动车组辅助电源装置在线检测与故障诊断系统的设计.docx

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障树Abstract Based on the analysis of common faults, the paper measurementsdeviceincluding the exchange of signal acquisition module, temperature detection module and so on Papers also researchs storage and transmission of the detection data and designes the CF card circuit and data data storage transmission circuits base on CAN bus.This paper introduces theoretical knowledge of fault tree, based on the fault tree analysis of auxiliary power supply device for the main fault of the initial analysis.Key words: EMUs Auxiliary Power Fault DiagnosisFault Tree(FT)目 录第1章 绪 论11.1故障诊断的意义及其发展概况11.2目前主要系统故障诊断方法21.3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62.1辅助电源装置的构成和功能62.1.1 辅助电源装置的构成62.1.2 辅助电源装置的功能72.2 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123.1 信号检测系统总体方案123.2 模拟量检测模块143.2.1 A/D转换器与单片机的接口电路143.2.2 交流信号采集模块163.2.3 温度检测模块213.3 开关量检测模块25第4章 数据存储与传输单元设计274.1数据采集存储单元274.1.1 CF卡基本工作原理274.1.2 CF卡与单片机的接口电路294.1.3 数据的存储模式304.1.4 数据存贮模块软件的设计314.2 CAN总线模块324.2.1 CAN总线接口电路344.2.2 CAN控制器的软件设计35第5章 辅助电源故障诊断385.1故障诊断的故障树分析法385.1.1 故障树的建造395.1.2 故障树的数学描述405.1.3 故障树定性分析的故障诊断415.2 动车组辅助电源装置故障诊断42结 论46致 谢47参 考 文 献48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%，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%，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已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。(1)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。(2)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进行故障诊断。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，剩下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，克服噪声能力强，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)利用算子的方法。基于算子构造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滤波器，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。(4)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Goodw in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，它已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种 类交流3相交 流 单 相直 流（辅助整流器箱）内藏ATr（不稳定）输出额定电压AC400 VAC100VAC220VDC100VAC100V额定电力123 kVA12kVA12kVA58kW22kVA电压精度10%10%同左同左10%10%26%41%频 率50 Hz1%同左同左50 Hz畸变系数5%以下担当负荷100%持续180%、持续10 s100%持续120%、持续20 sM2-2、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T1c-1、T2c-8上各设置辅助电源装置(APU)1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的三相交流电源，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2-1所示： 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；(6) 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；(7) 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(整流器和中间直流环节的故障)、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.故障项目检测方法1变流器输入过电流变频器输入电流，若在额定的250%以上的话，瞬间检测。2变流器用IGBT异常由变频器用栅极驱动电路板进行栅极信号不相一致的检测。 3输入接触器不接通1IVK1闭合指令发送后，等待1秒后IVK1辅助接点不动作的情况下进行检测。4输入接触器不接通2IVK闭合指令发送后，等待1秒后IVK2辅助接点不动作的情况下进行检测。5输入接触器不断开1IVK1闭合指令停止后，等待1秒后IVK1在辅助接点不断开的时候进行检测。6输入接触器不断开2IVK2闭合指令停止后，等待1秒后IVK2在辅助接点不断开的时候进行检测。7温度异常通过冷却器上设置的温度继电器进行保护检测。842 8逆变器用IGBT异常通过逆变器用栅极驱动电路板进行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输出短路AC输出电流在额定的150%以上，并且，输出电压在额定的65%以下的状态持续2秒时检测。12控制电源异常控制电源的输出电压，在额定的90%以下时检测。13逆变器输入过电压逆变器的输入电压（变频器的输出电压），达到1000V以上的时候瞬间检测。14逆变器输出过电流逆变器的输出电流在达到额定的250%以上时，瞬间检测。15输入异常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300V以下持续5秒的情况下检测。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输出过电流AC输出电流在额定的110%以上，持续超过10秒的情况下检测。17AC输出电压异常AC输出电压在额定的105%以上时，而且，在95%以下，但是持续60秒的情况下检测。18接地测出接地电流在1.5A以上持续1秒的情况下检测。 19输出接触器不接通3phMK闭合指令发送后，等待1秒后3phMK辅助接点不动作的情况下进行检测。20输出接触器不断开3phMK闭合指令停止后，等待1秒后3phMK在辅助接点不断开的时候进行检测。21放电接触器不闭合(DCHKD)DCHK闭合指令发送后，等待1秒后DCHK辅助接点不动作的情况下进行检测。22放电接触器不断开(DCHKDA)DCHK闭合指令停止后、等待1秒后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3-1 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中方便扩容;（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：CAN总线交流电压/电流信号CPUP87C591真有效值变换A/D转换光电隔离温度检测电路DS18B20光电隔离CPUP87C591扩展I/O口数字量和开关量CF卡A/D转换CAN接口电路CPUP87C591 直流电压/电流信号调理到合适的模拟信号扩展I/O口CAN接口电路CAN接口电路图 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I/O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SJA1000 CAN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的标准特性之外，器件还为这些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：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。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3.2.1 A/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:010V、020V 、-5V+5V、-10V+10V ,有12位或8位可选输出，单一+5V供电。典型转换时间为8.5s。ADS774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10 uF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ADS774。采取这些措施可以提高A/D转换的精度。ADS 774采用低功耗COMS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120mW，转换时间为t8.5 us。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，以兔影响转换器的正常工作。 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电子产品中。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。它综合了互感器和分流器的所有优点，同时又克服了互感器和分流器的不足(互感器只适用于50Hz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/u s。 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0100kHz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，RIN为传感器的原边内阻。串接电阻功率大小由W=VpIN确定。 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且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5OHz，所以要通过调节各电阻与电容的值以使滤波电路的中心频率位于5OHz左右。图3-8 真有效值转换电路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OPO7，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、DS1820、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。可应用于各种领域、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;温度测量范围为一55一+125，可编程为9一12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3-10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器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如图3-11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的地址序列码。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位的循环冗余校验码。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。图3-9 DS18B20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+125的数字输出为07DOH , +25.0625的数字输出为0191H, -25.0625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、配置寄存器均由一个字节的EEPROM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: R1、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 ；R1R0“01”，10位精度，最大转换时间187.5ms； R1R0=10，11位精度，最大转换时间375ms； R1R0= 11，12位精度，最大转换时间750ms；未编程时默认为12位精度。64位ROM和单线接口低温告警触发器TL存储器和控制逻辑高温告警触发器TH温度传感器8位CRC发生器便捷式存储器图3-10 DS18B20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