電氣設備工作時，其各部件的能耗情況可直觀反映設備的狀態。對電氣設備及相關部件進行電量檢測和實時監測，可以實現設備故障檢測和設備狀態，實時監測。基于對監測數據的處理分析，可實時判斷出設備故障；基于對相關數據發展趨勢的分析，還可預測并預防設備故障。

對車載設備的檢測有多種應用情況。例如：①車載門控開關門操作時間很短，只有幾秒鐘；②一般情況下，刮雨器在下雨時才工作，存在長時間不運用及突發性運用情況；③空調工作時，存在多種運行工況，各種工況下能耗并不一致。

在這些應用中，可采用萬用表、電流表、示波器等儀器進行測量，但存在系統應用受限、設備使用不便、設備價格高等因素。例如，車輛載客運營情況下，無法采用相關設備對目標設備進行實時檢測，只能在車輛回庫后再進行處理，此時，車輛狀態與載客運行時的狀態存有差異。在用電流表和萬用表檢測門控驅動器和電動機能耗情況時，對幾秒內的電量進行檢測時間太短，測試結果無法準確表征被測量物體在某一時刻的特征。

當檢測空調運行時的能耗情況時，電壓和電流均較大，可在屏柜內進行，但操作安全要求高；若采用實時無線方式，則在高效獲取大量實時數據的同時，規避了不安全的環境，并且不影響設備運行或運營狀態。因此，工業需求催生了可應用于且不限于以上多種情形的嵌入式電量檢測設備。

1 系統設計

嵌入式電量檢測設備實現了實時檢測電量、無線傳輸數據、實時輸出信息等功能，可應用于多種場景，如便攜式應用、固定安裝、蓄電池供電等。嵌入式電量檢測設備由電流傳感器、低功耗嵌入式處理器、WiFi模塊和輸入/輸出模塊等組成，其系統結構框圖如圖1所示。

圖1 嵌入式電量檢測設備的系統結構框圖

1.1 電流傳感器

系統采用耀華德昌的霍爾電流傳感器[1]，其接口由電源、地、信號輸出等組成。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。對于傳感器，既可采用閉環式固定安裝，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

系統采用了集成ATSAMD21J18A處理器的SAM D21評估板[2]。該處理器平臺集成USB接口，I/O和總線接口均通過3個標準擴展頭引出。SAM D21基于ARM Cortex-M0+處理器，最高運行頻率可達48MHz；提供52個可編程I/O接口；集成了一個12位，350ksps（采用點/秒）的模數轉換器，可同時采樣20個通道。

1.3 WiFi模塊

系統采用WINC1500 WiFi功能模塊，支持802.11 b/g/n標準，運行于2.4G ISM頻段。該模塊通過標準擴展頭與SAM D21連接。在設備使用無線通信功能時，需要有WiFi覆蓋，設備采用無線通信方式連接至公共網絡上的服務器。

1.4 輸入/輸出模塊

系統通過按鍵實現功能選擇和參數設定，采用發光二極管（light emitting diode, LED）和液晶顯示器（liguid crystal display, LCD）顯示系統信息。輸入/輸出模塊通過標準擴展頭與SAM D21連接，如圖3所示。

圖3 輸入/輸出模塊

1.5 系統供電方式

系統有3種供電方式。

• 方式1：采用開關電源模塊，將220V 50Hz交流電源轉換為5V直流電源輸出。
• 方式2：直接通過USB接口從電腦等相關設備獲取電源。采用USB連接電腦取電時，可以通過電腦超級終端采用USB接口直接從系統獲取電量檢測信息。
• 方式3：采用便攜式蓄電池供電，如3.7V 5000mAh的可充電鋰電池。該方式需起動設備低功耗模式功能，應用于間歇式的電量數據采集。

2 系統（協議、算法）實現

2.1 超文本傳送協議方法

系統采用RESTful架構原則，使用統一接口進行資源的訪問。通信接口使用標準的超文本傳送協議（hypertext transport protocol, HTTP）POST方法。

POST請求數據如下：

#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 }]}"

無論服務器響應成功與否，均返回相關內容。若服務器響應成功，即接收數據正確、動作被理解并接受，則返回2XX相關信息（X代表0—9中的任何一個數字）。如下所示：

#Response

HTTP/1.1 200 OK

表明該請求被成功地完成，一切正常。

2.2 電流監測

對于直流和交流電，監測一定周期的電流值，采用積分的方式對其進行計算，即可獲得周期內的電流有效值。

公式1

2.3 交流頻率檢測

系統采用自動方式檢測電流頻率。在檢測電流的過程中，自動對電流頻率進行檢測。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，系統需要確定檢測基準，即無電流情況電流傳感器信號輸出，如圖4所示。

圖4 無電流情況電流傳感器信號輸出

2.4 系統實現

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

圖5 嵌入式電量檢測設備

對于需要輸入/輸出模塊的應用場合，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估板標準擴展頭，并將相關程序需編寫到處理器、燒錄至板載存儲器中，即可實現輸入/輸出功能的集成。

基于模塊化、流程化和面向對象程序設計的思想，采用實時操作系統，使用C/C++編程語言，設計系統軟件，實現設備功能。嵌入式電量檢測設備狀態機如圖6所示。

圖6 嵌入式電量檢測設備狀態機

3 系統應用

3.1 對空調風機電流的實時監測

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

圖7 設備（控制盒、傳感器）安裝圖示

依據實際應用需求，還可對安裝于車頂設備的各相電流進行監測，或對故障概率大的設備的各相電流進行監測。

在車輛運行過程中，對實時采集的電流數據需要無線傳輸至地面服務器，可通過電腦或大屏等終端實時顯示電流數據。基于數據或對數據的分析，結合經驗模型，既可得知空調的工作情況（如運行、停止、制冷、通風、緊急通風、火災模式等），也可得知空調故障（如壓縮機故障、風機三相不平衡等）情況。

3.2 刮雨器電動機的電流檢測

系統電流采集速率最高可以達到350ksps。當系統采用超級終端實時顯示時，限于超級終端數據傳輸速率，最高頻率可以達到約1kHz。

車載刮雨器具備低速和快速兩種工作模式。通過司機操作臺上的按鈕，可控制刮雨器在不同工況下工作，實現相關功能。項目中采用的刮雨器直流電動機功率為130W，額定電流為1.2A。

項目中，選擇了3家供應商的雨刮條，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機電流的情況（每次測試時，電動機工作時間約為10s/圖），如圖8所示。

從圖8中可看出，刮雨器電動機起動時，電流峰值較大，約為正常工況狀態電流峰值的100%～200%。在慢速和快速工況狀態下，采用不同刮臂，刮雨器電動機平均電流的消耗情況見表1。

測試結果表明，采用不同的刮臂，對刮雨器電動機功率影響有限，刮雨器電動機電流均在額定電流范圍內。

圖8 慢速和快速工況下刮雨器電動機電流情況圖

表1 慢速和快速工況下刮雨器電動機平均電流的消耗情況

4 結論

相較于通用的電流檢測裝置和示波器，嵌入式電量檢測設備更貼合具體實際工程的應用需求，具有系統成本低、采集精度優、速率高、安裝簡易和使用方便等特點。該設備具有實時數據打印和數據無線傳輸功能，還具有通用性，依據應用需求，可進行功能定制。

針對實時監測應用，該平臺需通過WiFi節點連接至網絡服務器，采用HTTP等方式實時提交監測數據。針對檢測應用，可將數據通過WiFi方式提交至服務器，也可通過超級終端方式將檢測數據打印至配套的電腦終端，再通過電腦軟件對相應的數據進行處理，由技術人員結合相關專業知識對數據進行進一步分析。

該系統針對一定的應用場景實現了對電量檢測、交流頻率檢測和交直流電流檢測。對于更廣泛的應用，還需進一步優化相關算法和驗證相關參數。