基于單片機(jī)的軌道壓力測(cè)試儀的實(shí)現(xiàn)

軌道電路是信號(hào)聯(lián)鎖的室外重要設(shè)備，起著保證行車和調(diào)車作業(yè)安全的作用。它能監(jiān)督檢查某一固定區(qū)段內(nèi)的線路（包括站線）是否有列車運(yùn)行、調(diào)車作業(yè)或車輛占用的情況，并能顯示該區(qū)段內(nèi)的鋼軌是否完整。它是以鋼軌為導(dǎo)線，軌縫間用接續(xù)線連續(xù)起來(lái)，一端接電源，另一端連接受電器，通過(guò)軌道電流來(lái)工作。

軌道電路能否正常工作直接影響到列車的安全行駛，因此，對(duì)軌道電路的檢測(cè)尤為重要，目前市場(chǎng)上的檢測(cè)設(shè)備還很少，而且普遍存在功耗大，價(jià)格昂貴，體積大等不足。為此，本文通過(guò)對(duì)軌道電路分析研究，設(shè)計(jì)一種高精度的壓力測(cè)試儀器來(lái)模擬火車對(duì)軌道的壓力，從而驗(yàn)證軌道電路的性能。

系統(tǒng)的組成及其工作原理
本系統(tǒng)以PIC16F876A單片機(jī)為核心，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)其對(duì)數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制。系統(tǒng)框圖如圖1所示，由主控MCU模塊、A/D采樣模塊、電源管理模塊、顯示模塊和傳感器組成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)各部分的主要功能是：電源管理主要負(fù)責(zé)對(duì)電池電壓進(jìn)行檢測(cè)和升壓穩(wěn)壓，當(dāng)電壓低于3V，系統(tǒng)停止工作，并進(jìn)行欠壓報(bào)警。主控MCU負(fù)責(zé)對(duì)采集來(lái)的壓力信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為壓力值，在數(shù)碼管上顯示，并可以進(jìn)行手動(dòng)調(diào)零及滿量程調(diào)整。系統(tǒng)精度要求是±0.1kN；可以進(jìn)行超量程報(bào)警和未接傳感器報(bào)警。為了達(dá)到低功耗的目的，在軟件中做了休眠和關(guān)機(jī)的功能。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1 電源管理電路設(shè)計(jì)
電源管理主要是對(duì)電池電壓進(jìn)行升壓和穩(wěn)壓，同時(shí)還能夠進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)和低壓報(bào)警功能。采用TPS60230芯片組成升壓電路，TPS60230是TI公司生產(chǎn)的一種新型電荷泵DC/DC轉(zhuǎn)換器。其應(yīng)用原理如圖2所示。電池的電壓2～5.4V接入TPS60230輸入腳IN，圖中C1、C2為電荷泵電容，采用等效電阻小的電容。R1、R2分壓來(lái)確定低電壓報(bào)警門限，當(dāng)?shù)陀赗1、R2的分壓值時(shí)，LBO輸出低電平，單片機(jī)查詢到有低電平后就控制模擬開(kāi)關(guān)切斷后續(xù)電路電源；輸出5V接后面的模擬開(kāi)關(guān)和單片機(jī)。

圖2 電源管理電路

2 單片機(jī)與采樣電路設(shè)計(jì)
根據(jù)精度要求，本系統(tǒng)采用ADI公司的16位A/D芯片AD7705，AD7705芯片將放大、濾波和A／D轉(zhuǎn)換單元集于一體，是一種低成本、寬動(dòng)態(tài)范圍、高分辨率的A／D轉(zhuǎn)換芯片。AD7705與單片機(jī)通過(guò)SPI進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，連接如圖3所示，其中，CH1和CH2為差模輸入通道，REF為滿量程電平，通過(guò)調(diào)節(jié)RP1來(lái)設(shè)置滿量程電平。單片機(jī)作為主機(jī)，通過(guò)四線（CS、SCLK、DI、DO）SPI與AD7705相連，DRDY為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成信號(hào)，低電平有效，與單片機(jī)RC2口相連，單片機(jī)查詢到RC2口有低電平時(shí)，就開(kāi)始向AD7705發(fā)讀寄存器指令來(lái)獲取AD值。CH1+和CH1-為來(lái)自壓力傳感器的壓力信號(hào)，CH2+和CH2-為調(diào)零電位器送來(lái)的信號(hào)。

圖3 采樣電路

3 顯示與報(bào)警電路設(shè)計(jì)
顯示與報(bào)警電路如圖4所示，顯示部分采用7段4位數(shù)碼管顯示，PORTB口連接數(shù)碼管的段碼，RC0、RC1、RC6、RC7口經(jīng)過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)放大控制數(shù)碼管的選擇端。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到RA1口有低電平信號(hào)后，控制模擬開(kāi)關(guān)切斷后續(xù)電路的電源，與此同時(shí)，D1和蜂鳴器B發(fā)出報(bào)警信號(hào)。當(dāng)壓力超過(guò)系統(tǒng)量程時(shí)，D2和蜂鳴器報(bào)警。為了區(qū)分低壓報(bào)警和超量程報(bào)警，D1和D2采用不同的顏色，蜂鳴器在等間隔內(nèi)響的次數(shù)不同。

圖4 顯示與報(bào)警電路

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
1 采樣和數(shù)據(jù)處理
 ①AD7705的讀寫時(shí)序
AD7705通過(guò)四線SPI與單片機(jī)通信，其讀寫時(shí)序圖如圖5(a)、(b)所示，讀寫過(guò)程中串行數(shù)據(jù)高位在前，低位在后。DRDY為低電平說(shuō)明A/D已經(jīng)轉(zhuǎn)換完畢，數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好，可以啟動(dòng)讀寫指令。任何時(shí)候要對(duì)AD7705進(jìn)行讀寫操作都須檢查DRDY是否為低。

圖5 AD7705讀寫時(shí)序圖

②AD7705的寄存器
第一個(gè)是通信寄存器(communication Register)，選擇采集通道、下一次操作是讀還是寫，以及下一次讀寫哪一個(gè)寄存器。
第二個(gè)是設(shè)置寄存器（Setup Register），決定校準(zhǔn)模式、增益設(shè)置、極性設(shè)置以及緩沖模式。
第三個(gè)是時(shí)鐘寄存器(CLOCK Register)，設(shè)置濾波器記憶時(shí)鐘控制位。
軟件編程思路也是按這個(gè)順序?qū)懙?，先設(shè)置通信寄存器，其次寫設(shè)置寄存器，最后設(shè)置時(shí)鐘寄存器。設(shè)置完之后，只要檢測(cè)到DRDY為低電平，就可以啟動(dòng)時(shí)鐘來(lái)讀取AD7705數(shù)據(jù)寄存器中已轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)。
2 數(shù)據(jù)處理算法思路
數(shù)據(jù)處理主要是將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成壓力值，將采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。已知：傳感器的參數(shù)為10mV對(duì)應(yīng)的是30kN，A/D的滿量程電壓為1.5V，設(shè)采集的A/D值為K，設(shè)換算后的壓力為X，10mV對(duì)應(yīng)的A/D值為D，增益為64，則由以上參數(shù)可求出：
  (1)
        (2)
式(2)就是轉(zhuǎn)換后的壓力值和采集的A/D值的關(guān)系。
因?yàn)閱纹瑱C(jī)不支持浮點(diǎn)運(yùn)算，為了能精確的顯示結(jié)果，用軟件模擬浮點(diǎn)除法運(yùn)算，其主要思想是：定義一整型變量INTD，將除的結(jié)果存入INTD中，因?yàn)槭钦妥兞浚猿ǖ慕Y(jié)果只取了整數(shù)部分，例如5/4=1，模擬除法的算法主要依據(jù)這一特性。
第一步，如果采集來(lái)的值K大于932，K/932存入整型變量中即可得到整數(shù)部分。
第二步，用K對(duì)932取余得到R，顯然R小于932，然后得到小數(shù)點(diǎn)后第一位，再用R×10對(duì)932取余得到R1，小數(shù)點(diǎn)后第二位,以此類推，得到小數(shù)點(diǎn)后第三位dec3。
第三步，如果采集來(lái)的值K小于932，直接進(jìn)行第二步操作。
第四步，與邏輯零點(diǎn)進(jìn)行比較，得到理論壓力值，并進(jìn)行BCD轉(zhuǎn)換在數(shù)碼管上顯示。

圖6 軟件流程圖

3 程序編程思路及流程圖
系統(tǒng)軟件編程采用狀態(tài)機(jī)機(jī)制，上電之后進(jìn)行各個(gè)模塊的初始化，包括I/O口初始化、定時(shí)器初始化、SPI初始化等。初始化完后進(jìn)入系統(tǒng)循環(huán)，在循環(huán)體中根據(jù)任務(wù)標(biāo)志位進(jìn)行任務(wù)處理，主要任務(wù)有：欠壓處理、數(shù)據(jù)采集、睡眠、關(guān)機(jī)等。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，先采集通道2的值，然后采集通道1，如果傳感器未接，則采集來(lái)的值為零或者近似零，系統(tǒng)報(bào)警等待。如果采集來(lái)的值大于零，則參與運(yùn)算。求出理論值顯示。