基于單片機的軌道壓力測試儀的實現

軌道電路是信號聯鎖的室外重要設備，起著保證行車和調車作業安全的作用。它能監督檢查某一固定區段內的線路（包括站線）是否有列車運行、調車作業或車輛占用的情況，并能顯示該區段內的鋼軌是否完整。它是以鋼軌為導線，軌縫間用接續線連續起來，一端接電源，另一端連接受電器，通過軌道電流來工作。

　　軌道電路能否正常工作直接影響到列車的安全行駛，因此，對軌道電路的檢測尤為重要，目前市場上的檢測設備還很少，而且普遍存在功耗大，價格昂貴，體積大等不足。為此，本文通過對軌道電路分析研究，設計一種高精度的壓力測試儀器來模擬火車對軌道的壓力，從而驗證軌道電路的性能。

　　系統的組成及其工作原理

　　本系統以PIC16F876A單片機為核心，通過軟件編程實現其對數據處理、系統實時控制。系統框圖如圖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 系統結構圖

　　本系統各部分的主要功能是：電源管理主要負責對電池電壓進行檢測和升壓穩壓，當電壓低于3V，系統停止工作，并進行欠壓報警。主控MCU負責對采集來的壓力信號進行數學計算，將電壓信號轉換為壓力值，在數碼管上顯示，并可以進行手動調零及滿量程調整。系統精度要求是±0.1kN；可以進行超量程報警和未接傳感器報警。為了達到低功耗的目的，在軟件中做了休眠和關機的功能。

　　系統硬件設計

　　1 電源管理電路設計

　　電源管理主要是對電池電壓進行升壓和穩壓，同時還能夠進行過壓保護和低壓報警功能。采用TPS60230芯片組成升壓電路，TPS60230是TI公司生產的一種新型電荷泵DC/DC轉換器。其應用原理如圖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分壓來確定低電壓報警門限，當低于R1、R2的分壓值時，LBO輸出低電平，單片機查詢到有低電平后就控制模擬開關切斷后續電路電源；輸出5V接后面的模擬開關和單片機。

圖2 電源管理電路

　　2 單片機與采樣電路設計

　　根據精度要求，本系統采用ADI公司的16位A/D芯片AD7705，AD7705芯片將放大、濾波和A／D轉換單元集于一體，是一種低成本、寬動態范圍、高分辨率的A／D轉換芯片。AD7705與單片機通過SPI進行數據通信，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，通過調節RP1來設置滿量程電平。單片機作為主機，通過四線（CS、SCLK、DI、DO）SPI與AD7705相連，DRDY為數據轉換完成信號，低電平有效，與單片機RC2口相連，單片機查詢到RC2口有低電平時，就開始向AD7705發讀寄存器指令來獲取AD值。CH1+和CH1-為來自壓力傳感器的壓力信號，CH2+和CH2-為調零電位器送來的信號。

圖3 采樣電路

　　3 顯示與報警電路設計

　　顯示與報警電路如圖4所示，顯示部分采用7段4位數碼管顯示，PORTB口連接數碼管的段碼，RC0、RC1、RC6、RC7口經過三極管驅動放大控制數碼管的選擇端。當單片機檢測到RA1口有低電平信號后，控制模擬開關切斷后續電路的電源，與此同時，D1和蜂鳴器B發出報警信號。當壓力超過系統量程時，D2和蜂鳴器報警。為了區分低壓報警和超量程報警，D1和D2采用不同的顏色，蜂鳴器在等間隔內響的次數不同。

圖4 顯示與報警電路

　　系統軟件設計

　　1 采樣和數據處理

　　①AD7705的讀寫時序

　　AD7705通過四線SPI與單片機通信，其讀寫時序圖如圖5(a)、(b)所示，讀寫過程中串行數據高位在前，低位在后。DRDY為低電平說明A/D已經轉換完畢，數據已準備好，可以啟動讀寫指令。任何時候要對AD7705進行讀寫操作都須檢查DRDY是否為低。

圖5 AD7705讀寫時序圖

　　②AD7705的寄存器

　　第一個是通信寄存器(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寄存器。

　　第二個是設置寄存器（Setup Register），決定校準模式、增益設置、極性設置以及緩沖模式。

　　第三個是時鐘寄存器(CLOCK Register)，設置濾波器記憶時鐘控制位。

　　軟件編程思路也是按這個順序寫的，先設置通信寄存器，其次寫設置寄存器，最后設置時鐘寄存器。設置完之后，只要檢測到DRDY為低電平，就可以啟動時鐘來讀取AD7705數據寄存器中已轉換好的數據。

　2 數據處理算法思路

　　數據處理主要是將電壓信號轉換成壓力值，將采集來的數據進行轉換。已知：傳感器的參數為10mV對應的是30kN，A/D的滿量程電壓為1.5V，設采集的A/D值為K，設換算后的壓力為X，10mV對應的A/D值為D，增益為64，則由以上參數可求出：

　　(1)

　　(2)

　　式(2)就是轉換后的壓力值和采集的A/D值的關系。

　　因為單片機不支持浮點運算，為了能精確的顯示結果，用軟件模擬浮點除法運算，其主要思想是：定義一整型變量INTD，將除的結果存入INTD中，因為是整型變量，所以除法的結果只取了整數部分，例如5/4=1，模擬除法的算法主要依據這一特性。

　　第一步，如果采集來的值K大于932，K/932存入整型變量中即可得到整數部分。

　　第二步，用K對932取余得到R，顯然R小于932，然后得到小數點后第一位，再用R×10對932取余得到R1，小數點后第二位,以此類推，得到小數點后第三位dec3。

　　第三步，如果采集來的值K小于932，直接進行第二步操作。

　　第四步，與邏輯零點進行比較，得到理論壓力值，并進行BCD轉換在數碼管上顯示。

圖6 軟件流程圖

　　3 程序編程思路及流程圖

　　系統軟件編程采用狀態機機制，上電之后進行各個模塊的初始化，包括I/O口初始化、定時器初始化、SPI初始化等。初始化完后進入系統循環，在循環體中根據任務標志位進行任務處理，主要任務有：欠壓處理、數據采集、睡眠、關機等。在數據處理時，先采集通道2的值，然后采集通道1，如果傳感器未接，則采集來的值為零或者近似零，系統報警等待。如果采集來的值大于零，則參與運算。求出理論值顯示。