電氣設(shè)備工作時(shí)，其各部件的能耗情況可直觀反映設(shè)備的狀態(tài)。對(duì)電氣設(shè)備及相關(guān)部件進(jìn)行電量檢測和實(shí)時(shí)監(jiān)測，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障檢測和設(shè)備狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測。基于對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理分析，可實(shí)時(shí)判斷出設(shè)備故障；基于對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢(shì)的分析，還可預(yù)測并預(yù)防設(shè)備故障。

對(duì)車載設(shè)備的檢測有多種應(yīng)用情況。例如：①車載門控開關(guān)門操作時(shí)間很短，只有幾秒鐘；②一般情況下，刮雨器在下雨時(shí)才工作，存在長時(shí)間不運(yùn)用及突發(fā)性運(yùn)用情況；③空調(diào)工作時(shí)，存在多種運(yùn)行工況，各種工況下能耗并不一致。

在這些應(yīng)用中，可采用萬用表、電流表、示波器等儀器進(jìn)行測量，但存在系統(tǒng)應(yīng)用受限、設(shè)備使用不便、設(shè)備價(jià)格高等因素。例如，車輛載客運(yùn)營情況下，無法采用相關(guān)設(shè)備對(duì)目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，只能在車輛回庫后再進(jìn)行處理，此時(shí)，車輛狀態(tài)與載客運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)存有差異。在用電流表和萬用表檢測門控驅(qū)動(dòng)器和電動(dòng)機(jī)能耗情況時(shí)，對(duì)幾秒內(nèi)的電量進(jìn)行檢測時(shí)間太短，測試結(jié)果無法準(zhǔn)確表征被測量物體在某一時(shí)刻的特征。

當(dāng)檢測空調(diào)運(yùn)行時(shí)的能耗情況時(shí)，電壓和電流均較大，可在屏柜內(nèi)進(jìn)行，但操作安全要求高；若采用實(shí)時(shí)無線方式，則在高效獲取大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的同時(shí)，規(guī)避了不安全的環(huán)境，并且不影響設(shè)備運(yùn)行或運(yùn)營狀態(tài)。因此，工業(yè)需求催生了可應(yīng)用于且不限于以上多種情形的嵌入式電量檢測設(shè)備。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嵌入式電量檢測設(shè)備實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)檢測電量、無線傳輸數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)輸出信息等功能，可應(yīng)用于多種場景，如便攜式應(yīng)用、固定安裝、蓄電池供電等。嵌入式電量檢測設(shè)備由電流傳感器、低功耗嵌入式處理器、WiFi模塊和輸入/輸出模塊等組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 嵌入式電量檢測設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 電流傳感器

系統(tǒng)采用耀華德昌的霍爾電流傳感器[1]，其接口由電源、地、信號(hào)輸出等組成。傳感器供電電壓為+5V，額定模擬量輸出為2.5V±0.625V，電流消耗小于40mA，精度為0.5%，線性度小于0.1%；輸入電流測量范圍可選，從10～100A，甚至更大范圍。對(duì)于傳感器，既可采用閉環(huán)式固定安裝，也可采用開合式懸掛安裝，其安裝方式示意圖如圖2所示。

圖2 電流傳感器安裝方式示意圖

1.2 處理器

系統(tǒng)采用了集成ATSAMD21J18A處理器的SAM D21評(píng)估板[2]。該處理器平臺(tái)集成USB接口，I/O和總線接口均通過3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展頭引出。SAM D21基于ARM Cortex-M0+處理器，最高運(yùn)行頻率可達(dá)48MHz；提供52個(gè)可編程I/O接口；集成了一個(gè)12位，350ksps（采用點(diǎn)/秒）的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可同時(shí)采樣20個(gè)通道。

1.3 WiFi模塊

系統(tǒng)采用WINC1500 WiFi功能模塊，支持802.11 b/g/n標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)行于2.4G ISM頻段。該模塊通過標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展頭與SAM D21連接。在設(shè)備使用無線通信功能時(shí)，需要有WiFi覆蓋，設(shè)備采用無線通信方式連接至公共網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)器。

1.4 輸入/輸出模塊

系統(tǒng)通過按鍵實(shí)現(xiàn)功能選擇和參數(shù)設(shè)定，采用發(fā)光二極管（light emitting diode, LED）和液晶顯示器（liguid crystal display, LCD）顯示系統(tǒng)信息。輸入/輸出模塊通過標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展頭與SAM D21連接，如圖3所示。

圖3 輸入/輸出模塊

1.5 系統(tǒng)供電方式

系統(tǒng)有3種供電方式。

• 方式1：采用開關(guān)電源模塊，將220V 50Hz交流電源轉(zhuǎn)換為5V直流電源輸出。
• 方式2：直接通過USB接口從電腦等相關(guān)設(shè)備獲取電源。采用USB連接電腦取電時(shí)，可以通過電腦超級(jí)終端采用USB接口直接從系統(tǒng)獲取電量檢測信息。
• 方式3：采用便攜式蓄電池供電，如3.7V 5000mAh的可充電鋰電池。該方式需起動(dòng)設(shè)備低功耗模式功能，應(yīng)用于間歇式的電量數(shù)據(jù)采集。

2 系統(tǒng)（協(xié)議、算法）實(shí)現(xiàn)

2.1 超文本傳送協(xié)議方法

系統(tǒng)采用RESTful架構(gòu)原則，使用統(tǒng)一接口進(jìn)行資源的訪問。通信接口使用標(biāo)準(zhǔn)的超文本傳送協(xié)議（hypertext transport protocol, HTTP）POST方法。

POST請(qǐng)求數(shù)據(jù)如下：

#Request

POST /default.ashx HTTP/1.1

Host: itw.crrcckm.com

Accept: */*

Content-Type: application/json

Content-Length: 517

"{\"project\":\"scs\",\"train\":\"scs14\",\"system\":\"cabinet\",\"saloon\":\"mc1\",\"instruction\":\"current\",\"style\":\"maximum\",\"specification\":[{\"position0\":\"1u\",\"data0\":10.01 ,\"position1\":\"1v\",\"data1\":10.01 ,\"position2\":\"1w\",\"data2\":10.01 ,\"position3\":\"2u\",\"data3\":10.01 ,\"position4\":\"2v\",\"data4\":10.01 ,\"position5\":\"2w\",\"data5\":10.01 ,\"position6\":\"3u\",\"data6\":10.01 ,\"position7\":\"3v\",\"data7\":10.01 ,\"position8\":\"3w\",\"data8\":10.01 ,\"position9\":\"4u\",\"data9\":10.01 ,\"position10\":\"4v\",\"data10\":10.01 ,\"position11\":\"4w\",\"data11\":10.01 }]}"

無論服務(wù)器響應(yīng)成功與否，均返回相關(guān)內(nèi)容。若服務(wù)器響應(yīng)成功，即接收數(shù)據(jù)正確、動(dòng)作被理解并接受，則返回2XX相關(guān)信息（X代表0—9中的任何一個(gè)數(shù)字）。如下所示：

#Response

HTTP/1.1 200 OK

表明該請(qǐng)求被成功地完成，一切正常。

2.2 電流監(jiān)測

對(duì)于直流和交流電，監(jiān)測一定周期的電流值，采用積分的方式對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，即可獲得周期內(nèi)的電流有效值。

公式1

2.3 交流頻率檢測

系統(tǒng)采用自動(dòng)方式檢測電流頻率。在檢測電流的過程中，自動(dòng)對(duì)電流頻率進(jìn)行檢測。采用過零檢測方法，可以很好地檢測交流電源的頻率。在采用過零檢測方法時(shí)，系統(tǒng)需要確定檢測基準(zhǔn)，即無電流情況電流傳感器信號(hào)輸出，如圖4所示。

圖4 無電流情況電流傳感器信號(hào)輸出

2.4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文基于模塊化的設(shè)計(jì)思想，研制了嵌入式電量檢測設(shè)備，如圖5所示。從圖5可看出，嵌入式電量檢測設(shè)備由控制盒、開關(guān)電源、處理器、WiFi模塊、信號(hào)和電源接口板以及電流傳感器等組成。

圖5 嵌入式電量檢測設(shè)備

對(duì)于需要輸入/輸出模塊的應(yīng)用場合，需要將輸入/輸出模塊直接連接或通過排線連接至處理器評(píng)估板標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展頭，并將相關(guān)程序需編寫到處理器、燒錄至板載存儲(chǔ)器中，即可實(shí)現(xiàn)輸入/輸出功能的集成。

基于模塊化、流程化和面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的思想，采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，使用C/C++編程語言，設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)設(shè)備功能。嵌入式電量檢測設(shè)備狀態(tài)機(jī)如圖6所示。

圖6 嵌入式電量檢測設(shè)備狀態(tài)機(jī)

3 系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 對(duì)空調(diào)風(fēng)機(jī)電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測

車載空調(diào)由空調(diào)控制單元、空氣壓縮機(jī)、冷凝器風(fēng)機(jī)、空氣送風(fēng)機(jī)和溫度傳感器（新風(fēng)、回風(fēng)、送風(fēng)）等組成。其中，空調(diào)控制單元被安裝在車載屏柜，其他設(shè)備被安裝于車頂。送風(fēng)口和回風(fēng)口位于車廂頂部和座椅下方。均可將嵌入式電量檢測設(shè)備及電流傳感器安裝于空調(diào)屏柜等設(shè)備柜內(nèi)。在使用基于簡易安裝理念設(shè)計(jì)的嵌入式電量檢測設(shè)備時(shí)，可快速安裝；在使用完成后，可快速拆卸。整個(gè)過程對(duì)車載設(shè)備無影響。其安裝如圖7所示。

圖7 設(shè)備（控制盒、傳感器）安裝圖示

依據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，還可對(duì)安裝于車頂設(shè)備的各相電流進(jìn)行監(jiān)測，或?qū)收细怕蚀蟮脑O(shè)備的各相電流進(jìn)行監(jiān)測。

在車輛運(yùn)行過程中，對(duì)實(shí)時(shí)采集的電流數(shù)據(jù)需要無線傳輸至地面服務(wù)器，可通過電腦或大屏等終端實(shí)時(shí)顯示電流數(shù)據(jù)。基于數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)的分析，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，既可得知空調(diào)的工作情況（如運(yùn)行、停止、制冷、通風(fēng)、緊急通風(fēng)、火災(zāi)模式等），也可得知空調(diào)故障（如壓縮機(jī)故障、風(fēng)機(jī)三相不平衡等）情況。

3.2 刮雨器電動(dòng)機(jī)的電流檢測

系統(tǒng)電流采集速率最高可以達(dá)到350ksps。當(dāng)系統(tǒng)采用超級(jí)終端實(shí)時(shí)顯示時(shí)，限于超級(jí)終端數(shù)據(jù)傳輸速率，最高頻率可以達(dá)到約1kHz。

車載刮雨器具備低速和快速兩種工作模式。通過司機(jī)操作臺(tái)上的按鈕，可控制刮雨器在不同工況下工作，實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。項(xiàng)目中采用的刮雨器直流電動(dòng)機(jī)功率為130W，額定電流為1.2A。

項(xiàng)目中，選擇了3家供應(yīng)商的雨刮條，除了雨刮條，保持其他所有變量（如控制器、雨刮臂、玻璃等）不變，分別測試了快速工況和慢速工況下的刮雨器電動(dòng)機(jī)電流的情況（每次測試時(shí)，電動(dòng)機(jī)工作時(shí)間約為10s/圖），如圖8所示。

從圖8中可看出，刮雨器電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，電流峰值較大，約為正常工況狀態(tài)電流峰值的100%～200%。在慢速和快速工況狀態(tài)下，采用不同刮臂，刮雨器電動(dòng)機(jī)平均電流的消耗情況見表1。

測試結(jié)果表明，采用不同的刮臂，對(duì)刮雨器電動(dòng)機(jī)功率影響有限，刮雨器電動(dòng)機(jī)電流均在額定電流范圍內(nèi)。

圖8 慢速和快速工況下刮雨器電動(dòng)機(jī)電流情況圖

表1 慢速和快速工況下刮雨器電動(dòng)機(jī)平均電流的消耗情況

4 結(jié)論

相較于通用的電流檢測裝置和示波器，嵌入式電量檢測設(shè)備更貼合具體實(shí)際工程的應(yīng)用需求，具有系統(tǒng)成本低、采集精度優(yōu)、速率高、安裝簡易和使用方便等特點(diǎn)。該設(shè)備具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)打印和數(shù)據(jù)無線傳輸功能，還具有通用性，依據(jù)應(yīng)用需求，可進(jìn)行功能定制。

針對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測應(yīng)用，該平臺(tái)需通過WiFi節(jié)點(diǎn)連接至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，采用HTTP等方式實(shí)時(shí)提交監(jiān)測數(shù)據(jù)。針對(duì)檢測應(yīng)用，可將數(shù)據(jù)通過WiFi方式提交至服務(wù)器，也可通過超級(jí)終端方式將檢測數(shù)據(jù)打印至配套的電腦終端，再通過電腦軟件對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，由技術(shù)人員結(jié)合相關(guān)專業(yè)知識(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

該系統(tǒng)針對(duì)一定的應(yīng)用場景實(shí)現(xiàn)了對(duì)電量檢測、交流頻率檢測和交直流電流檢測。對(duì)于更廣泛的應(yīng)用，還需進(jìn)一步優(yōu)化相關(guān)算法和驗(yàn)證相關(guān)參數(shù)。