一種鐵路線路沖擊狀況檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

 引言

　　鐵路在經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的負(fù)載后，由于其結(jié)構(gòu)剛度的各向異性、間隙、潤(rùn)滑不良、支撐松動(dòng)等原因，往往會(huì)產(chǎn)生不同程度的彈性變形與幾何偏差。在鐵路線路實(shí)驗(yàn)車(chē)上設(shè)計(jì)一套線路沖擊狀況檢測(cè)系統(tǒng)，可以檢測(cè)出鐵路的偏移與松動(dòng)等情況，以對(duì)這些地方進(jìn)行檢查與維修。這套系統(tǒng)給鐵路維修工作帶來(lái)了很大的方便，其中的加速度傳感器是目前應(yīng)用廣泛的測(cè)量沖擊裝置，在航天、航空、常規(guī)武器、船舶、交通運(yùn)輸、冶金、機(jī)械制造、化工、輕工、生物醫(yī)學(xué)工程、自動(dòng)檢測(cè)與計(jì)量等領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文的鐵路線路沖擊狀況檢測(cè)系統(tǒng)就是基于雙軸加速度傳感器ADXL210進(jìn)行設(shè)計(jì)的。本設(shè)計(jì)利用ADXL210進(jìn)行沖擊測(cè)量，并將測(cè)量到的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)采集器。而系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集器與上位機(jī)的通訊則利用PC機(jī)自帶的RS -232總線標(biāo)準(zhǔn)接口和AT89C52的串行口RXD、TXD來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　1 系統(tǒng)組成及工作原理

　　該檢測(cè)系統(tǒng)主要包括傳感器、數(shù)據(jù)采集器和上位機(jī)三個(gè)部分。其中傳感器采用雙軸加速度傳感器ADXL210，數(shù)據(jù)采集器采用8位單片機(jī)AT89C52，上位機(jī)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。ADXL210可將采集到的沖擊信號(hào)以及包含沖擊加速度信息的數(shù)字信號(hào)直接輸送到數(shù)據(jù)采集器AT89C52的計(jì)數(shù)器中。AT89C52接收到來(lái)自傳感器的信號(hào)后，可利用軟件分析計(jì)算出沖擊加速度的大小，并通過(guò)RS-232總線將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信號(hào)輸出至上位機(jī)。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 ADXL210傳感器

　　傳感器模塊采用帶數(shù)字輸出的雙軸加速度傳感器ADXL210。ADXL210傳感器可測(cè)量雙軸向加速度，并輸出循環(huán)數(shù)字信號(hào)，同時(shí)可與單片機(jī)直接接口，而且無(wú)須放大和A/D 轉(zhuǎn)換電路。

　　ADXL210的使用可以使系統(tǒng)設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化。

　　ADXL210是集雙軸加速度傳感器于一體的單片集成電路，可測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度和靜態(tài)加速度，而且只需調(diào)節(jié)外接電容就可方便地調(diào)整信號(hào)帶寬，同時(shí)只需調(diào)節(jié)外接電阻便可方便地調(diào)整數(shù)字信號(hào)的循環(huán)輸出周期。ADXL210的功耗低（<0.6 Ma）；單電源供電（+ 3V～+ 5.25V）； 測(cè)量范圍為±10g；可承受1000g的震動(dòng)或沖擊。

　　ADXL210是一種帶兩坐標(biāo)軸傳感器的加速度計(jì)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　ADXL210內(nèi)含2個(gè)傳感器和信號(hào)調(diào)節(jié)電路。

　　其X/Y軸向傳感器輸出信號(hào)經(jīng)解調(diào)電路后可得到標(biāo)準(zhǔn)的電壓模擬信號(hào)，然后通過(guò)內(nèi)部的32 kΩ電阻驅(qū)動(dòng)占空比調(diào)制電路（DCM），其經(jīng)DCM調(diào)制后，由Xout/Yout輸出與加速度成比例的循環(huán)數(shù)字信號(hào)，且其占空比T1/T2 （信號(hào)的脈寬與周期之比） 正比于加速度的大小。占空比信號(hào)的輸出端可直接與微處理器的計(jì)數(shù)器相連，無(wú)需A/D轉(zhuǎn)換或者邏輯電路。其周期T2可由RSET設(shè)置為0.5~10ms （T2=RSET/125MΩ），圖2所示是ADXL210的數(shù)字信號(hào)輸出波形。

　　ADXL210采用14腳表面貼裝形式，其引腳排列如圖3所示。

　　ADXL210的各引腳功能如表1所列。

　　2.2 傳感器參數(shù)的設(shè)定

　　傳感器參數(shù)設(shè)定包括退耦電容器設(shè)定、帶寬設(shè)定和DCM周期設(shè)定。

　　在設(shè)定退耦電容器CDC時(shí)，ADXL210的電源電壓VDD應(yīng)為3V~5.25V，此時(shí)，在引腳VDD與引腳COM之間的退耦電容器CDC的容值可選擇0.1μF。

　　ADXL210的加速度信號(hào)帶寬由XFILT/YFILT引腳電容決定，設(shè)置3dB帶寬的方程式為：

　　不同CX和CY下的帶寬如表2所列。

　　本系統(tǒng)的精度要求為0.5mg，故選定的帶寬為50Hz，這樣，根據(jù)式1和表2可以求出CX為0.1μF，CY為0.1μF。

　　本系統(tǒng)中每個(gè)通道的占空比調(diào)制（DCM） 輸出周期T2可由引腳T2的外部電阻RSET設(shè)定：

　　ADXL210的占空因素周期T2的范圍為0.5~10ms。因此，可設(shè)定T2為1ms，此時(shí)的RSET為125kΩ。

　　2.3 數(shù)據(jù)采集器模塊

　　本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集器采用8位單片機(jī)AT89C52。AT89C52除了有AT89C51具有的定時(shí)/計(jì)數(shù)器0和定時(shí)/計(jì)數(shù)器1外，還增加了一個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器2。因此，AT89C52的P1.0和P1.1可分別作為定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2） 和輸入（P1.1/T2EX）。表3所列是其P1.0和P1.1的第二功能表。

　　加速度傳感器ADXL210輸出的數(shù)字信號(hào)可直接送給AT89C52的P1.0與P1.1。數(shù)據(jù)采集器與傳感器的接口連接如圖4所示。

　　3 系統(tǒng)與上位機(jī)的通訊

　　Visual C++的通信編程控件MSComm擁有功能完善的串口數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能，系統(tǒng)中上位機(jī)的串口通信可通過(guò)MSComm來(lái)實(shí)現(xiàn)，而本系統(tǒng)與上位機(jī)的通訊則可利用PC機(jī)自帶的RS-232總線標(biāo)準(zhǔn)接口和AT89C52的串行口RXD、TXD來(lái)實(shí)現(xiàn)，其接口連接圖如圖5所示。

　　AT89C52的串行通訊采用工作方式1，波特率是9 600 bit/s，發(fā)送數(shù)據(jù)采用查詢方式。當(dāng)系統(tǒng)存儲(chǔ)的循環(huán)數(shù)字信號(hào)達(dá)到一定的數(shù)量時(shí)，單片機(jī)將讀取存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)，并以串行方式發(fā)送到上位機(jī)。上位機(jī)程序可使用VC++語(yǔ)言編寫(xiě)，通過(guò)該程序可將接收的數(shù)據(jù)存在。txt文件中。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　加速度傳感器ADXL210的使用可以使本文的鐵路線路沖擊狀況檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化，功耗成倍降低，因此，對(duì)于加速度和傾斜的測(cè)量是不錯(cuò)的選擇。系統(tǒng)采樣到的數(shù)據(jù)可通過(guò)串行通訊方式存儲(chǔ)在上位機(jī)的。txt文件中，以便用戶可以利用保存的。txt數(shù)據(jù)文件進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析，從而準(zhǔn)確把握鐵路線路的情況，進(jìn)而給鐵路線路的維修工作帶來(lái)很大的方便。