基于CAN總線的電車(chē)漏電檢測(cè)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(shí)的提高，新型動(dòng)力交通工具不斷涌現(xiàn)，如：氫燃料汽車(chē)、乙醇燃料汽車(chē)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(wú)軌電車(chē)是最具發(fā)展?jié)摿Φ墓步煌üぞ?，它除了具有電?chē)的優(yōu)點(diǎn)以外，還省去了架設(shè)部分供電線路的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)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(wú)軌電車(chē)投入運(yùn)營(yíng)。然而，由于這樣大型的電車(chē)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(chē)開(kāi)發(fā)人員的一大難題。目前，電車(chē)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(wèn)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(huì)出現(xiàn)乘客上車(chē)過(guò)程中被電擊的現(xiàn)象。針對(duì)此，實(shí)時(shí)測(cè)量放電鐵鏈即大地與車(chē)皮之間電壓的漏電檢測(cè)裝置的研制就非常必要。

1 工作原理
    本裝置安裝于電車(chē)內(nèi)部，供電電壓為電車(chē)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(tái)儀表顯示系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

    電車(chē)車(chē)皮本身為低壓電源的負(fù)極，從以往的實(shí)測(cè)和理論分析得出，被測(cè)鐵鏈在漏電情況下達(dá)到了電車(chē)內(nèi)部蓄電池的總電壓，并且與車(chē)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(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)上進(jìn)行了處理。當(dāng)被測(cè)信號(hào)與車(chē)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(cè)信號(hào)與車(chē)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(xiě)次數(shù)達(dá)到數(shù)萬(wàn)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(chē)的CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行通信功能。
2．1 信號(hào)調(diào)理電路
    此部分電路主要對(duì)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(duì)象是個(gè)正負(fù)高電壓信號(hào)，系統(tǒng)對(duì)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)Vin<0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(hào)濾波電路進(jìn)行平滑處理。2．2 CAN接口電路與網(wǎng)絡(luò)編程協(xié)議
    CAN接口電路采用了PHILIPS公司的SJA1000控制器和TJA1050高性能收發(fā)器。為了使本裝置與電車(chē)上其他各路系統(tǒng)如蓄電池管理系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、儀表顯示系統(tǒng)的電氣隔離，該CAN接口的設(shè)計(jì)上采用了高速光耦6N137和單獨(dú)的隔離5 V電源，隔離電壓達(dá)到了電車(chē)電器部件隔離規(guī)范要求的3 000 V。詳細(xì)設(shè)計(jì)如圖3所示。

    CAN 2．0B協(xié)議數(shù)據(jù)單元由標(biāo)識(shí)碼和數(shù)據(jù)域兩個(gè)，部分組成，標(biāo)識(shí)碼包括了優(yōu)先權(quán)(P)、保留位(R)、數(shù)據(jù)頁(yè)(DP)、格式域(PF)、特定域(PS)、源地址(SA)和數(shù)據(jù)域(DF)七部分。
    SAE J1939是以CAN 2．0B擴(kuò)展信息格式為基礎(chǔ)，用于大型車(chē)輛的協(xié)議。該設(shè)計(jì)參照此協(xié)議并兼容了北京公交的無(wú)軌電車(chē)電器控制CAN編碼協(xié)議，規(guī)定了通訊的波特率為200 kHz。標(biāo)識(shí)碼由29位組成，分別為狀態(tài)ID和指令I(lǐng)D。定義為：PF=0XFF，PS=0X04，優(yōu)先級(jí)=3，地址=0X09。數(shù)據(jù)域由8個(gè)字節(jié)，64位組成，各個(gè)單元的數(shù)據(jù)域都有不同定義。

3 軟件例程與應(yīng)用
    軟件采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的編程方法，本系統(tǒng)軟件部分主要由單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集模塊和CAN接口的通信模塊組成；所有代碼在ICC AVR開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行C語(yǔ)言編寫(xiě)。本系統(tǒng)中，核心處理器器ATmega 16與CAN控制器之間采用中斷觸發(fā)的方式進(jìn)行命令、數(shù)據(jù)的接收，并采用輪詢方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。
    系統(tǒng)周期性采集到外部信號(hào)后，按照規(guī)定的格式發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上，同時(shí)根據(jù)需要提前報(bào)文和標(biāo)志并判別是否發(fā)送成功；若CAN控制器接收到外部命令數(shù)據(jù)，利用屏蔽濾波寄存器對(duì)接收?qǐng)?bào)文的標(biāo)識(shí)符和預(yù)先在接收緩沖器初始化時(shí)設(shè)定的標(biāo)識(shí)符進(jìn)行有選擇地逐位比較，只有標(biāo)識(shí)符匹配的報(bào)文才能進(jìn)人接收緩沖器并發(fā)送信號(hào)到MCU的對(duì)應(yīng)引腳，從而觸發(fā)中斷。
3．1 系統(tǒng)初始化
    系統(tǒng)初始化主要對(duì)系統(tǒng)中ADC與CAN控制器工作時(shí)的各參數(shù)設(shè)置，其主要內(nèi)容包括：設(shè)置對(duì)應(yīng)2個(gè)I／O口為ADC口、設(shè)定ADC使能和查詢讀數(shù)方式、硬件使能CAN、設(shè)置CAN報(bào)警界限、設(shè)置總線波特率、設(shè)置中斷工作方式、設(shè)置CAN驗(yàn)收濾波器的工作方式、設(shè)置CAN控制器的工作模式等。初始化流程如圖4所示。

3．3 接收數(shù)據(jù)程序
    由于接收采用中斷的方式進(jìn)行，MCU獲得中斷信號(hào)后進(jìn)入命令數(shù)據(jù)的判別并對(duì)CAN控制器進(jìn)行相關(guān)寄存器復(fù)位清0操作。若數(shù)據(jù)與之前規(guī)范的一致，則立刻把前次準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)發(fā)給CAN控制器。此功能的軟件流程如圖6所示。

4 結(jié) 語(yǔ)
    本裝置能夠?qū)崟r(shí)地檢測(cè)出漏電電壓，通過(guò)具有強(qiáng)實(shí)時(shí)性、高可靠性和更好抗干擾能力的CAN總線技術(shù)發(fā)送、接收命令和數(shù)據(jù)。實(shí)踐證明，該裝置能夠很好地監(jiān)測(cè)電車(chē)漏電狀態(tài)，從而消除了乘客上車(chē)偶爾被電擊的現(xiàn)象，提高了整車(chē)的安全性能。