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    基于单片机的轨道压力测试仪的实现

      发布时间:2019-05-09 23:05

      轨道电路是信号联锁的室外重要设备,起着保证行车和调车作业安全的作用。它能监督检查某一固定区段内的线路(包括站线)是否有列车运行、调车作业或车辆占用的情况,并能显示该区段内的钢轨是否完整。它是以钢轨为导线,轨缝间用接续线连续起来,一端接电源,另一端连接受电器,通过轨道电流来工作。

      轨道电路能否正常工作直接影响到列车的安全行驶,因此,对轨道电路的检测尤为重要,目前市场上的检测设备还很少,而且普遍存在功耗大,价格昂贵,体积大等不足。为此,本文通过对轨道电路分析研究,设计一种高精度的压力测试仪器来模拟火车对轨道的压力,从而验证轨道电路的性能。

      本系统以PIC16F876A单片机为核心,通过软件编程实现其对数据处理、系统实时控制。系统框图如图1所示,由主控MCU模块、A/D采样模块、电源管理模块、显示模块和传感器组成。

      本系统各部分的主要功能是:电源管理主要负责对电池电压进行检测和升压稳压,当电压低于3V,系统停止工作,并进行欠压报警。主控MCU负责对采集来的压力信号进行数学计算,将电压信号转换为压力值,在数码管上显示,并可以进行手动调零及满量程调整。系统精度要求是±0.1kN;可以进行超量程报警和未接传感器报警。为了达到低功耗的目的,在软件中做了休眠和关机的功能。

      电源管理主要是对电池电压进行升压和稳压,同时还能够进行过压保护和低压报警功能。采用TPS60230芯片组成升压电路,TPS60230是TI公司生产的一种新型电荷泵DC/DC转换器。其应用原理如图2所示。电池的电压2~5.4V接入TPS60230输入脚IN,图中C1、C2为电荷泵电容,采用等效电阻小的电容。R1、R2分压来确定低电压报警门限,当低于R1、R2的分压值时,LBO输出低电平,单片机查询到有低电平后就控制模拟开关切断后续电路电源;输出5V接后面的模拟开关和单片机。

      根据精度要求,本系统采用ADI公司的16位A/D芯片AD7705,AD7705芯片将放大、滤波和A/D转换单元集于一体,是一种低成本、宽动态范围、高分辨率的A/D转换芯片。AD7705与单片机通过SPI进行数据通信,连接如图3所示,其中,CH1和CH2为差模输入通道,REF为满量程电平,通过调节RP1来设置满量程电平。单片机作为主机,通过四线(CS、SCLK、DI、DO)SPI与AD7705相连,DRDY为数据转换完成信号,低电平有效,与单片机RC2口相连,单片机查询到RC2口有低电平时,就开始向AD7705发读寄存器指令来获取AD值。CH1+和CH1-为来自压力传感器的压力信号,CH2+和CH2-为调零电位器送来的信号。

      显示与报警电路如图4所示,显示部分采用7段4位数码管显示,PORTB口连接数码管的段码,RC0、RC1、RC6、RC7口经过三极管驱动放大控制数码管的选择端。当单片机检测到RA1口有低电平信号后,控制模拟开关切断后续电路的电源,与此同时,D1和蜂鸣器B发出报警信号。当压力超过系统量程时,D2和蜂鸣器报警。为了区分低压报警和超量程报警,D1和D2采用不同的颜色,蜂鸣器在等间隔内响的次数不同。

      AD7705通过四线SPI与单片机通信,其读写时序图如图5(a)、(b)所示,读写过程中串行数据高位在前,低位在后。DRDY为低电平说明A/D已经转换完毕,数据已准备好,可以启动读写指令。任何时候要对AD7705进行读写操作都须检查DRDY是否为低。

      第一个是通信寄存器(communication Register),选择采集通道、下一次操作是读还是写,以及下一次读写哪一个寄存器。

      第二个是设置寄存器(Setup Register),决定校准模式、增益设置、极性设置以及缓冲模式。

      软件编程思路也是按这个顺序写的,先设置通信寄存器,其次写设置寄存器,最后设置时钟寄存器。设置完之后,只要检测到DRDY为低电平,就可以启动时钟来读取AD7705数据寄存器中已转换好的数据。

      数据处理主要是将电压信号转换成压力值,将采集来的数据进行转换。已知:传感器的参数为10mV对应的是30kN,A/D的满量程电压为1.5V,设采集的A/D值为K,设换算后的压力为X,10mV对应的A/D值为D,增益为64,则由以上参数可求出:

      因为单片机不支持浮点运算,为了能精确的显示结果,用软件模拟浮点除法运算,其主要思想是:定义一整型变量INTD,将除的结果存入INTD中,因为是整型变量,所以除法的结果只取了整数部分,例如5/4=1,模拟除法的算法主要依据这一特性。

      系统软件编程采用状态机机制,上电之后进行各个模块的初始化,包括I/O口初始化、定时器初始化、SPI初始化等。初始化完后进入系统循环,在循环体中根据任务标志位进行任务处理,主要任务有:欠压处理、数据采集、睡眠、关机等。在数据处理时,先采集通道2的值,然后采集通道1,如果传感器未接,则采集来的值为零或者近似零,系统报警等待。如果采集来的值大于零,则参与运算。求出理论值显示。