基于PC104的放線車檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

摘要：為了對恒張力放線的實際放線效果進行檢測，針對恒張力放線系統(tǒng)，設(shè)計研制了以PC104總線工控機為硬件平臺的檢測系統(tǒng)。提出了對放線架的放線張力、放線速度、放線長度等的測量方法，并詳細描述了傳感器輸出信號的采集調(diào)理電路以及放線速度的測量原理。結(jié)果表明：系統(tǒng)硬件測量誤差小，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)過程中，鐵路接觸網(wǎng)的設(shè)計施工技術(shù)標準提高，恒張力放線的作用就是以恒定的張力將承力鎖索和接觸線進行架設(shè)，使接觸線少產(chǎn)生扭面，硬點，給電力列車提供穩(wěn)定的電流。因此，恒張力放線在施工中被廣泛采用。

目前，國外設(shè)計生產(chǎn)恒張力放線車的廠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、德國的ZECK，但是這些進口放線車都是按照其本國的施工條件來進行設(shè)計制造的，其機械性能和配套設(shè)施等方面不能完全滿足我國的的實際施工條件，而且造價很高。因此，研發(fā)生產(chǎn)有自主知識產(chǎn)權(quán)的，符合我國實際國情需要的恒張力放線設(shè)備具有十分重要的意義。本檢測系統(tǒng)即為我國自行設(shè)計的恒張力

放線架的配套檢測裝置，對施工過程中的放線車的液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、放線張力以及放線車行走速度等進行實施監(jiān)測。

1 總體方案設(shè)計

本系統(tǒng)在設(shè)計過程中面臨著設(shè)計周期短、可靠性要求高等問題，所以在設(shè)計過程中選擇了基于PC104總線的嵌入式工控機為硬件平臺。其主要特點包括：小尺寸結(jié)構(gòu)，堆棧式針孔連接，有很好的抗震性；6 mA總線驅(qū)動使模塊正常工作，低功耗，減少元件數(shù)量；自我堆棧式連接，無須母板。

系統(tǒng)中需要采集調(diào)理的傳感器輸出信號包括：4路放線張力傳感器信號、2路基準汽缸傳感器信號、2路放線盤角度傳感器信號、4路液壓傳感器信號、1路進氣氣壓傳感器信號、2路放線速度傳感器信號。由于電流信號在傳輸過程中比電壓信號有更強的抗干擾能力，所以張力傳感器、基準汽缸氣壓傳感器、角度傳感器、液壓傳感器、進氣氣壓傳感器在選型過程中均選擇4～20 mA的標準輸出信號。轉(zhuǎn)速傳感器選擇非接觸式測量，0～5 V脈沖輸出的傳感器。

信號采集調(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的電流信號進行I／V轉(zhuǎn)換后送入A／D進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，0～5 V的轉(zhuǎn)速傳感器脈沖信號通過光耦和遲滯比較電路整形為規(guī)則的方波信號，在FPGA內(nèi)用VerilogHDL語言實現(xiàn)測速邏輯，最后通過PC104總線采集模塊將數(shù)據(jù)送入嵌入式工控機。

2 關(guān)鍵硬件電路設(shè)計

在多路選擇開關(guān)的選擇中，為了降低系統(tǒng)誤差應(yīng)該選擇低導通電阻，低泄漏電流的器件，這里選擇MAX4638。A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選擇高性價比的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100 KSPS，其片內(nèi)集成了采樣保持器，簡化了電路設(shè)計。

2．1 I／V轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

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

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

2．2 遲滯比較電路設(shè)計

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

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

其中VOH=5 V，VOL=0 V。

3 放線速度的測量邏輯設(shè)計

恒張力放線車在放線過程中，導線必須經(jīng)過張力設(shè)定盤，因此可以通過測量張力盤的轉(zhuǎn)速來確定實際的放線速度。張力設(shè)定盤轉(zhuǎn)速的測量通過非接觸式脈沖傳感器采集轉(zhuǎn)速信號。轉(zhuǎn)速測量主要有兩種方法，分別為：1)測頻法：記錄在確定時間Tc內(nèi)待測信號的脈沖個數(shù)M，則待測頻率F=M／Tc；2)測周法：在待測信號的一個周期Tx內(nèi)，記錄標準頻率信號的變化次數(shù)M，則待測信號的頻率F=M／Tx。測周法在待測信號頻率較低時測量誤差較小。張力放線車在施工過程中放線速度小于10 km／h，大于1 km／h，張力設(shè)定盤每轉(zhuǎn)一圈轉(zhuǎn)速傳感器輸出6個脈沖信號，故本系統(tǒng)采用測周法。以10 M的晶振經(jīng)FPGA內(nèi)部邏輯分頻后產(chǎn)生100 K的方波信號為標準的頻率信號。

4 系統(tǒng)誤差分析

4．1 傳感器輸出4～20 mA電流信號的測量精度

根據(jù)系統(tǒng)要求，在實驗室中搭建了實驗校準平臺。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，工控機采集到的數(shù)據(jù)如表1所示。

由公式I=VK1+K0代入輸入電流I和實測電壓V的第一組和第五組數(shù)據(jù)計算出K0，K1。根據(jù)系統(tǒng)要求取測試設(shè)備精確度為系統(tǒng)測量精度指標，這個數(shù)值是傳感器和測量儀表在規(guī)定條件下允許的最大絕對誤差值相對于其測量范圍的百分數(shù)，它可以用下式表示：

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

4．2 轉(zhuǎn)速傳感器脈沖信號的測量精度

轉(zhuǎn)速脈沖采用測周法測量轉(zhuǎn)速，根據(jù)其測量原理，測量誤差主要來自于基準頻率信號，測量邏輯產(chǎn)生的基準頻率信號的誤差小于3個基準信號周期，可以通過提高基準頻率的方法降低測量誤差。當放線速度10 km／h，基準頻率100 kHz時，測量相對誤差=誤差基準信號周期個數(shù)／1個被測信號周期內(nèi)基準頻率信號計數(shù)個數(shù)。被測信號周期最小約為0．38 s，一個周期內(nèi)基準頻率信號計數(shù)值約為3．8x104，測量誤差≈7．9x10-3。遠小于測試精度要求。

5 結(jié)論

文中所研究的恒張力放線車綜合檢測系統(tǒng)硬件部分是一種基于PC104模塊設(shè)計的高可靠性的、多參數(shù)測量的綜合檢測裝置。基于PC104總線模塊的設(shè)計使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，簡化了系統(tǒng)設(shè)計。本系統(tǒng)中，使用簡單的電路設(shè)計，選擇使用廣泛、性價比高的元器件很好的實現(xiàn)了設(shè)計要求，節(jié)約了成本，保證了可靠性。