基于CAN总线的电车漏电检测装置的研制
0 引 言
由于石油资源的日益紧缺和人们环保意识的提高，新型动力交通工具不断涌现，如：氢燃料汽车、乙醇燃料汽车等，其中以电能作动力的环保型交通工具发展更为迅速。载有蓄电池的无轨电车是最具发展潜力的公共交通工具，它除了具有电车的优点以外，还省去了架设部分供电线路的优点，对美化城市起到极其重要的作用。据资料显示，北京在2008年就有近800辆的这种“准”无轨电车投入运营。然而，由于这样大型的电车内部蓄电池数量非常多，供电电压达到500 V之高，所以绝缘和漏电的处理技术一直是困扰电车开发人员的一大难题。目前，电车供电系统采用了多重逆变技术，把低压24 V供电与高压电动机驱动部分、大型充电机部分进行严格隔离，并安装了与大地接触的放电铁链，使得漏电问题得到了很好的解决。但是，在偶发情况特别是雨天天气环境下，依然会出现乘客上车过程中被电击的现象。针对此，实时测量放电铁链即大地与车皮之间电压的漏电检测装置的研制就非常必要。
1 工作原理
本装置安装于电车内部，供电电压为电车上的低压24 V电源(实际工作电压在18～36 V)，装置本身装有3颗LED指示灯，分别是系统工作电源指示绿灯、低压漏电30 V指示黄灯和高压漏电70 V以上指示红灯，其中1根接线为铁链引线，另外2根接线到前台仪表显示系统。系统框图如图1所示。
电车车皮本身为低压电源的负极，从以往的实测和理论分析得出，被测铁链在漏电情况下达到了电车内部蓄电池的总电压，并且与车皮之间的电压呈现出正负的现象。所以，本系统在设计时充分考虑了上述情况，并在信号调理电路的设计上进行了处理。当被测信号与车皮之间电压在30～70 V之间或在-30～-70 V之间时本装置黄灯亮；当被测信号与车皮之间电压大于等于70 V或小于等于-70 V时本装置红灯亮。
2 系统电路设计及网络协议
本系统的核心控制器采用了ATME公司的高性能8位AVR单电感生产片机ATmega 16，其内部具有8路单端的10位ADC采集接口；16 KB的系统片内可编程FLASH，烧写次数达到数万次；1 KB的片内SRAM；具有32个可编程控制的I／O接口；同时还能达到16 MIPS的高运行速度。本装置采用外部扩展CAN控制器的方式，实现了与整车的CAN网络系统进行通信功能。
2．1 信号调理电路
此部分电路主要对被采集电压进行调理，最终转化为MCU能接受的0～5 V的电压范围；由于被采对象是个正负高电压信号，系统对于采集精度要求为±1 V。详细的设计电路如图2所示。
当Vin>0时，二极管D4导通，D2截止；输出到MCU的ADC0上的电压值为：
当Vin<0时，二极管D2导通一体电感，D4截止；输出到MCU的ADC1上的电压值为：
为保证调理后的电压值满足MCU的ADC接口电压要求，电路中采用了稳压管进行稳压保护；同时还添加了信号滤波电路进行平滑处理。2．2 CAN接口电路与网络编程协议
CAN接口电路采用了PHILIPS公司的SJA1000控制器和TJA1050高性能收发器。为了使本装置与电车上其他各路系统如蓄电池管理系统、发动机系统、仪表显示系统的电气隔离，该CAN接口的设计上采用了高速光耦6N137和单独的隔离5 V电源，隔离电压达到了电车电器部件隔离规范要求的3 000 V。详细设计如图3所示。
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备注：增加R5前，爆炸后光耦会损坏；增加R5后，爆