基于CAN總線的電車漏電檢測裝置的研制

0 引 言
由于石油資源的日益緊缺和人們環(huán)保意識的提高，新型動(dòng)力交通工具不斷涌現(xiàn)，如：氫燃料汽車、乙醇燃料汽車等，其中以電能作動(dòng)力的環(huán)保型交通工具發(fā)展更為迅速。載有蓄電池的無軌電車是最具發(fā)展?jié)摿Φ墓步煌üぞ?，它除了具有電車的?yōu)點(diǎn)以外，還省去了架設(shè)部分供電線路的優(yōu)點(diǎn)，對美化城市起到極其重要的作用。據(jù)資料顯示，北京在2008年就有近800輛的這種“準(zhǔn)”無軌電車投入運(yùn)營。然而，由于這樣大型的電車內(nèi)部蓄電池?cái)?shù)量非常多，供電電壓達(dá)到500 V之高，所以絕緣和漏電的處理技術(shù)一直是困擾電車開發(fā)人員的一大難題。目前，電車供電系統(tǒng)采用了多重逆變技術(shù)，把低壓24 V供電與高壓電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部分、大型充電機(jī)部分進(jìn)行嚴(yán)格隔離，并安裝了與大地接觸的放電鐵鏈，使得漏電問題得到了很好的解決。但是，在偶發(fā)情況特別是雨天天氣環(huán)境下，依然會出現(xiàn)乘客上車過程中被電擊的現(xiàn)象。針對此，實(shí)時(shí)測量放電鐵鏈即大地與車皮之間電壓的漏電檢測裝置的研制就非常必要。

1 工作原理
本裝置安裝于電車內(nèi)部，供電電壓為電車上的低壓24 V電源(實(shí)際工作電壓在18～36 V)，裝置本身裝有3顆LED指示燈，分別是系統(tǒng)工作電源指示綠燈、低壓漏電30 V指示黃燈和高壓漏電70 V以上指示紅燈，其中1根接線為鐵鏈引線，另外2根接線到前臺儀表顯示系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

電車車皮本身為低壓電源的負(fù)極，從以往的實(shí)測和理論分析得出，被測鐵鏈在漏電情況下達(dá)到了電車內(nèi)部蓄電池的總電壓，并且與車皮之間的電壓呈現(xiàn)出正負(fù)的現(xiàn)象。所以，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了上述情況，并在信號調(diào)理電路的設(shè)計(jì)上進(jìn)行了處理。當(dāng)被測信號與車皮之間電壓在30～70 V之間或在-30～-70 V之間時(shí)本裝置黃燈亮；當(dāng)被測信號與車皮之間電壓大于等于70 V或小于等于-70 V時(shí)本裝置紅燈亮。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
本系統(tǒng)的核心控制器采用了ATME公司的高性能8位AVR單片機(jī)ATmega 16，其內(nèi)部具有8路單端的10位ADC采集接口；16 KB的系統(tǒng)片內(nèi)可編程FLASH，燒寫次數(shù)達(dá)到數(shù)萬次；1 KB的片內(nèi)SRAM；具有32個(gè)可編程控制的I／O接口；同時(shí)還能達(dá)到16 MIPS的高運(yùn)行速度。本裝置采用外部擴(kuò)展CAN控制器的方式，實(shí)現(xiàn)了與整車的CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行通信功能。
2．1 信號調(diào)理電路
此部分電路主要對被采集電壓進(jìn)行調(diào)理，最終轉(zhuǎn)化為MCU能接受的0～5 V的電壓范圍；由于被采對象是個(gè)正負(fù)高電壓信號，系統(tǒng)對于采集精度要求為±1 V。詳細(xì)的設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

當(dāng)Vin>0時(shí)，二極管D4導(dǎo)通，D2截止；輸出到MCU的ADC0上的電壓值為：

當(dāng)Vin0時(shí)，二極管D2導(dǎo)通，D4截止；輸出到MCU的ADC1上的電壓值為：

為保證調(diào)理后的電壓值滿足MCU的ADC接口電壓要求，電路中采用了穩(wěn)壓管進(jìn)行穩(wěn)壓保護(hù)；同時(shí)還添加了信號濾波電路進(jìn)行平滑處理。