靳雨辰，周国平，徐 磊，于 景

（南京林业大学 信息科学技术学院，南京 210037）

0 引言

动车检修过程中接地桩可靠接地是对工作人员人身安全和设备安全的重要保证。目前，我国动车检修段依然采用人工携带手持式钳表进行回路电阻测量，国内暂无专门针对动车检修特殊环境所设计的回路电阻测试仪，而传统回路电阻测试仪普遍存着功能单一、安装受限、测量不方便等缺点[1～6]。为此，文章提出了一种基于STM32的动车回路电阻在线测试仪，采用穿线式设计，利用接触网两端挂接接地线，形成“接触网-接地线-铁轨”回路。通过本地回路电阻在线测试仪配合远程终端形成一整套在线监测系统，实现精确测量、数据远程传输、自动报警等功能。大量的实验数据表明，该测试仪无需开机校准，测量精度高，测量范围宽，可以实现对检修段整段回路电阻的在线监测。从而有效排除接地安全隐患，保护检修人员的人身安全和设备安全。

1 检测原理

动车检修段每号车道的出入口均通过接地线和接地开关进行接地，由“接触网-接地线-铁轨”形成接触网回路。测试仪利用双钳口法对该回路的电压、电流参量进行采集。测试仪的检测原理如图1所示。

图1 检测原理图

电压互感器线圈Ng作为激励线圈，电流互感器线圈Nr作为接收线圈。e为电压线圈所产生的交流电压，E为被测接触网回路中通过电磁感应所产生的电压信号（单位V），如式(1)所示：

电压E在被测接触网回路中产生感应电流I（单位A）。通过感应电流I，电流互感器将产生电流信号i（单位A），如式(2)所示：

根据欧姆定律，可计算出被测接触网回路的电阻R（单位Ω），如式(3)所示，其中，K为比例系数[7]：

根据上式计算出的接地系统回路电阻，将通过触摸屏和上位机实时显示。

2 硬件电路设计

2.1 总体方案设计

动车回路电阻在线测试仪由信号激励模块、信号检测模块以及控制与显示模块三部分组成。总体方案设计如图2所示。

图2 总体设计框图

信号激励模块由正弦激励信号发生电路、功率放大电路以及带通滤波电路组成。测试仪通过正弦激励信号发生电路产生960Hz的激励信号，该信号经过功率放大以及带通滤波电路处理后，将作为双钳口法采集的激励源。

信号检测模块包括信号调理电路以及A/D转换电路。采集到的电参量通过信号调理电路进行有效值转换以及去除干扰，然后送至STM32内部的12位A/D转换器进行处理。

控制与显示模块包括报警电路、人机交互界面和上位机系统。人机交互界面实时显示测量值，工作人员可通过人机交互界面设置报警阈值，测试仪在测量值大于报警阈值时，将会对外进行报警闭锁。后台上位机系统则可以向调度室内的工作人员实时反映监测情况，并形成监测报表。

2.2 信号激励模块

2.2.1 正弦激励信号发生电路

文章采用ICL8038作为正弦信号发生器。为了避免工频干扰，设计的激励信号频率应为50Hz的非整数倍。同时为了配合配套的电流传感器和电压传感器，文章使用的信号频率为960Hz。正弦激励信号发生电路如图3所示。

图3 正弦激励信号发生电路

正弦波信号由2脚输出，通过调节电位器RW1阻值大小改变输出的正弦波频率。电位器RW2用于改变输出信号的失真度。

2.2.2 功率放大电路

由于ICL8038的驱动能力不足，需要对输出信号的功率进行放大处理。功率放大电路如图4所示。

图4 功率放大电路

选用TDA2030集成功率放大器对输出的正弦信号进行功率放大。电容C3滤除信号中的直流成分，旁路电容C4、C5则降低了电源对地的交流阻抗。二极管D4、D5保护输出电路，R7、R8则构成了反馈电路。因此，电路稳定可靠，具有一定的抗干扰能力。

2.2.3 带通滤波电路

工作现场环境复杂，ICL8038产生的正弦信号可能会混叠工频干扰和高频杂波，为此设计的带通滤波电路如图5所示。

图5 带通滤波电路

带通滤波电路只允许选定频段的信号通过，可以有效的滤除工频干扰和一些高频杂波，其中心角频率为[8]：

通过改变R10、R11、R12、C7、C8的值，可以选定通过的频段，文章选择通过的频段为910Hz～1010Hz。

2.3 信号检测模块

2.3.1 信号调理电路

在进行A/D转换前，需要将交流信号转换为正电压的直流信号。为此设计了如图6所示的信号调理电路。

图6 信号调理电路

采用AD736作为交直流转换芯片，对正弦交流信号有效值进行转换得到直流信号。工作电压为±12V，2脚为信号输入脚，6脚为信号输出脚。滤波电容C9、C12、C13，可滤除高频干扰，电容C10则起到隔直作用。双向限幅二极管D7、D8起到过压保护作用。因此，电路整体转换精度高，灵敏度好。

2.3.2 A/D转换电路

测试仪选用STM32F103为控制核心，使用其内部自带的12位A/D转换，其最高工作频率可达72MHz，具有SPI、I2C等多种通讯接口，使用方便[9,10]。

2.4 控制与显示模块

触摸屏作为人机交互界面，可以实现参数的输入与显示。开机后可通过触摸屏输入报警阈值，并在检测时实时显示测量值。当测量值大于报警阈值时，表明接地存在安全隐患，测试仪进行声光报警输出，提示现场工作人员。同时，发送信息至后台上位机系统，调度室内将实时反映现场监测情况。现场监测图如图7所示。

图7 现场监测图

3 系统软件设计

系统主程序流程图如图8所示。

图8 主程序流程图

系统上电后，首先对各模块进行初始化，包括对硬件电路初始化、中断初始化、时钟初始化等。为保证安全性，需通过在触摸屏或后台上位机上输入密码进行专业人员身份确认。身份确认后，可设定报警阈值。之后自动进入U/I参数采集程序，得到回路电阻值R并通过触摸屏进行实时显示。同时通过串口通讯将监测值实时发送给后台上位机。若实监测的阻值超过了设定的报警阈值，测试仪将进行声光报警并控制相关继电器闭锁，触摸屏界面变为报警界面，并向后台上位机发送报警指令。

4 系统实验数据分析

系统准确度测试环境选择为沈阳动车段半户外式检修车间，测试时间为2018年6月，环境温度28℃，采用1Ω～10Ω和20Ω精密电阻作为标准测试电阻，使用ETCR2000手持式钳形接地电阻测试仪测量值作为对照值，测量值为多次测试后取得的平均值，实际测量数据如表1所示。

表1 准确度测试测量数据

由表1可知，测试仪测量值的相对误差明显小于钳表测量值，测量更精确。测试仪最大相对误差为3.33%，满足工程上≤7%的要求。与手持式钳表相比，精度更高，而且能够实时在线监测，使用安装方便。经过长期的运行和实验所得大量实验数据可得，该监测系统运行稳定，测量准确。

5 结语

文章设计了一种动车回路电阻在线测试仪，采用非接触式设计，配合人机交互界面和远程终端形成了一套动车检修段回路电阻在线监测系统。监测系统已经在沈阳、长春、通辽等动车段已经投入试验运行。经长期运行和实验，系统运行稳定可靠，测量精度高，使用安全方便，能够满足对我国高速铁路接地系统安全性在线监测的要求，具有较高的应用价值。