领域

中最活跃的一个分支，它己广泛地应用于过程监控系统。它不依赖于系统的数学模

型，而是以人们长期的实践经验和大量的故障信息知识，设计出一套智能计算机

程序，以此来解决复杂系统的故障诊断问题。专家系统诊断利用了专家积累的丰富

实践经验，能模仿专家分析问题和解决问题的思路，而且能够解释自己的推理过

程，解释结论是如何获得的，无论是在理论上还是在工程上应用都很广泛。

(2)基于神经网络的故障诊断方法。人工神经元网络由于具有大规模并行处理、

自适应学习能力和分布式信息存储的特点受到了控制界的高度重视。由于它具有处

理复杂多模式及进行联想、推测和记忆功能，它非常适合于故障诊断系统。它具有

自组织学习能力，能克服传统专家系统当启发式规则未考虑时无法工作的缺陷。

(3)基于模糊推理的诊断方法。由于故障征兆是界限不分明的模糊集合，用传统

的二值逻辑方法明显不合适，可选用确定隶属函数，用相应的隶属度来描述这些

症状存在的倾向性。模糊诊断方法就是通过某些症状的隶属度来求出各种故障原因

的隶属度，以表征各故障存在的倾向性。在故障诊断中，模糊诊断矩阵的构造需要

以大量现场实际运行数据为基础，其精度的高低直接取决于所依据的观测数据的

准确性及丰富程度。

(4)图论的模型推理诊断方法。其实质是根据一个实际系统中各个元件之间所存

在的非常普遍的故障传播关系，构成故障诊断网络，利用搜索和测试技术进行故

障定位。这种方法已在大型工业生产过程和空间飞行器等领域中得到了应用。

(5)故障树诊断法。首先是分析出系统的故障事件，再将导致该事件发生的直接

原因，包括硬件故障，环境因素，人为因素等，用适当的符号表示之，用适当的

逻辑门把他们与故障事件联系起来。其次，逐级展开故障事件发生的原因，直至把

最基本的原因分析出来为止，构成一棵故障树。当系统发生故障后，通过对故障树

的分析寻找故障源。

1.3本文研究的主要内容

第2章动车组辅助电源装置的构成与故障分析

2.1辅助电源装置的构成和功能

辅助电源由辅助电源装置(APU)和辅助整流器(ARF)两个装置组成。其输出电压

种类如表2-1所示。动车组的辅助供电系统采用干线供电方式，电源系统贯穿全列

车。辅助电路电源从搭载在M2-2.M2-6车的牵引变压器MTr的3次绕组得到。

表2-1辅助电源系统输出电压种类

直流内藏ATr(不稳定)

种类交流3相交流单相

(辅助整流器箱)输出

额定电压AC400VAC100VAC220VDC1OOV?\C130V

额定电力123kVA12kVA12kVA58kW22RVA

电压精度+10V--10%同左同左+10%---10%+26%〜-41%

频率50Hz±1%同左同左—50Hz

畸变系数£$以下———

100%持续180%、100%持续120%、

担当负荷———

才掇10s持续20s

M2-2.M2-6车的牵引变压器的3次绕组电源AC400v/50Hz分别通过电磁接触器

ACK1被连接到贯穿线704.754线系统。设置在T2-4车的延长供电用的电磁接触器

ACK2平时开启，以防止来自M2-2.M2-6车、2系统的电源的混接触。一旦某一个系

统出现故障，另一个系统可以通过电磁接触器(ACK2(,实现延长供电。

在两辆先头车辆Tlc-1、T2c-8上各设置辅助电源装置(APU)l台，在8节车辆的编组上

设置2台，从上述贯穿线704、754线系统获得电源。

辅助供电系统向牵引变流器通风机、牵引电机通风机、牵引变压器通风机、牵引变

压器电动油泵、空气压缩机等车上设备提供三相交流电源，给辅助电路、监视装置、

制动装置、关门装置、牵引变流器控制等电力设备提供直流输出，给空调控制、显

示器、水泵装置、辅助制动等电力装置提供单相交流输出。

2.1.1辅助电源装置的构成

辅助电源系统由主要由牵引变压器(MTr)的3次绕组、辅助电源装置(APU)和

辅助整流器(ARf)构成。辅助电源装置(APU)输出CVCF的二相交流电源，同时向辅

助整流器(ARf)提供输入电源。辅助电源系统的构成如图2T所示：

AC25kV

图2-1辅助电源功能方框图

本文主要是针对其中的APU盒即辅助电源装置。

2.1.2辅助电源装置的功能

(1)辅助变压器：辅助变压器将架线电压25KV变换成装置的输入电压AC400V,同时

也担负辅助电源装置对架线的绝缘作用；

(2)输入滤波回路：输入滤波回路是降低从架线流入到脉冲整流器/逆变器上的高频

电流；

(3)IGBT脉冲整流器：脉冲整流器将牵引变压器的单相交流输出电压变换成直流的

恒定电压，控制方式采用使用了大容量IGBT的脉宽调制方式(PWM)；

（4）DC环形回路：滤波电容器将稳定的直流电压供给后段的逆变器,APU停止时，滤

波电容的放电由DCHK进行；

（5）IGBT逆变器：逆变器将直流电压变换成恒频恒压的3相变流电压；

AC滤波回路：AC滤波回路降低逆变器输出电压中的由于切换所产生的高频电压，

让其输出畸变很小的正弦波；

输出接触器：输出接触器3phMK担负切断和辅助电源装置间的负荷的作用。

2.2辅助电源装置的故障分析

1.牵引变压器常见故障：

（1）局部放电招致故障；

（2）绝缘油受潮，导致变压器放电击穿；

（3）长期过载，变压器高温运行；

（4）外部短路或大感性负载的开闸引起感应过压、击穿变压器内部；

（5）变压器内部螺栓连接松动，引起局部过热、损坏绝缘并使绝缘油汽化、碳化，

减低绝缘油绝缘能力，导致内部击穿；

（6）冷却系统故障。

2.辅助变流器常见故障：

动车组辅助电源装置中的辅助变流器故障按其发生的部位可以分为以下几种：

（1）输入端故障，包括输入滤波回路故障以及控制电源故障（短路、断路等）；

（2）内部故障，指变流器本身的故障，它又分为直流环节故障（整流器和口间直流环

节的故障）、逆变器故障和控制系统故障，具体包括元器件（如IGBT、支撑电容等）故

障以及控制故障；

（3）输出端故障，即AC滤波器故障；

（4）冷却系统故障（温度过高等）。

No.故障

检测方法

项目

1变频器输入电流，若在额定的250%以上的话，瞬

变流器输入过电流

间检测。

2变流器用IGBT由变频器用栅极驱动电路板进行栅极信号不相一

异常致的检测。

3IVK1闭合指令发送后，等待1秒后

输入接触器不接通1

IVK1辅助接点不动作的情况下进行检测。

4IVK闭合指令发送后，等待1秒后

输入接触器不接通2

IVK2辅助接点不动作的情况下进行检测。

5IVK1闭合指令停止后，等待1秒后

输入接触器不断开1

IVK1在辅助接点不断开的时候进行检测。

6IVK2闭合指令停止后，等待1秒后

输入接触器不断开2

IVK2在辅助接点不断兀的时候进行检测。

7温度通过冷却器上设置的温度继电器进行保护检测。

异常84±2℃

8逆变器用IGBT通过逆变器用栅极驱动电路板进行

异常栅极信号不一致的检测。

9AC输出过电压AC输出电压在额定的130%以上时瞬间检测。

10AC输出低电压AC输出电压在额定的80%以下持续1秒钟时检测。

11AC输出电流在额定的150%以上，并且，输出电压

AC输出短路在额定的65%以下的状态持续2秒时检测。

12控制电源的输出电压，在额定的90%以下时检测。

控制电源异常

13逆变器的输入电压（=变频器的输出电压），达

逆变器输入过电压到

1000V以上的时候瞬间检测。

14逆变器的输出电流在达到额定的250%以上时，瞬

逆变器输出过电流间检测。

15•把变频器闭合指令发送之后，等待1秒后，变

频器的输出电压在没有达到700V上时检测。

•IVK2闭合信号发送之后，变频器的输出电压

在

输入

300V以下持续5秒的情况下检测。

异常

•程序测试时，变频器的输出电压在达到50V

以上的情况下检测。

・程序测试时，变频器的输出电压在达到50V

以上的情况下检测。

16AC输出电流在额定的110%以上，持续超过10秒

AC输出过电流的情况下检测。

17AC输出电压在额定的105%以上时，而且，在95%

AC输出电压

以下，但是持续60秒的情况下检测。

异常

18接地接地电流在1.5A以上持续1秒的情况卜.检测。

测出

193phMK闭合指令发送后，等待1秒后

输出接触器不接通

3phMK辅助接点不动作的情况下进行检测。

203phMK闭合指令停止后，等待1秒后

输出接触器不断开

3phMK在辅助接点天断开的时候进行检测。

21放电接触器不闭合DCHK闭合指令发送后，等待1秒后

(DCHKD)DCIIK辅助接点不动作的情况下进行检测。

22放电接触器不断开DCHK闭合指令停止后、等待1秒后

(DCHKDA)DCHK在辅助接点不断开的时候进行检测。

(1)牵引变压器故障检测量：牵引变压器输入电压、电流;

(2)输入滤波回路故障检测量：输入滤波回路电压、电流；

(3)整流器故障检测量：整流器输入电流电压、整流器输出电流、电压;

(4)逆变器故障测量：逆变器输入电流电压、逆变器输出电流、电压;

(5)中间DC回路故障检测量：DC回路输入输出电压、电流；

(6)AC滤波器故障检测量：AC滤波器输入输出电压、电流;

第3章辅助电源装置的在线检测单元设计

前面对动车组辅助电源系统的构成及其功能和各类主要故障进行了初步的分析，

但其具体的实现需要依托信号检测系统、故障诊断系统等部分。在线检测与故障诊

断系统主要由信号检测系统、数据采集保存系统和数据分析处理系统。数据采集是

整个系统的基础，其基本任务是将辅助电源装置运行过程中的一些重要的参数采

集下来，数据采集的精确程度、采集模块运行的稳定性等将决定着整个系统成功与

否。根据信号的不同类别，将采集模块分为模拟量采集模块、开关量采集模块和数

字量采集模块。其形式如图3-1所示：

图3T在线检测与故障诊断系统

3.1信号检测系统总体方案

实时在线检测与诊断系统，是一门正在形成和高速发展的边缘学科，其诊断功能

的发展速度和诊断方法的更新速度均高得惊人。因此在进行设计时，无论在硬件配

置和软件设计方面，都应充分考虑系统的适应性、灵活性、可扩展性，以便根据需

要不断扩充或更新系统。为此，在系统的硬件和软件设计时应考虑：

(1)选用的微机结构，必须具备必要的、进一步开发的功能；

(2)软件结构设计上采用模块化的设计方法，模块间的联系应尽可能地少，模块

可根据需要进行删除和增加；

(3)系统可以对影响动车安全运行的其它信息进行实时采集传输。

(4)本系统要具有优良的可扩展性，便于动车组实现状态检修所需的不断扩

大的系统部件的信息量能够在后续的系统维护口方便扩容；

(5)系统的软件要对动车组上不同部件的资料信息具有选择性，即系统要对

采集到的各种信息进行判断，如果是在正常范围内的信号就不必把采集的所有数

据连续不断地保存，而只定时保存一次即可，只有当数据的变化比较大或是机车

上有部件发生故障时才会把采集到的大部分数据源源不断地采集保存。

根据前面对辅助系统故障类型的分析，信号检测应包括：

(1)模拟量检测模块：该模块所采集的信号主要包括交流电压信号：如整流

器的输入输出电压等；直流电压信号，如中间环节的电压；温度，如通风机的出口

的温度等。

（2）开关量检测模块：该模块主要采集的信号是辅助电源装置里的一些接触

器的动作状况。

根据系统的功能要求，所有采集的数据必须存储下来，然后经过数据处理系统分

析并储存。系统的总体结构框架如图3-2所示：

叶接

光电隔离CPUCA

口

A/D转换电路V

P87CN

591总

线

数字量和开

关量

光电隔离

图3-2系统的总体结构框架图

从该图可以看出，交流信号需要通过真有效值变换电路调理为合适的直流信

号供A/D转换器采样使用；数字量和开关量信号可以通过光电隔离后直接送到单片

机的I/O口进行采集，考虑到所采集的数字量和开关量比较多，而单片机的I/O口

资源又是有限的，因此，往往需要采用扩展1/0口方法来解决这个问题。所有采集

模块采集到的数据都通过CAN总线发送给单片机系统进行数据的存储与分析，单片

机选用PHILIPS半导体公司的P87C591,P87C591是一个单片8位高性能微控制

器，具有片内CAN控制器，从80C51微控制器家族派生而来。它采用了强大的80C51

指令集并成功地包含了PHILIPS半导体SJA1000CAN控制器强大的PeliCAN功能。

全静态内核提供了扩展的节电方式。振荡器可停止和恢复而不会丢失数据。改进的

1：1内部时钟预分频器在12MHz外部时钟速率时实现500ns指令周期。微控制器以

先进的CMOS工艺制造，并设计用于汽车和通用的工业应用。除了80C51的标准特

忤之外，器件还为这叱应用提供许多专用的硬件功能。87C591组合了P87c554（微

控制器）和SJA1000（独立的CAN控制器）的功能，并在此基础上扩展了以下功能：①

增强的CAN接收中断，有接收缓冲区级的接收中断；用于接收中断的高优先级验收

滤波器。②扩展的验收滤波器，8个滤波器用于标准帧格式，4个滤波器用于扩展

帧格式；验收滤波器的“运行中改变"特性。

3.2模拟量检测模块

3.2.1A/D转换器与单片机的接口电路

因单片机只能对数字信号进行采集和处理，要对模拟信号进行采集处理就必

须先将模拟信号转变为数字信号，这就需要用到A/D转换器件。A/D转换器件也是

模拟量采集电路的核心器件之一，器件选择的好坏将直接影响到信号采集的精度、

速度等。A/D转换器种类很多，比较了各种A/D转换器的优点、选用标准以及结合

本系统的实际应用，综合考虑了A/D转换的速度、精度后采用了ADS774型号逐次

逼近式A/D转换器。

ADS774是美国Burr-Brown公司生产的12位逐次逼近并行A/D转换器，有4种

模拟输入范围：0〜10V、0〜20V、-5V〜+5V、T0V〜+10V，有12位或8位可选输

出，单一+5V供电。典型转换时间为8.5usoADS774对电源的要求比较高，电源线

上的噪声会降低器件的性能，因此，必须在ADS774的+5V电源输入端加一个10uF

电容对电源进行滤波，而且在设计电路板时这个电容应尽量靠近ADS774O采取这些

措施可以提高A/D转换的精度。ADS774采用低功耗CO.MS工艺和新的电容阵列技术,

包含有内部时钟、微处理器接口、二态输出缓冲器以及若干组内部可调阻抗，功耗

最大为120n此转换时间为18.5us。由于其还具有内部采样/保持功能，故便于用

户消除大多现存设计中存在的外部采样/保持放大器。ADS774有5个输入控制信号,

可以与大多数微处理器和其他数字系统直接相连接。可用到的封装类型包括28脚

DIP封装及28脚的SOIC封装形式。

ADS774可以在2种模式下工作:一种是完全控制模式，即每一次转换过程都由微处

理器完全控制；另一种是独立运行模式，即仅仅通过R/-C的输入来控制转换。

ADS774的状态输出信号STATUS供了转换器当前的状态。当状态信号为高电平时，器

件处在转换中，此时三态输出缓冲器处于高阻状态，无法从输出端读出正确数据，

在此期间，输出线上的信号转变将被忽略掉，以免影响转换器的iF常工作。

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P0.4.AIMEmT3.3玉

PO5.AD5SfT，

PO.6AD6TXTvPJ.it

P0.7/AD7RNliP.，0

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P1.6CMPMXX3P；1AQ

P1,ACEX4

NCN€

NCNC

图3-3多路模数转换电路原理图

3.2.2交流信号采集模块

要实现辅助电源装置状态检测与故障诊断的基本功能，根据检测需要，对于

辅助电源装置的状态检测测点布置遵循如下的基本原则：

(1)满足辅助电源装置状态评价所需的监测基本参数要求；

(2)考虑辅助电源装置的故障诊断的信息要求；

(3)满足安装条件及限制的要求；

动车组辅助电源装置属于新一代功率半导体器件组成。霍尔电流、电压传感

器/变送器由于具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失被测

电路能量等诸多优点，因而被广泛应用于电力日子产品中。广泛应用于变频调速装

置、逆变装置、UPS电源、逆变焊机、变电站、电解电镀、数控机床、微机监测系

统、电网监控系统和需要隔离检测大电流、电压的各个领域中。在电力电子产品中，

对大电流、电压进行精确的检测和控制也是产品安全可靠运行的根木保证。

霍尔电流、电压传感器/变送器模块具有优越的电性能，是一种先进的、能隔

离主电路回路和电子控制电路的电检测元件。佗综合了互感器和分流器的所有优点,

同时乂克服了互感器和分流器的不足（互感器只适用于501IZ工频测量；分流器无法

进行隔离测量）。利用同一只霍尔电流电压传感器/变送器模块检测元件既可以检测

交流也可以检测直流，甚至可以检测瞬态峰值，因而是替代互感器和分流器的新

一代产品。

霍尔电流、电压传感器/变送器具有如下特点：1）可测量任意波形的电压和电

流.霍尔电压、电流传感器/变送器模块可以测量任意波形的电流和电压参量，如

直流、交流和脉冲波形等。也可以对瞬态峰值参数进行测量，其副边电路可以忠实

地反映原边电流的波形；2）精度高。一般的霍尔电流电压传感器模块在工作区域

内的精度优于1%,该精度适合于任何波形的测量；3）线性度优于0.1%;4）动态

性能好，一般霍尔传感器/变送器模块的动态响应时间小于lus,跟踪速度di/dt高

于50A/uSo

霍尔电流电压传感器/变送器模块以其优异的动态性能为提高现代控制系统的

性能提供了关键的基础（无感元件）。一般普通互感器的动态响应时间为10〜20us,

这显然己不适应工业控制系统发展的需要（感性元件）。工作频带宽，可在0〜

100kHz频率范围内很好地工作;过载能力强，测量范围大（0一士6000A）；可靠性

高，平均无故障工作时间大于5*10小时；尺寸小，重量轻；易于安装且不会给系

统带来任何损失。

霍尔电流、电压传感器是根据霍尔原理制成的。它有两种工作方式，即磁平衡式

和直测式。霍尔电流、电压传感器一般由原边电路、聚磁环、霍尔器件、次级线圈

和放大电路等组成。电流、电压传感器只需外接正负直流电源，被测电流母线一般

从传感器中穿过或接于原边端子，然后在副边端再作一些简单的连接即可完成主

电路与控制电路的隔离检测，电路设计非常简单。

电压传感器的接线方法如图3-4所示。根据所测电压大小的不同，用户可根据需

要在被测电压一端串接一个电阻R后再接到传感器的原边，串接电阻R的大小由下

式决定:R=VP/IN-R,式中R为串联电阻，VP为被测电压，IN为额定输入电流，R1N

为传感器的原边内阻。串接电阻功率大小由W=Vp-TN确定。

­+15V

公共地

-15V

OUT

图3-4电压传感器接线图

虽然使用AD736真有效值变换电路完全可以满足系统对采集精度、频率和测量范围

的要求，但AD736的响应频率可达2MHz,而电路中含有极高的高次谐波旦机车环境

中有强电磁干扰，所以这就不可避免地将信号源中和外界干扰造成的高频分量引

入了测量电路，从而造成较大误差"因此在信号源与真有效值转换电路之间有必要

加入低通滤波环节，将高频信号滤除，从而达到测量值可以反映机车设备真实工

作状况的目的。待检测的网侧电压的频率是50Hz,所以要通过调节各电阻与电容的

根据前面的分析和参考相应的文献资料，得出真有效值转换电路如图3-9所示：从

Q1Q2送入的信号经过真有效值转换芯片AD736转换为有效值信号，然后接入高输入

阻抗的电压跟随器0P07,作为隔离电路以防止信号衰减，再用放大器0P07对信号进

行调理，转换成输入到单片机所规定的标准信号。

3.2.3温度检测模块

由于受到走线和安装空间相对受到很大的限制，另外电磁干扰大。所以在器件的

选择、传输总线的选择、布线等方面必须综合考虑。

自美国DALLAS公司生产单总线、数字式温度传感器系列（如DS1620、DS182C、DS18B20）

以来，相继被广泛应用于计算机与自动化测控领域。改变了传统温度测试方法，能在

现场采集温度数据，并直接将温度物理量变换为数字信号并以总线方式传送到计算

机进行数据处理，测试温度范围为。可应用于冬种领域、各种环境的自动化测试和控

制系统，使用方便灵活，测试精度高，优于任何传统的温度数字化、自动化测控设备,

适配各种单片机或系统机。本文选用DS18B20型单线智能温度传感器来检测各需测温

点的温度.DS18B20管脚排列图如图3-9所示“

DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO-92小体积封装

形式;温度测量范围为一55c—+125C,可编程为9—12位A/D转换精度，测温分辨率

可达0.06250C,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在

远端引人，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3或2根线上，CPU

只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的

引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适合于远距离多点温度检测系统中。

DS18B20内部结构如图370所示，主要由四部分组成:64位光刻ROM,温度传感器、

非挥发的温度报警触发潜TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如图3T1所示，DQ

为数字信号输入输出端；GND为电源地，VCC为外接供电电源输人端（在寄生电源接线

方式时接地）。光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该

DS18B20的地址序歹I」码。64位光刻ROM的排列是:开始8位（28H）是产品类型标号，接着

的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校脸码。光刻ROM

的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个

DS18B20的目的。

DS18E

图3-9DS18B20的管脚排列图

DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，用16位符号扩展的二进制补码读数形

式提供，以0.06259C/LSB形式表达，其中S为符号位。例如+125C的数字输出为

07D0H,+25.0625C的数字输出为0191H,-25.0625C的数字输出为FF6FH,-55℃的

数字输出为FC90H。

高低温报警触发器TH和TL、配詈寄存器均由一个字节的EEPR0M组成，使用一个存储器

功能命令可对TH、TL或配置寄存器写人。其中配置寄存器的格式如下：RI、R0决定温

度转换的精度位数:R1R0=〃00〃，9位精度,最大转换时93.75ms；R1RO=“01”，10

位精度，最大转换时间187.5ms；R1R0二〃10〃，11位精度，最大转换时间375ms；

R1RO=〃11〃，12位精度，最大转换时间750ms；未编程时默认为12位精度。

图3-10DS18B20内部结构图

高速暂存器是一个9字节的存储器。开始两个字节包含被测温度的数字量信息；第3.

4.5字节分别是TH、TL、配置寄存器的临时拷贝，每一次上电复位时被刷新;第6.7、8

字节未用，表现为全逻辑1;第9字节读出的是前面所有8个字节的CRC码，可用来保证

通信正确。

DS18B20内部测温原理框图如图3-11所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影

响很小，用来向计数器1提供固定频率的脉冲信号。高温度系数晶振的振荡频率受温

度影响较大，随温度的变化而明显改变，其产生的信号作为计数器2的脉冲输入，用

于控制闸门的关闭时间。初态时，计数器1和温度寄存器被预置在与一55相对应的一

个基值上。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，在计数器2控制

的闸门时间到达之前，如果计数器1的预置值减到0,则温度寄存器的值将作加1运算,

与此同时，用于补偿和修正测温过程中非线性的斜率累加器将输出一个与温度变化

相对应的计数值，作为计数器1的新预置值，计数器1重新开始对低温度系数晶振产

生的脉冲信号进行计数，如此循环，直到计数器2控制的闸门时间到达亦即计数至IJO

时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。

图3-11DS18B20内部测温原理框图

三线制接线方式

DS18B20

■IIP[g.dVf)

二钱制接线方式

DS18B20

Data

GND出

图3-12DS18B20电路接线原理图

DS18B20接线电路原理图如图3-12所示，DATAQ为数字信号输入/输出端,

GND为电源地，VCC为外接供电电源输入端（在二线制接线方式时接地）。如果一线

上挂接多个DS18B20,可以采用二线制接线连接方式，需要进行转换精度配置，高

低限报警等。

此系统需要对多点进行温度检测，其多点测温简单电路原理图如图3-13所示:

U1U2U3

DS18B20DS18B20DS18B20

图3-13多点测温简单电路原理图

系统采用多个温度传感器，实现对各测温点的温度测量.单片机对DS18B20的

访问是通过软件实现的。对于DS18B20的访问分为3个步骤，其流程如图3-14所

示：

（1）初始化：用户通过信号线，向DS18B20发送一个满足特定时序的负脉冲，信

号线上所有的DS18B20芯片都被复位，准备接受用户的序列号访问命令；

（2）序列号访问命令：用户通过信号线，发送一个特定的64位序列号编码。

这时，信号线上所有相连的DS18B20都进行编码匹配，只有编码一致的DS18820才

被激活，可以接受后而的内存访问命令；

（3）内存访问命令：在用户发送序列号访问命令选定特定DS18B20芯片后，被选

中的芯片便可以接受内存访问命令。

图3-14多点测温程序流程图

3.3开关量检测模块

开关量采集模块板作为该系统的一部分，本文所采集的开关量有辅助电源装

置的一些开关接触器的动作状况，进行采集与处理并通过CAN总线发送至单片机数

据处理分析系统的功能。

当接触器闭合时导线得电时测的一个其电压为100V的直流电压，这个直流电

压信号不能直接与单片机的1/0口相连，本文使用光电耦合器TLP521-4来实现高

压信号到低压信号的转换，其电路原理如图3-15所示:

图3-15高压信号到低压信号的转换电路

其中，线号400与控制电路的地线相连接，INDO为输入端，接收来自控制电路

的状态信号，如闭合、切断等。当INDO为100Y时，光藕导通，DI0输出高电平。

通过光电耦合TLP521-4的作用，输入的100V的状态信号变成高、低电平的逻辑信

号。为了提高输入通道的抗干扰能力在电路的输入端串连一个稳压管，并联了一个

电阻，这样可以提高输入的动作门槛电压。

第4章数据存储与传输单元设计

4.1数据采集存储单元

该单元主要为动车组运行状态及设备状态实时数据提供可靠的存储策略。通过CAN

总线对各子模块采集到的数据进行存储发送管理，存储介质采用CF卡。数据采集

存储系统采用高速P87C591单片机方式，从信号检测系统的经CAN现场总线送给单

片机进行数据据采集，记录，并保存最新的数据，再通过CAN总线送单片机数据处

理分析系统进行分析处理，同时生成各部件的实时状态数据库，并进行故障识别

定位，故障分析处理结果存储于CF卡中。

CF卡全称为“CompactFlash”卡，译为汉语就是“标准闪存卡”,CF

卡是最早推出的存储卡产品，由最大的FLASHMEMORY厂商之一的美国SANDISK于1994

年研发成功的。

CF卡是目前应用最为广泛的存储卡，由于它不带驱动器，也没有其它的移动部件，

因此，极少出现机械故障，使存储的数据更加安全。CF卡的使用寿命也非常长，即

使用上100多年也可以保证数据完好无损。而且CF卡耗电量小，只有普通便盘的5%。

与其它存储卡相比，容量大是CF卡的另一个优势，目前主流产品已经达到512Mb和

1Gb标准。另外它还具备速度快、价格便宜等优点。已广泛应用在数据采集系统和许

多消息类电子产品中。

CFk主要特性所示：双列50pin高密接口：支持5V/3.3V双重电压，无须电池永久保存内部数

据,擦写次数可达100万次;数据吞吐率高:5V时可以达到20MB/13.3V时达到6.6MB/S：可

靠性高：平均无故障工作时间为1百万小时；接口简单，支持多种接口访问模式，如Memory

Mapped模式,DOCard模式和TrueIDE模式：适应温度-40〜+854.1.1CF卡基本工作原理

CF卡可以工作在三种模式下：（1）PC卡ATAI/O模式；（2）PC卡ATA存储模式：（3）

实IDE模式。其中，实IDE模式和硬盘的驱动器完全匹配。CF卡有两种寻址模式：

CHS（柱面/磁头/扇区）寻址模式和LBA（逻辑块地址）寻址方式。CHS寻址模式是通过

柱面、磁头和扇区寻址的，最小的寻址单位是一个扇区。在CHS寻址模式下，主机

通过输入柱面、磁头和扇区号码寻址某一个扇区；而在LBA寻址方式下，CF卡按

照连续序列的逻辑扇区编号进行寻址，主机不必知道CF卡的物理几何结构，而旦

能访问的扇区从0柱面、0磁头、1扇区开始，但无法访问系统的隐藏扇区。CF卡

有50个引脚，主要用到的引脚有：A10-A0,H••一根地址线，在PC卡ATA存储模

式下，仅用到A2〜A0三根地址线，用于寻址CF卡内部控制器中的寄存器空间；

D15〜DO,CF卡的十六根数据线，具体传输数据时可选择16位或8位传输；-CE1、

-CE2引脚，用于指示是CF卡的字节操作还是字操作；-REG是寄存器选择信号，这

个信号在内存周期中使用，用来区分是普通内存还是属性寄存器：-0E是读信号：

-WE是写信号、单片机和内部闪存空间进行数据交换是通过CF卡的八个属性寄存器

实现的。在PC卡ATA存储模式下，CF卡属性寄存器组的具