基于PC104的放線(xiàn)車(chē)檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

摘要：為了對(duì)恒張力放線(xiàn)的實(shí)際放線(xiàn)效果進(jìn)行檢測(cè)，針對(duì)恒張力放線(xiàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)研制了以PC104總線(xiàn)工控機(jī)為硬件平臺(tái)的檢測(cè)系統(tǒng)。提出了對(duì)放線(xiàn)架的放線(xiàn)張力、放線(xiàn)速度、放線(xiàn)長(zhǎng)度等的測(cè)量方法，并詳細(xì)描述了傳感器輸出信號(hào)的采集調(diào)理電路以及放線(xiàn)速度的測(cè)量原理。結(jié)果表明：系統(tǒng)硬件測(cè)量誤差小，能可靠的工作在施工環(huán)境中。

關(guān)鍵詞：PC104；恒張力；數(shù)據(jù)采集；誤差分析

在高速電氣化鐵路建設(shè)過(guò)程中，鐵路接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提高，恒張力放線(xiàn)的作用就是以恒定的張力將承力鎖索和接觸線(xiàn)進(jìn)行架設(shè)，使接觸線(xiàn)少產(chǎn)生扭面，硬點(diǎn)，給電力列車(chē)提供穩(wěn)定的電流。因此，恒張力放線(xiàn)在施工中被廣泛采用。

目前，國(guó)外設(shè)計(jì)生產(chǎn)恒張力放線(xiàn)車(chē)的廠(chǎng)家主要是從奧地利的普拉賽、意大利的吉斯瑪、歐瑪克、太斯米克、德國(guó)的ZECK，但是這些進(jìn)口放線(xiàn)車(chē)都是按照其本國(guó)的施工條件來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造的，其機(jī)械性能和配套設(shè)施等方面不能完全滿(mǎn)足我國(guó)的的實(shí)際施工條件，而且造價(jià)很高。因此，研發(fā)生產(chǎn)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的，符合我國(guó)實(shí)際國(guó)情需要的恒張力放線(xiàn)設(shè)備具有十分重要的意義。本檢測(cè)系統(tǒng)即為我國(guó)自行設(shè)計(jì)的恒張力

放線(xiàn)架的配套檢測(cè)裝置，對(duì)施工過(guò)程中的放線(xiàn)車(chē)的液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、放線(xiàn)張力以及放線(xiàn)車(chē)行走速度等進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測(cè)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中面臨著設(shè)計(jì)周期短、可靠性要求高等問(wèn)題，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇了基于PC104總線(xiàn)的嵌入式工控機(jī)為硬件平臺(tái)。其主要特點(diǎn)包括：小尺寸結(jié)構(gòu)，堆棧式針孔連接，有很好的抗震性；6 mA總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)使模塊正常工作，低功耗，減少元件數(shù)量；自我堆棧式連接，無(wú)須母板。

系統(tǒng)中需要采集調(diào)理的傳感器輸出信號(hào)包括：4路放線(xiàn)張力傳感器信號(hào)、2路基準(zhǔn)汽缸傳感器信號(hào)、2路放線(xiàn)盤(pán)角度傳感器信號(hào)、4路液壓傳感器信號(hào)、1路進(jìn)氣氣壓傳感器信號(hào)、2路放線(xiàn)速度傳感器信號(hào)。由于電流信號(hào)在傳輸過(guò)程中比電壓信號(hào)有更強(qiáng)的抗干擾能力，所以張力傳感器、基準(zhǔn)汽缸氣壓傳感器、角度傳感器、液壓傳感器、進(jìn)氣氣壓傳感器在選型過(guò)程中均選擇4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。轉(zhuǎn)速傳感器選擇非接觸式測(cè)量，0～5 V脈沖輸出的傳感器。

信號(hào)采集調(diào)理系統(tǒng)如圖1所示。由FPGA控制多路選擇器選擇1路4～20 mA的電流信號(hào)進(jìn)行I／V轉(zhuǎn)換后送入A／D進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，0～5 V的轉(zhuǎn)速傳感器脈沖信號(hào)通過(guò)光耦和遲滯比較電路整形為規(guī)則的方波信號(hào)，在FPGA內(nèi)用VerilogHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)測(cè)速邏輯，最后通過(guò)PC104總線(xiàn)采集模塊將數(shù)據(jù)送入嵌入式工控機(jī)。

2 關(guān)鍵硬件電路設(shè)計(jì)

在多路選擇開(kāi)關(guān)的選擇中，為了降低系統(tǒng)誤差應(yīng)該選擇低導(dǎo)通電阻，低泄漏電流的器件，這里選擇MAX4638。A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選擇高性?xún)r(jià)比的AD1674，AD1674為12位的AD轉(zhuǎn)換芯片，其采用逐次比較方式工作，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)100 KSPS，其片內(nèi)集成了采樣保持器，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

2．1 I／V轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

為了把模擬的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為工控機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)需要先把電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，本系統(tǒng)中將4～20 mA電流轉(zhuǎn)化為0～10 V的電壓信號(hào)。I／V轉(zhuǎn)換常用的有兩種轉(zhuǎn)換電路：1)使用專(zhuān)用的I／V轉(zhuǎn)換芯片設(shè)計(jì)電路，如RCV420；2)使用集成運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換電路。使用第一種方法電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但增加了成本和系統(tǒng)功耗，第二種方法電路也比較簡(jiǎn)單也能實(shí)現(xiàn)較好的線(xiàn)性度。這里選用第二種方法實(shí)現(xiàn)，電路如圖2所示。

電路中取電阻R2=R3，R7=R6，R4，R5應(yīng)該取相對(duì)較小的電阻，以降低傳感器的驅(qū)動(dòng)和電路的測(cè)量誤差，電路的放大倍數(shù)為R7／R2。在信號(hào)輸出端添加RC濾波器濾除系統(tǒng)中引入的干擾信號(hào)，增強(qiáng)采集信號(hào)的穩(wěn)定性。

2．2 遲滯比較電路設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)工作在較復(fù)雜的外部環(huán)境當(dāng)中，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)速傳感器可能受到各種干擾，在輸出信號(hào)中包含毛刺信號(hào)。使用遲滯比較電路可以有效的消去干擾毛刺，將不規(guī)則的信號(hào)整形為規(guī)則的方波信號(hào)。原理電路如圖3所示。

設(shè)運(yùn)放理想并利用疊加定理可求出上門(mén)限電壓Vt+和下門(mén)限電壓VT-分別為：

其中VOH=5 V，VOL=0 V。

3 放線(xiàn)速度的測(cè)量邏輯設(shè)計(jì)

恒張力放線(xiàn)車(chē)在放線(xiàn)過(guò)程中，導(dǎo)線(xiàn)必須經(jīng)過(guò)張力設(shè)定盤(pán)，因此可以通過(guò)測(cè)量張力盤(pán)的轉(zhuǎn)速來(lái)確定實(shí)際的放線(xiàn)速度。張力設(shè)定盤(pán)轉(zhuǎn)速的測(cè)量通過(guò)非接觸式脈沖傳感器采集轉(zhuǎn)速信號(hào)。轉(zhuǎn)速測(cè)量主要有兩種方法，分別為：1)測(cè)頻法：記錄在確定時(shí)間Tc內(nèi)待測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)M，則待測(cè)頻率F=M／Tc；2)測(cè)周法：在待測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期Tx內(nèi)，記錄標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的變化次數(shù)M，則待測(cè)信號(hào)的頻率F=M／Tx。測(cè)周法在待測(cè)信號(hào)頻率較低時(shí)測(cè)量誤差較小。張力放線(xiàn)車(chē)在施工過(guò)程中放線(xiàn)速度小于10 km／h，大于1 km／h，張力設(shè)定盤(pán)每轉(zhuǎn)一圈轉(zhuǎn)速傳感器輸出6個(gè)脈沖信號(hào)，故本系統(tǒng)采用測(cè)周法。以10 M的晶振經(jīng)FPGA內(nèi)部邏輯分頻后產(chǎn)生100 K的方波信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)的頻率信號(hào)。

4 系統(tǒng)誤差分析

4．1 傳感器輸出4～20 mA電流信號(hào)的測(cè)量精度

根據(jù)系統(tǒng)要求，在實(shí)驗(yàn)室中搭建了實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)平臺(tái)。向采集調(diào)理板中分別輸入4 mA、8 mA、12 mA、16 mA、20 mA的模擬傳感器信號(hào)，工控機(jī)采集到的數(shù)據(jù)如表1所示。

由公式I=VK1+K0代入輸入電流I和實(shí)測(cè)電壓V的第一組和第五組數(shù)據(jù)計(jì)算出K0，K1。根據(jù)系統(tǒng)要求取測(cè)試設(shè)備精確度為系統(tǒng)測(cè)量精度指標(biāo)，這個(gè)數(shù)值是傳感器和測(cè)量?jī)x表在規(guī)定條件下允許的最大絕對(duì)誤差值相對(duì)于其測(cè)量范圍的百分?jǐn)?shù)，它可以用下式表示：

△A為測(cè)量范圍內(nèi)允許的絕對(duì)誤差，YFS為滿(mǎn)量程輸出值。由表1可以看出測(cè)量精度誤差最大的是第4組，測(cè)量相對(duì)誤差為0．015％，遠(yuǎn)小于系統(tǒng)測(cè)量精度不大于1％的要求，硬件部分具有良好的線(xiàn)性度。

4．2 轉(zhuǎn)速傳感器脈沖信號(hào)的測(cè)量精度

轉(zhuǎn)速脈沖采用測(cè)周法測(cè)量轉(zhuǎn)速，根據(jù)其測(cè)量原理，測(cè)量誤差主要來(lái)自于基準(zhǔn)頻率信號(hào)，測(cè)量邏輯產(chǎn)生的基準(zhǔn)頻率信號(hào)的誤差小于3個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)周期，可以通過(guò)提高基準(zhǔn)頻率的方法降低測(cè)量誤差。當(dāng)放線(xiàn)速度10 km／h，基準(zhǔn)頻率100 kHz時(shí)，測(cè)量相對(duì)誤差=誤差基準(zhǔn)信號(hào)周期個(gè)數(shù)／1個(gè)被測(cè)信號(hào)周期內(nèi)基準(zhǔn)頻率信號(hào)計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)。被測(cè)信號(hào)周期最小約為0．38 s，一個(gè)周期內(nèi)基準(zhǔn)頻率信號(hào)計(jì)數(shù)值約為3．8x104，測(cè)量誤差≈7．9x10-3。遠(yuǎn)小于測(cè)試精度要求。

5 結(jié)論

文中所研究的恒張力放線(xiàn)車(chē)綜合檢測(cè)系統(tǒng)硬件部分是一種基于PC104模塊設(shè)計(jì)的高可靠性的、多參數(shù)測(cè)量的綜合檢測(cè)裝置。基于PC104總線(xiàn)模塊的設(shè)計(jì)使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)中，使用簡(jiǎn)單的電路設(shè)計(jì)，選擇使用廣泛、性?xún)r(jià)比高的元器件很好的實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求，節(jié)約了成本，保證了可靠性。