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動(dòng)態(tài)電子軌道衡是用于對(duì)行進(jìn)中的鐵路列車進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量的一種計(jì)量設(shè)備,隨著我國(guó)鐵路運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展,它被廣泛應(yīng)用于冶金、煤炭、石油化工等領(lǐng)域中。目前,我國(guó)生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)電子軌道衡可以分為斷軌與不斷軌2種型式,無(wú)論哪種動(dòng)態(tài)電子軌道衡,其電氣控制部分均由通用的計(jì)算機(jī)、獨(dú)立的傳感器信號(hào)數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)組成。當(dāng)列車通過動(dòng)態(tài)電子軌道衡時(shí),傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)放大、濾波以及模數(shù)轉(zhuǎn)換后,通過外部的傳輸電纜,將數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理,判別出機(jī)車、車輛,并計(jì)算出車輛的重量、速度及其他信息。
動(dòng)態(tài)電子軌道衡電氣控制部分現(xiàn)有的模式有以下幾方面的不足:首先,控制部分采用市場(chǎng)上通用的計(jì)算機(jī),無(wú)法應(yīng)用于高溫、嚴(yán)寒的惡劣環(huán)境中,計(jì)算機(jī)所運(yùn)行的環(huán)境均是基于通用的操作系統(tǒng),易受外界因素(計(jì)算機(jī)軟件病毒等)的影響,降低了測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性;其次,由于傳感器信號(hào)釆集與計(jì)算機(jī)信息處理是2個(gè)完全獨(dú)立的部分,靠外部通訊電纜連接,降低了測(cè)量系統(tǒng)抗外界干擾的能力。以高性能嵌入式控制器為基礎(chǔ),將傳感器信號(hào)采集、信息處理、數(shù)據(jù)通訊融合一體的動(dòng)態(tài)電子軌道衡稱重儀表可以彌補(bǔ)上述不足。
1系統(tǒng)概述
基于嵌入式控制器的動(dòng)態(tài)電子軌道衡稱重儀表,其系統(tǒng)控制、信息處理、數(shù)據(jù)交換,是以Microchip公司生產(chǎn)的dsPIC304F6014A控制器為主,并結(jié)合PIC18F4520以及AT89C2051單片機(jī)共同完成信號(hào)的采集與處理,將系統(tǒng)所需的多種工作電壓、傳感器信號(hào)放大、濾波、數(shù)據(jù)采集、信息處理、數(shù)據(jù)通訊、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示等,整合到一個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用單元中。當(dāng)列車通過動(dòng)態(tài)電子軌道衡時(shí),傳感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)放大、濾波,并完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換,控制器對(duì)通過列車波形存儲(chǔ)、分析、處理,完成通過列車機(jī)車、車輛的自動(dòng)識(shí)別,計(jì)算出車輛的通過速度以及重量,同時(shí)與車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行信息交換,分別得到機(jī)車、車輛的車型、車號(hào),并將測(cè)量結(jié)果送入顯示單元。通過其內(nèi)部的通訊接口,將測(cè)量結(jié)果送入外部計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
2系統(tǒng)硬件
2.1信號(hào)采集及處理
信號(hào)釆集及處理由dsPIC304F6014A、大容量的數(shù)據(jù)RAM及8路16位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成,實(shí)現(xiàn)列車通過測(cè)量區(qū)間時(shí),對(duì)每路傳感器輸出波形的采集。信號(hào)釆集及處理電路原理如圖2所示。
Microchip公司生產(chǎn)的dsPIC304F6014A嵌入式控制器,提供多達(dá)144kbyte的片內(nèi)FLASH、8kbyte的RAM、4kbyte的非易失的EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和豐富的外設(shè)接口,其內(nèi)核在設(shè)計(jì)上專門考慮了滿足功耗低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的工業(yè)級(jí)嵌入式產(chǎn)品領(lǐng)域的特點(diǎn)。由圖2可知,SA0?SA2實(shí)現(xiàn)對(duì)8路16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器模擬量輸入選擇,START用以啟動(dòng)1次模數(shù)轉(zhuǎn)換,BUSY是模數(shù)轉(zhuǎn)換器反饋到嵌入式控制器的狀態(tài)信號(hào),說明此次轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成,SD0-SD7用于將模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的結(jié)果送入嵌入式控制器,L/H位用于選擇16位結(jié)果的高8位(或低8位),CS1選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換器端口。大容量RAM的地址位分別為A0?A15,讀控制為RD,寫控制為WR,RAM片選信號(hào)CS,3條控制線均為低電平有效,DO?D7為數(shù)據(jù)總線,用以完成與控制器的數(shù)據(jù)交換。上述控制線分別與dsPIC304F6014A嵌入式控制器的I/O端口連接。串行通訊TXD1、RXD1用以實(shí)現(xiàn)整個(gè)儀表與外界PC機(jī)的信息交換。
由于現(xiàn)有單臺(tái)面斷軌軌道衡只有4只壓力傳感器,單臺(tái)面不斷軌軌道衡有4只壓力傳感器和4只剪力傳感器,在儀表的設(shè)計(jì)中,8路模擬量輸入CH0-CH7,可以滿足以上2種型式動(dòng)態(tài)電子軌道衡對(duì)數(shù)字量的需要。
2.2顯示控制及與車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)信號(hào)交換
顯示控制及與車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)信號(hào)交換主要由18F4520微處理器、真空熒光顯示模塊組成,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。18F452O是Microchip公司生產(chǎn)的8位嵌入式控制器,具有豐富外圍通訊接口,其RXD,TXD用以實(shí)現(xiàn)與車號(hào)系統(tǒng)的信息交換。當(dāng)收到車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)送入的車型和車號(hào)信息幀后,對(duì)該信息幀分析處理,獲得通過列車機(jī)車、車輛的車型和車號(hào)信息,通過緩沖接口,將信息幀送入dsPIC30F6014A。儀表的數(shù)據(jù)顯示采用Noritake公司的128*64點(diǎn)陣的真空熒光圖形顯示模塊,可以完成結(jié)果和傳感器波形的顯示,其數(shù)據(jù)8位總線DO?D7、CS、AO、RD、WR、C/D讀寫控制線,分別與18F4520微處理器的I/O口連接,以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。該顯示模塊含有8位總線通訊接口、AC/DC電源轉(zhuǎn)換器,并具有較寬的工作電壓范圍和溫度范圍,其工作溫度為(一40?+80)笆,能夠?qū)崿F(xiàn)在高溫、嚴(yán)寒的惡劣環(huán)境中工作。
3軟件設(shè)計(jì)
3.1動(dòng)態(tài)測(cè)量軟件
由于國(guó)內(nèi)現(xiàn)有動(dòng)態(tài)電子軌道衡主要有斷軌軌道衡與不斷軌軌道衡2種型式,不斷軌軌道衡的壓力傳感器與剪力傳感器合成后的波形,與斷軌軌道衡傳感器輸岀的波形相同。因此,僅結(jié)合不斷軌圖中,C0、Cl、C2、C3分別代表兩側(cè)鋼軌上的4只剪力傳感器,P0、Pl、P2、P3分別表示兩側(cè)鋼軌上的4只壓力傳感器。當(dāng)鐵路貨車以規(guī)定的速度從測(cè)量區(qū)間的左側(cè)通過測(cè)量區(qū)間時(shí),C0、C1輸出波形的方向一致,C2、C3輸出波形的方向一致,后一組與前一組剪力傳感器輸出相比,存在時(shí)間滯后。4只壓力傳感器受正向垂直壓力,其輸出波形與剪力傳感器輸出呈現(xiàn)相同的時(shí)間滯后規(guī)律。以下分別為1節(jié)普通4軸貨車從左至右通過測(cè)量區(qū)間時(shí)傳感器輸出的實(shí)際波形。
通過上述傳感器輸出波形的合成,得到圖6所示波形。
圖6中:Po為貨車未到達(dá)測(cè)量區(qū)間時(shí)傳感器的輸出波形;R為貨車第1軸通過測(cè)量區(qū)間時(shí)傳感器的輸出波形,P?為貨車第1軸與第2軸通過測(cè)量區(qū)間時(shí)傳感器的輸出波形;P3為貨車第2軸通過測(cè)量區(qū)間時(shí)傳感器的輸出波形;P4為貨車第1軸與第2軸均離開測(cè)量區(qū)間時(shí)傳感器的輸出波形;R為貨車第3軸通過測(cè)量區(qū)間時(shí)傳感器的輸出波形;P6為貨車第3軸與第4軸通過測(cè)量區(qū)間時(shí)傳感器的輸出波形。
從上述波形分析可以得知,貨車的重量為
由于機(jī)車與車輛結(jié)構(gòu)的不同,列車通過測(cè)量區(qū)間時(shí),機(jī)車與車輛對(duì)應(yīng)的傳感器波形也有差異,根據(jù)對(duì)波形的分析能實(shí)現(xiàn)機(jī)車車輛的判別。
3.2系統(tǒng)軟件
儀表軟件設(shè)計(jì)主要用Microchip公司特定的C語(yǔ)言完成,它能有效地利用單片機(jī)的資源,使系統(tǒng)程序更加簡(jiǎn)潔,減少占用的內(nèi)存資源。軟件主要包含動(dòng)態(tài)稱重、靜態(tài)稱重、系統(tǒng)狀態(tài)測(cè)試、測(cè)量結(jié)果瀏覽、傳感器波形采集、列車波形顯示、車號(hào)系統(tǒng)連接測(cè)試、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等,整個(gè)軟件流程如圖7所示。
4結(jié)束語(yǔ)
利用嵌入式控制器,將傳感器信號(hào)釆集、信息處理、數(shù)據(jù)通訊融合一體的動(dòng)態(tài)電子軌道衡稱重儀表,具有良好穩(wěn)定性。該儀表應(yīng)用能提高動(dòng)態(tài)電子軌道衡系統(tǒng)的可靠性,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用表明,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,完全符合動(dòng)態(tài)電子軌道衡技術(shù)規(guī)范對(duì)儀表的要求。
作者:周用貴
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