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)點以外，還省去了架設(shè)部分供電線路的優(yōu)點，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”無軌電車投入運營。然而，由于這樣大型的電車內(nèi)部蓄電池數(shù)量非常多，供電電壓達到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供電與高壓電動機驅(qū)動部分、大型充電機部分進行嚴格隔離，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，實時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極，從以往的實測和理論分析得出，被測鐵鏈在漏電情況下達到了電車內(nèi)部蓄電池的總電壓，并且與車皮之間的電壓呈現(xiàn)出正負的現(xiàn)象。所以，本系統(tǒng)在設(shè)計時充分考慮了上述情況，并在信號調(diào)理電路的設(shè)計上進行了處理。當被測信號與車皮之間電壓在30～70 V之間或在-30～-70 V之間時本裝置黃燈亮；當被測信號與車皮之間電壓大于等于70 V或小于等于-70 V時本裝置紅燈亮。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計及網(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)達到數(shù)萬次；1 KB的片內(nèi)SRAM；具有32個可編程控制的I／O接口；同時還能達到16 MIPS的高運行速度。本裝置采用外部擴展CAN控制器的方式，實現(xiàn)了與整車的CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行通信功能。
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；由于被采對象是個正負高電壓信號，系統(tǒng)對于采集精度要求為±1 V。詳細的設(shè)計電路如圖2所示。

    當Vin>0時，二極管D4導(dǎo)通，D2截止；輸出到MCU的ADC0上的電壓值為：
    
    當Vin<0時，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)壓管進行穩(wěn)壓保護；同時還添加了信號濾波電路進行平滑處理。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上其他各路系統(tǒng)如蓄電池管理系統(tǒng)、發(fā)動機系統(tǒng)、儀表顯示系統(tǒng)的電氣隔離，該CAN接口的設(shè)計上采用了高速光耦6N137和單獨的隔離5 V電源，隔離電壓達到了電車電器部件隔離規(guī)范要求的3 000 V。詳細設(shè)計如圖3所示。

    CAN 2．0B協(xié)議數(shù)據(jù)單元由標識碼和數(shù)據(jù)域兩個，部分組成，標識碼包括了優(yōu)先權(quán)(P)、保留位(R)、數(shù)據(jù)頁(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擴展信息格式為基礎(chǔ)，用于大型車輛的協(xié)議。該設(shè)計參照此協(xié)議并兼容了北京公交的無軌電車電器控制CAN編碼協(xié)議，規(guī)定了通訊的波特率為200 kHz。標識碼由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=3，地址=0X09。數(shù)據(jù)域由8個字節(jié)，64位組成，各個單元的數(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開發(fā)環(huán)境中進行C語言編寫。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)的方式進行命令、數(shù)據(jù)的接收，并采用輪詢方式進行數(shù)據(jù)的發(fā)送。
    系統(tǒng)周期性采集到外部信號后，按照規(guī)定的格式發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上，同時根據(jù)需要提前報文和標志并判別是否發(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接收報文的標識符和預(yù)先在接收緩沖器初始化時設(shè)定的標識符進行有選擇地逐位比較，只有標識符匹配的報文才能進人接收緩沖器并發(fā)送信號到MCU的對應(yīng)引腳，從而觸發(fā)中斷。
3．1 系統(tǒng)初始化
    系統(tǒng)初始化主要對系統(tǒng)中ADC與CAN控制器工作時的各參數(shù)設(shè)置，其主要內(nèi)容包括：設(shè)置對應(yīng)2個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行，MCU獲得中斷信號后進入命令數(shù)據(jù)的判別并對CAN控制器進行相關(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
    本裝置能夠?qū)崟r地檢測出漏電電壓，通過具有強實時性、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)。實踐證明，該裝置能夠很好地監(jiān)測電車漏電狀態(tài)，從而消除了乘客上車偶爾被電擊的現(xiàn)象，提高了整車的安全性能。