基于單片機的軌道靜態(tài)幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)

王　祥，王景存，黃　亮

(武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢　430081)

0　引言

鐵路運輸是鋼鐵生產(chǎn)過程中上下工序銜接的重要環(huán)節(jié)，其中靜態(tài)幾何參數(shù)則是軌道維護(hù)的主要依據(jù)。目前，在我國軌道狀態(tài)的日常檢查和維護(hù)過程中，主要靠人工拉弦線檢測軌向、軌道尺檢測水平和軌距等。人工檢查勞動強度大且準(zhǔn)確性差，已不能滿足鐵路維護(hù)與保養(yǎng)的需要[1]，故研制該系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)組成

電氣系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。里程傳感器、傾角傳感器、位移傳感器經(jīng)過各自相應(yīng)的信號調(diào)理電路將采集到信號進(jìn)行調(diào)整，然后送往單片機處理。一方面，在工業(yè)串口顯示屏LCM中實時顯示測量結(jié)果，數(shù)據(jù)超限時啟動聲光報警，通過觸摸顯示屏還能設(shè)置各項參數(shù)或進(jìn)行儀器的校準(zhǔn)；另一方面，文件系統(tǒng)把數(shù)據(jù)存儲到U盤里，結(jié)合專用的數(shù)據(jù)分析軟件，能方便地在上位機中進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)。

圖1　系統(tǒng)組成框圖

2　硬件電路設(shè)計

2．1傾角傳感器信號調(diào)理電路

選用的傾角傳感器是基于3D-MEMS技術(shù)制作的單軸傾角傳感器，具有內(nèi)部溫度測量和補償功能，在工作溫度范圍內(nèi)，產(chǎn)品精度能夠保持在±0．005°。輸出形式為RS232，經(jīng)MAX3232芯片轉(zhuǎn)換成TTL電平后與單片機通信。

2．2里程傳感器信號調(diào)理電路

里程傳感器的核心是光耦，齒輪對光線的遮擋使光耦產(chǎn)生脈沖信號。為了確保被單片機接收的信號準(zhǔn)確無誤，需對該脈沖信號進(jìn)行整形。如圖2所示，是以NE555芯片為核心構(gòu)成的施密特觸發(fā)器，用于脈沖整形[2]。LI_POW端與限流電阻R26連接后給光耦供電。LI_SIGN端是由光耦輸出的脈沖信號，輸入到NE555的第6腳。R27為輸入端的上拉電阻。整形后的信號由芯片第3腳輸出給單片機。

圖2　脈沖整形電路原理圖

2．3位移傳感器信號調(diào)理電路

位移傳感器信號的調(diào)理電路分為電阻橋、運算放大器、A/D轉(zhuǎn)換等3個部分。如圖3所示，MC1403電壓基準(zhǔn)源為電阻橋電路提供2．5 V的參考電壓。該芯片具有較廣的輸入電壓范圍，溫漂系數(shù)小，輸出電壓較為穩(wěn)定，由2引腳輸出準(zhǔn)確的電壓參考，保證了測量的精確性。

圖3　電阻橋電路原理圖

電阻橋由位移傳感器、3個精密電阻和1個電位器組成。位移傳感器由精密導(dǎo)電塑料制成，位移的變化與導(dǎo)電塑料的阻值線性相關(guān)?？梢詫⑵湟曌饕粋€滑動變阻器，W_OUT1即位移傳感器的中間抽頭。利用電位器VR1調(diào)節(jié)電阻橋的平衡，直至W_OUT1和W_OUT2兩端電壓相等。當(dāng)位移發(fā)生變化時，W_OUT2端的電壓固定不變，而W_OUT1端的電壓相應(yīng)發(fā)生變化，這兩端產(chǎn)生的電壓差送入運算放大器AD623的輸入端。

對于運算放大器的選型，要求其輸入電阻高，輸入失調(diào)電壓小，輸入失調(diào)電流小，共模抑制比高，溫度漂移小[3]。運算放大器AD623是集成單電源儀表放大器，它能在+3～+12 V時提供滿電源幅度的輸出。它支持使用電阻進(jìn)行增益編程，這樣能靈活地調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。AD623能提供極好的隨增益增大而增大的交流共模抑制比(AC CMRR)，從而減小誤差，還能提供很好的線性度，溫度穩(wěn)定性和可靠性[4]。

圖4是AD623的應(yīng)用電路。輸入為W_OUT1和W_OUT2之間的電壓差，經(jīng)放大后由AD_OUT端輸出。VR2最大阻值為100 kΩ，用來調(diào)節(jié)AD623的放大倍數(shù)。放大倍數(shù)根據(jù)實際所測的位移的范圍和所測位移的精度選取，放大倍數(shù)公式如下：

G=100/RG+1

式中：G為放大倍數(shù)；RG是VR2的阻值。

圖4　AD623放大電路原理圖

如圖5所示，放大后的電壓信號送入LTC1291進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。芯片的片選端CS(低電平有效)、數(shù)據(jù)輸入端DIN、數(shù)據(jù)輸出端DOUT、時鐘翻轉(zhuǎn)端CLK接到單片機的普通I/O口引腳。LTC1291分辨率為12 bit，轉(zhuǎn)換時間僅12 μs，滿足系統(tǒng)實時性需要。采用這款A(yù)/D轉(zhuǎn)換芯片，測量的理想軌距精度達(dá)±0．01 mm．

圖5　A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖

2．4文件管理控制電路

市場上較為成熟的USB接口設(shè)計方案有2種。一種是采用自帶USB接口的微處理器。但是由于這些處理器不兼容過去的開發(fā)系統(tǒng)，需使用與之配套的開發(fā)系統(tǒng)，開發(fā)成本較高。另一種是采用普通微處理器加專用的USB接口芯片。這種方案通用性強，易于開發(fā)。該系統(tǒng)使用USB接口芯片CH376和ATmega128單片機實現(xiàn)USB接口的設(shè)計。

CH376芯片是USB總線通用接口芯片，兼容USBV2．0，支持主機方式與設(shè)備方式。它有3種通信接口：8位并口、SPI接口和異步串口[5]。系統(tǒng)選用USB主機方式，使用異步串口和單片機進(jìn)行通信，單片機通過串口給CH376發(fā)送命令來管理文件。

CH376的外圍電路如圖6所示。CH376采用5 V供電，串口接收引腳RXD、發(fā)送引腳TXD對應(yīng)接入單片機串口0的發(fā)送與接收引腳。由于軟件設(shè)計采用查詢的方式檢測中斷，因此INT引腳連接到普通I/O口PE7(如果采用外部中斷方式，則將引腳連接到單片機對應(yīng)的外部中斷引腳上)，中斷請求低電平有效。ACT#引腳用于輸出指示狀態(tài)，在USB主機方式下，若USB設(shè)備斷開，則該引腳輸出高電平；若USB設(shè)備連接，則該引腳輸出低電平。將ACT#引腳與串了限流電阻的發(fā)光二極管LED1連接，用于指示USB設(shè)備的狀態(tài)。UD+和UD-引腳直接連接到USB總線上。CH376的串行通信波特率由D4、D5、D6引腳的電平組合設(shè)定，由于所選波特率為115 200 bit/s，故將D4、D6引腳懸空，D5引腳接地。

圖6　CH376外圍電路原理圖

3　軟件設(shè)計

如圖7所示，軟件部分的設(shè)計大致可分為2部分：一是數(shù)據(jù)的處理、儲存；二是參數(shù)設(shè)置及儀器校準(zhǔn)。

系統(tǒng)初始化后，首先從EEPROM中調(diào)出各項參數(shù)的設(shè)置，以便后續(xù)的計算與判斷。若無按鍵按下，則對傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計算出實際的水平、里程、軌距值，將結(jié)果顯示在屏幕中。之后判斷有無U盤連接，若有，則利用文件系統(tǒng)保存數(shù)據(jù)。另外判斷測量結(jié)果是否超限，若超限則啟動聲光報警。

若有按鍵按下，則進(jìn)入相應(yīng)的設(shè)置界面。若進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面，則可根據(jù)實際需要設(shè)定水平、軌距的報警值范圍，還能對系統(tǒng)時間、屏幕休眠時間進(jìn)行設(shè)定；若進(jìn)入儀器校準(zhǔn)界面，則可對位移值、水平值進(jìn)行線性化處理，完成對儀器的校準(zhǔn)，設(shè)置結(jié)果保存在EEPROM中。

圖7　軟件流程圖

4　結(jié)束語

除上述設(shè)計外，硬件上選用防水機箱，能適應(yīng)全天候作業(yè)需要；除使用大容量聚合物鋰電池外，還支持外掛電源，續(xù)航時間在8 h以上；軟件上，特設(shè)“上行”“下行”功能，能來回兩個方向?qū)﹁F軌進(jìn)行檢測；設(shè)置了U盤存儲開關(guān)，可根據(jù)需要靈活地選擇需要保存檢測數(shù)據(jù)的路段。該軌道靜態(tài)幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)成本較低，穩(wěn)定可靠，目前已在某大型鋼廠投入使用，運行良好。

參考文獻(xiàn)：

[1]龍京，應(yīng)立軍，賈文強．新型軌道靜態(tài)幾何參數(shù)檢測儀的研制與應(yīng)用．鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2006，3(2)：75-77．

[2]肖景和．555集成電路應(yīng)用精華．北京：人民郵電出版社，2007．

[3]HOROWITZ，PAUL．The art of electronics．London：Cambridge University Press，1989．

[4]許興明，李莉．一種大電容測量中模擬小信號放大電路的設(shè)計．電子測量技術(shù)，2012，35(10)：41-45．

[5]李萍，單葆悅，劉曉東，等．USB芯片CH376在智能儀器儀表中的應(yīng)用．計量與測試技術(shù)，2011，38(2)：9-10．