基于 FPGA 的动车组电气柜电流采集装置研制

韩 良 1 王钰博 2

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　　摘要：为解决动车组电气系统机械触点偶发性故障无法定位的问题，本文遵循轨道交通行业标准设计了一款基于FPGA的动车组电流采集装置。装置能够对被测电流回路进行录波，实时监测关键电气回路电流变化，识别过电流、冲击、燃弧等异常状态，并将数据传输至数据处理装置进行集中管理和存储。该装置通过了功能试验和型式试验，各项功能及性能指标满足轨道交通车载应用。本文介绍了电流采集装置的硬件电路设计方案，以及设备的测试验证情况。该装置为动车组电气偶发性故障的定位提供了新的方法和思路。 
　　关键词：动车组; 电流采集; FPGA 
　　1 引言 
　　辅助供电系统是轨道交通车辆电气系统中的重要组成部分，系统中大量使用继电器、接触器实现车辆电气系统的配电以及逻辑控制[1-2]。继电器、接触器等器件使用机械触点来分断电气回路，其触点在长期使用过程中易发生卡滞、粘连等故障[3-5]。且相关设计回路主要由硬线实现，缺少智能诊断能力，加之此类故障具有偶发性，检修时难以准确定位故障位置以及原因。通常采用预防性更换继电器、接触器的方法来应对，增加了运营成本且无法准确定位问题。 
　　针对上述偶发性故障，本文提出了一种辅助诊断电流采集装置。电流采集装置实时采集电气控制屏柜内的关键回路继电器、接触器触点工作电流，并将数据发送至数据处理装置进行集中处理和存储。 
　　2 硬件方案设计 
　　电流采集装置主要包括电源模块、通讯模块、FPGA、采样模块。电源模块将外部输入的DC24V电源转换为内部所需的5V、3.3V、2.5V，为FPGA、ADC及处理电路供电。通讯模块主要实现低压差分信号（Low-Voltage Differential Signaling， LVDS）通讯总线，设备通过LVDS总线与数据处理装置通信。通讯总线采用隔离等级，提高装置可靠性。FPGA采集多路A/D转换模块数据，集中处理打包发送给数据处理装置。A/D转换模块采用隔离模数转换芯片，通过采集采样电阻电压获取电流信息。电路框图如下图所示。 
　　2.1 电源模块设计 
　　电源模块采用隔离DCDC模块，将数据处理装置提供的DC24V电源转换为内部5V电源。DCDC模块功率10W，隔离等级AC1000V。该模块前级采用压敏电阻、共模电感、Y电容等器件，搭建滤波电路，以满足轨道交通EMC防护要求。 
　　装置内5V电源经过单芯片线性稳压器转换为3.3V电源，为FPGA等芯片供电。3.3V电源采用TPS54310芯片，额定输出电流3A，能够满足装置供电需求。 
　　2.2 FPGA及其外围接口电路设计 
　　为了满足动车组电气屏柜内多通道采集，实时性以及同步性等要求，采用了Altera公司的MAX10系列芯片10M16SA U169S。该芯片具备16K逻辑单元，100个IO引脚，同时集成了AD转换模块以及内置闪存配置，资源完全满足装置应用需求。芯片采用单电源供电，降低了电源设计成本。相对CPLD，MAX10具有全功能FPGA特性，包括NIOS II软核嵌入式处理器、数字信号处理模块等。 
　　2.2.1 时钟电路 
　　时钟原理图如图所示。本装置中采用10M16SA U169S为控制芯片，采用SG-210SCB型号50MHz晶体振荡器为芯片提供基准始终，使得FPGA能够正常工作。 
　　2.2.2 LVDS通讯电路 
　　电流采集装置与数据集中处理装置间采用本方案所选用的FPGA自带LVDS通讯IP核。若直接将FPGA引脚引至外部会影响系统可靠性与稳定性，且不符合轨道交通EMC要求。本装置采用了ADN4651型号5kV rms隔离器芯片，其采用2.5V或3.3V电源供电，最高600Mbps开关速率，具有低抖动特性。其应用电路如下图所示。 
　　通讯隔离供电采用R1S-0505/H，该电源可输出稳定的5V隔离电源，电流200mA。经过LDO转换为3.3V_ISO。对外通讯接口及电源接口采用TVS二极管防护，防止外部浪涌电压引起通讯电路失效。另外，LVDS差分线对外接口处串接共模电感，提升抗干扰能力。 
　　LVDS通讯速率为100Mbps.最大数据传输能力为10MB/s，完全满足应用要求。另外，通过8b/10b编解码技术和数据帧CRC校验技术，有效提升数据通讯的可靠性。 
　　2.2.3 看门狗电路 
　　本装置采用低功耗MAX6751芯片作为FPGA的看门狗及复位芯片，在FPGA初始化加载不成功或运行中出现异常情况下，通过复位信号使系统重新启动。该芯片具有灵活配置的特点。通过配置分压电阻，实现对电压的可调监测控制： 

　　VMON_TH=VRESET IN X （R31+R32）/R32 
　　通过配置SRT引脚电容容值设置超时时间： 
　　tRP=4.94 X 106 X C31 
　　如下圖所示电路所配电阻下当电源跌落至2.93V时输出复位信号，看门狗500ms未收到喂狗信号触发超时复位。 
　　2.3 AD采样模块设计 
　　AD采样模块选用隔离式ADE7913模数转换芯片，其具有多通道同步采集、高隔离等级的特点。其内置3路24位ADC，采用四线式SPI串行接口与控制器通讯，单个SPI外挂四片AD采样芯片，减少了布线成本。 
　　3 应用方案及验证 
　　3.1 功能验证 
　　将电流转换装置连接至数据处理单元，各通道内分别接入电流，在上位机实时监测电流数据，上位机监测软件界面如图7所示。试验结果表明，电流采集装置中各通道能够有效监测被测电流，其精度在1%以内。 
　　3.2 型式试验验证 
　　根据轨道交通相关标准，对电流采集装置进行了如表1所示试验，图4为电流采集装置试验图。试验结果表明，电流采集装置能够通过GB/T 25119-2010、EN 50121-3-2：2016等标准下EMC、环境试验，具有良好的可靠性。 
　　4 结语 
　　本文设计了一种基于FPGA的动车组电流采集装置，该装置能够精准、高速采集动车组电气回路电流数据，并满足轨道交通车辆环境、电磁兼容性要求。装置实时监测动车组内多路关键电气回路电流数据，为动车组电气故障报警以及故障依据提供硬件平台。 
　　参考文献： 
　　[1]王伟，赵盼磊，方鹏，等.铁路客运车辆电气控制屏柜通用微机测试台[J].机车电传动， 2016（6）：1-5. 
　　[2]郭旭，张贤凯，梁彦锋，等. CRH2型动车组直流电气控制电路监测技术[J].机车电传动，2016（6）：6-9. 
　　[3]梁春风，陈润炽.地铁列车继电器测试装置的设计[J].机车电传动，2018（03）：112-113. 
　　[4]顾松彬，曹文忠，魏武忠.地铁车辆控制电路中继电器的故障分析[J].机车电传动，2007（02）：58-60. 
　　[5]王峰，林杰. CRH2系列动车组高压电器控制继电器出头粘连原因分析[J].机车电传动， 2014（6）：95-96.