CN115524570B - 一种便携式回路电流调试装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及电流调试领域公开了一种便携式回路电流调试装置，包括触摸显示屏、处理器、电平转换电路、蓄电池、电源处理电路、充电插口和电源开关、散热风扇、电流放大电路和航插接口等；所述蓄电池与所述电源处理电路连接，所述蓄电池经过电源处理电路对所述电流放大电路、所述单片机、以及所述触摸显示屏进行供电；所述单片机的开关信号使得所述过流保护设备做出相应的开关动作。本申请提供的便携式电流回路调试装置，可以实现调试精度高、体积小、价格低、易操作，又能满足施工现场无电源环境等问题的需求。

Description

一种便携式回路电流调试装置

技术领域

本申请涉及电流调试领域，特别是涉及用于铁路牵引供电系统过流保护设备进行回路电流调试的便携式回路电流调试装置。

背景技术

铁路牵引供电系统过流保护装置可靠工作是供电系统安全可靠运行的重要保障，也是关系到铁路行车安全的重要因素。因此必须对过流保护装置的各项参数进行检测，以确保其动作的准确性和可靠性。然而传统的测试仪器通常需要外接220V交流电源方可工作，不能满足无外电源的工作环境。并且通常都是采用了逆变电路、整流电路、变压器、大量光电耦合器等多种元件，电路结构复杂，设备体积较大，且主要用于生成锯齿波电流信号。

操控方式也主要为传统的按键+旋钮+显示屏的组合模式，箱体体积大，非常不便于携带。且通常都面临如下困境：

1）体积笨重，测试效率低

传统的测试设备重量约为20-30kg，需2人搬运至现场进行测试，测试时间一般在20-30分钟，测试效率低，如遇特殊紧急情况，在人员不足的时候，很难完成测试工作。

2）测试功能不能接近需求、数据处理能力不足

测试功能适应性不强，在现场测试时，不能满足测试需求，在需要电流定值和时间定值同时测试时，不能同时满足测试要求。测试数据后，需要将数据进行人工处理。

3）对电源有要求

当前测试仪器都需要电源，在野外山区，有的地方不具备电源条件，只能利用发电机进行发电，影响工作效率，且经常损坏仪器。

传统的用于过流保护测试的仪器采用继电保护测试仪，其内置数字信号处理器微机、数字模拟转换器（DAC）模块、模块式高保真大功率功放，液晶显示器以及旋转鼠标控制器。

发明内容

基于此，有必要针对上述至少一种技术缺陷，提供一种便携式的回路电流调试装置，以确保其动作的准确性和可靠性的同时，解决体积笨重，测试效率低的问题，达到解决调试装置精度高、体积小、价格低、易操作，又能满足施工现场无电源环境等问题的需求。

一种便携式回路电流调试装置，用于铁路牵引供电系统过流保护设备进行回路电流调试，包括：所述便携式回路电流调试装置包括三层PCB板，

其中，第一层PCB板上设置触摸显示屏；

第二层PCB板正面设置单片机、电平转换电路及相关电子器件；

第二层PCB板背面设置有蓄电池、电源处理电路、充电插口和电源开关；

所述第二层PCB板与第三层PCB板之间加装散热风扇；

第三层PCB板设置电流放大电路和航插接口，所述第三层PCB板为L形，并且与所述蓄电池处于同一平面；

所述蓄电池与所述电源处理电路连接，所述蓄电池经过电源处理电路对所述电流放大电路、所述单片机、以及所述触摸显示屏进行供电；

所述单片机输出信号经过所述电流放大电路放大后，通过航插和导线输送给所述过流保护设备，以使得所述过流保护设备输出动作信号，所述动作信号作为开入信号经过所述电平转换电路发送给所述单片机；

所述单片机的开关信号经过所述电平转换电路发送给所述过流保护设备，输出开出信号，以使得所述过流保护设备做出相应的开关动作。

所述电平转换电路包括光电耦合器，所述光电耦合器由第一发光二极管U1和光敏晶体管封装而成；所述电平转换电路还包括电阻R1、第一三极管N1、电阻R20、电容C7、第二三极管N3、第二发光二极管LED1组成；

所述单片机的输出端口通过所述电阻R1与所述第一三极管N1的基极相连，当所述单片机输出电平信号并转换为所述开出信号时，电流流经所述第一三极管N1基极使该三极管导通，光电耦合器中的第一发光二极管U1导通发出光信号，所述光敏晶体管接收到光信号后导通，电流流经所述第二三极管N3的基极使其导通，所述第二三极管N3集电极D1端输出所述开出信号，通过航插接口送入所述过流保护设备。

所述单片机的控制过程为：

启动初始化配置，其中第一ADC引脚用于采集所述蓄电池电压，并通过触摸显示屏显示所述蓄电池电量，每隔一定时间刷新显示；

所述单片机通过第二ADC引脚从所处触摸显示屏接收电流设定数据，通过所述单片机连接的DAC生成对应的电流信号，经运算放大器放大，向所述过流保护设备输送电流；

所述过流保护设备接收到电流信号后，若该电流信号满足动作阈值则触发相应动作，所述单片机计时器记录动作时间后，清除寄存器和数据标志。

所述单片机的串口与所述触摸显示屏的串口通过连接线连接，实现上下位机的通信。

所述单片机通过串口接收所述触摸显示屏的设置信号，再通过串口将输出信号反馈给所述显示屏；

所述串口的运行模式为8n1，包括1个起始位、8个数据位、1个停止位；

所述串口的其中一个端口用于输入工作电压，六个端口接地，以及TXD和TXD4两个输出端口，用于发送数据；RXD和RXD4两个输入端口，用于接收数据；

所述单片机的输出/输入端口与所述触摸显示屏的输入/输出端口相连。

所述向所述过流保护设备输送电流的生成过程为：

步骤1，通过软件编程的方式设定所需波形的数值-时间序列,；

步骤2，通过对所需周期波形进行采样，将采样所得的点存在一个数组里；

步骤3，对DAC的赋值范围为[0,4095]；

步骤4，将数组里的值映射成端口的电压值，配置定时器的频率，定时器每触发一次输出对应电压值，0.02s的时间输出500个值，即可获得50HZ的交流正弦电流。

所述触摸显示屏用于电流幅值设置、电流频率设置、动作时间记录、电量显示功能，以及开入、开出和仪器启动。

本申请提供的便携式电流回路调试装置设备轻巧可随身携带，成本低、精度高。具有电流输出精度在0.01A，长时电流输出达到5A，短时电流输出达8A的峰值设计，同时能提供保护装置返回信号监测，实现核准保护装置动作时间的功能，能够实现电流定值和时间定值同时测试，完全满足国内保护装置的需求。且在施工现场无电源环境时，能完全满足现场工作时间的要求。

附图说明

图1 为本发明实施例所提供的一种便携式回路电流调试装置的结构框架图。

图2 为本发明实施例所提供的一种便携式回路电流调试装置的总体软件流程图。

图3为本发明实施例所提供的一种便携式回路电流调试装置的触摸显示屏通信串口电路图。

图4为本发明实施例所提供的一种便携式回路电流调试装置的电平转换电路图。

图5为本发明实施例所提供的一种便携式回路电流调试装置的手动试验控制界面。

图6为本发明实施例所提供的便携式回路电流调试装置内部PCB结构。

图7为本发明实施例所提供的用于收纳便携式回路电流调试装置的便携式手提箱内部结构。

具体实施方式

为使本发明实施例的技术方案和优点更加清晰，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更清楚、完整的描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请实施例中，提及的“第一”“第二”等字样用于对作用和功能基本相同的相同项或相似项进行区分，“至少一个”是指一个或多个，“多个”的含义是指两个或两个以上，例如，多个对象指两个或两个以上的对象。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的信息涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的信息及其等同，并不排除其他信息。在本申请实施例中提及的“和/或”，表示可以存在三种关系，字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

请参考图1，图1为本发明实施例所提供的一种便携式回路电流调试装置的结构框架图。该装置应用于铁路施工现场电流回路相关的继电保护方面的参数测试。包括：蓄电池、电源处理电路、处理器、电流放大电路、电平转换电路、触摸显示屏。

其中，蓄电池经过电源处理电路对电流放大电路、单片机、触摸屏供电；单片机输出信号经过放大电路的放大，通过航插接口和导线输送给过流保护设备；过流保护设备在接收到电流信号后，其自身保护装置会做出相应的动作，该动作信号作为本装置的开入量，经过电平转换电路发送给单片机；另外单片机也可产生开关信号经过电平装换电路发送给过流保护设备，即开出信号，令过流保护设备做出对应的开关动作。单片机与触摸屏则通过RS232串口相连，通过在触摸屏上操作给单片机发送指令，单片机反馈回来的信息也可在触摸屏上有对应的显示。

其中，本实施例提供的便携式回路电流调试装置可以通过电源适配器连接交流电源供电，或仅由蓄电池供电。可以兼顾有电源和无电源施工现场的需要。

需要说明的是，本实施例选用带有DAC外设的处理器，减少了电路的复杂度。由DAC生成高精度的模拟小信号，再通过电流放大电路对该信号的电流幅值进行调节。对于电流放大电路的具体结构，本实施例不进行限制。

请参考图2，图2为本发明实施例所提供的便携式回路电流调试装置的总体软件流程图。其中为了使软件更直观灵活以及提高程序编译执行效率、可读性和可移植性，软件程序可以选用C语言来编写、使用Keil uVision5集成开发环境编程、Altium Designer设计电路原理图和封装图、触摸屏开发软件设计触摸屏界面。CPU 软件程序包括主程序、定时采样程序和处理中断程序。

在一个实施例中，连接便携式回路电流调试装置与牵引供电系统过流保护设备,打开便携式回路电流调试装置电源，首先单片机启动各种初始化配置，这里用到单片机的两个ADC引脚，一个ADC用于采集蓄电池电压，并通过触摸屏显示电池电量，每500ms刷新一次；另一个ADC用于接收来自触摸屏的信号，通过在在触摸屏上设置输出电流的幅值、频率和持续时间，然后点击触摸屏菜单上的启动按钮，单片机通过ADC从触摸屏接收电流数据，然后通过DAC生成对应的电流信号，再经运算放大器放大，向过流保护设备输送电流，并开始计时；过流保护设备接收到电流后，若该电流信号满足动作阈值会触发相应的动作，单片机计时器记录动作时间，然后清除寄存器和数据标志，此处为单个流程的结束位置，此时继续操作触摸屏则重复该流程。

其中电流生成采用带数模转换功能的单片机处理器加运算放大器的方式，通过软件编程的方式设定所需波形的数值-时间序列，通过对所需周期波形进行采样，然后将采样所得的点存在一个数组里，由于STM32F107的DAC是12位的，其DAC的赋值范围为[0,4095]。例如用{...3951,3942,...2872,2849,...}共500个元素的数组表示一个周期的正弦序列，然后将数组里的值映射成端口的电压值，配置好定时器的频率，定时器每触发一次输出一个对应的电压值，0.02s的时间输出500个值，则可获得50HZ的交流正弦电流。数值-时间序列经过数模转换模块将数字量转换成对应的模拟信号；通过运算放大器组成的电流放大电路对该信号进行放大，使其满足输出电流的幅值要求。软件编程的方式使电流的幅值和频率可以任意调节，且可以获得正弦波、三角波、方波等多种信号类型。电路结构简单，且精度较高、开发周期短。

单片机设置为自带两路12位高速ADC，无需外加数模转换功能的芯片；相对于同样具有ADC功能的DSP，具有芯片价格低、功率损耗小、发热量小、和芯片面积小的优点，可以有效减小设备体积；另外处理能力能够满足高精度电流信号的需要。

请参考图3，图3为本发明实施例所提供的便携式回路电流调试装置的处理器串口电路图。其中处理器串口与触摸屏的串口通过连接线和单排6列插针连接器连接，实现上下位机的通信。上电后，用户在触摸屏上的设置信号会通过串口传送给处理器，处理器把以上数据处理完之后，再通过串口输出信号反馈给触摸屏，从而实现上下位机的通信。

单片机的串口与触摸屏的串口通过连接线连接，实现上下位机的通信。通电后，用户在触摸屏上的设置信号会通过串口传送给单片机，单片机把以上数据处理完之后，再通过串口输出信号反馈给触摸屏，从而实现上下位机的通信。串口模式为 8n1，即每个数据传送采用十个位，包括 1 个起始位，8 个数据位，1 个停止位。串口的所有指令或数据都是16 进制（HEX）格式。

串口其中一个端口接输入工作电压，6个端口接地，TXD和TXD4为两个输出端口，负责发送数据；RXD和RXD4为输入端口，负责接收数据；单片机的输出/输入端口与显示屏的输入/输出端口相连。

请参考图4，图4为本发明实施例所提供的便携式回路电流调试装置的电平转换电路。通过三极管和光电耦合器实现TTL电平与RS232电平的转换。

单片机工作电压为5V，而过流保护设备所需电平信号为12V，因此需要用转换电路进行电平转换。其中U1为光电耦合器，由发光二极管和光敏晶体管封装而成，实现电信号—光信号—电信号的转换过程，因其输入和输出之间没有电气连接，一端信号异常时不会传导至另一端，所以拥有良好的电绝缘能力和抗干扰能力，能够有效防止芯片和接口的损坏。

当单片机输出电平信号并转换为开出信号时，单片机的一个输出端口通过电阻R1与左侧三极管的基极相连，当单片机输出高电平时，电流流经三极管基极使该三极管导通，进而光耦合器中的发光二极管导通发出光信号，光敏晶体管接受到光信号后导通，电流流经右侧三极管基极使其导通，D1端输出12V开出电平信号，通过航插接口送入过流保护设备，同时LED1发光作为导通信号。 接收开入信号的过程与之类似，即开入信号产生电流使三极管导通，进而通过光电耦合器转换成5V的工作电压输送给单片机。

本实施例提供的上述电平转换电路，相较于现有技术中的电平转换电路，能实现成本更低、抗干扰能力强，能够有效防止芯片和接口的损坏。

请参考图5，图5为本发明实施例所提供的便携式回路电流调试装置的触摸屏控制界面。包括输出电流设置、电流频率设置、电流持续时间设置、长时输出启动按钮、开入开出按钮、步长调整设置、启动停止按钮、输出时间记录等功能。本实施例提供的便携式回路电流调试装置规避了传统的按键旋钮+显示屏的操作模式，合理利用了设备表面空间。依据设备功能需要为触摸屏设计了相应的操作页面，人机界面友好，操作简单方便。

请参考图6，图6为本发明实施例所提供的便携式回路电流调试装置的三层PCB结构。其中触摸显示屏位于第一层；处理器、电平转换电路及相关电子器件位于第二层正面；蓄电池、电源处理电路、充电插口和电源开关设于第二层背面；第二层与第三层之间加装散热风扇；电流放大电路和航插接口设置在第三层，第三层板设计成L形状，与蓄电池处于同一平面，配合上述硬件电路结构的设置，不额外增加装置的厚度，以使得装置携带更为方便。

请参考图7，图7为本发明实施例所提供的用于收纳便携式回路电流调试装置的便携式手提箱。为了方便工作人员的使用，本实施例所提供的箱体外壳为PVC材质，内层为泡沫棉材质，并设计用于安放仪器和电源适配器的凹槽，既方便测试人员携带，又能起到对仪器的保护作用。

本申请提供的便携式电流回路调试装置，可以实现调试精度高、体积小、价格低、易操作，又能满足施工现场无电源环境等问题的需求。

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种便携式回路电流调试装置，用于铁路牵引供电系统过流保护设备进行回路电流调试，其特征在于，包括：所述便携式回路电流调试装置包括三层PCB板，

其中，第一层PCB板上设置触摸显示屏；

第二层PCB板正面设置单片机、电平转换电路；

第二层PCB板背面设置有蓄电池、电源处理电路、充电插口和电源开关；

所述第二层PCB板与第三层PCB板之间加装散热风扇；

第三层PCB板设置电流放大电路和航插接口，所述第三层PCB板为L形，并且与所述蓄电池处于同一平面；

所述蓄电池与所述电源处理电路连接，所述蓄电池经过电源处理电路对所述电流放大电路、所述单片机、以及所述触摸显示屏进行供电；

所述单片机输出信号经过所述电流放大电路放大后，通过航插接口和导线输送给所述过流保护设备，以使得所述过流保护设备输出动作信号，所述动作信号作为开入信号经过所述电平转换电路发送给所述单片机；

所述单片机的开关信号经过所述电平转换电路发送给所述过流保护设备，输出开出信号，以使得所述过流保护设备做出相应的开关动作；

所述电平转换电路包括光电耦合器，所述光电耦合器由第一发光二极管U1和光敏晶体管封装而成；所述电平转换电路还包括电阻R1、第一三极管N1、电阻R20、电容C7、第二三极管N3、第二发光二极管LED1；

所述单片机的输出端口通过所述电阻R1与所述第一三极管N1的基极相连，当所述单片机输出电平信号并转换为所述开出信号时，电流流经所述第一三极管N1基极使该第一三极管N1导通，光电耦合器中的第一发光二极管U1导通发出光信号，所述光敏晶体管接收到光信号后导通，电流流经所述第二三极管N3的基极使其导通，所述第二三极管N3集电极D1端输出所述开出信号，通过航插接口送入所述过流保护设备；

所述单片机的串口与所述触摸显示屏的串口通过连接线连接，实现上、下位机的通信；

所述单片机通过串口接收所述触摸显示屏的设置信号，再通过串口将输出信号反馈给所述显示屏；

所述串口的运行模式为8N1，包括1个起始位、8个数据位、1个停止位；

所述串口的其中一个端口用于输入工作电压，六个端口接地，TXD和TXD4两个输出端口，用于发送数据；RXD和RXD4两个输入端口，用于接收数据；

所述单片机的输出/输入端口与所述触摸显示屏的输入/输出端口相连。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述单片机的控制过程为：

启动初始化配置，其中第一ADC引脚用于采集所述蓄电池电压，并通过触摸显示屏显示所述蓄电池电量，每隔一定时间刷新显示；

所述单片机通过第二ADC引脚从所处触摸显示屏接收电流设定数据，通过所述单片机连接的DAC生成对应的电流信号，经电流放大电路放大，向所述过流保护设备输送电流；

所述过流保护设备接收到电流信号后，若该电流信号满足动作阈值则触发相应动作，所述单片机的计时器记录动作时间后，清除寄存器和数据标志。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：

向所述过流保护设备输送的电流的生成过程为：

步骤1，通过软件编程的方式设定所需波形的数值-时间序列；

步骤2，通过对所需周期波形进行采样，将采样所得的点存在一个数组里；

步骤3，对DAC的赋值范围为[0,4095]；

步骤4，将数组里的值映射成端口的电压值，配置定时器的频率，定时器每触发一次输出对应电压值，0.02s的时间输出500个值，即可获得50HZ的交流正弦电流。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：

所述触摸显示屏用于电流幅值设置、电流频率设置、动作时间记录、电量显示功能，以及开入、开出和仪器启动。

Images