基于單片機(jī)的軌道壓力測試儀的實現(xiàn)

軌道電路是信號聯(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，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(shè)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(shè)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(tǒng)的組成及其工作原理
本系統(tǒng)以PIC16F876A單片機(jī)為核心，通過軟件編程實現(xiàn)其對數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)實時控制。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)對電池電壓進(jìn)行檢測和升壓穩(wěn)壓，當(dāng)電壓低于3V，系統(tǒng)停止工作，并進(jìn)行欠壓報警。主控MCU負(fù)責(zé)對采集來的壓力信號進(jìn)行數(shù)學(xué)計算，將電壓信號轉(zhuǎn)換為壓力值，在數(shù)碼管上顯示，并可以進(jìn)行手動調(diào)零及滿量程調(diào)整。系統(tǒng)精度要求是±0.1kN；可以進(jìn)行超量程報警和未接傳感器報警。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
1 電源管理電路設(shè)計
電源管理主要是對電池電壓進(jìn)行升壓和穩(wěn)壓，同時還能夠進(jìn)行過壓保護(hù)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(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分壓來確定低電壓報警門限，當(dāng)?shù)陀赗1、R2的分壓值時，LBO輸出低電平，單片機(jī)查詢到有低電平后就控制模擬開關(guān)切斷后續(xù)電路電源；輸出5V接后面的模擬開關(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
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、寬動態(tài)范圍、高分辨率的A／D轉(zhuǎn)換芯片。AD7705與單片機(jī)通過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，通過調(diào)節(jié)RP1來設(shè)置滿量程電平。單片機(jī)作為主機(jī)，通過四線（CS、SCLK、DI、DO）SPI與AD7705相連，DRDY為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成信號，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，就開始向AD7705發(fā)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(diào)零電位器送來的信號。

圖3 采樣電路

3 顯示與報警電路設(shè)計
顯示與報警電路如圖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)過三極管驅(qū)動放大控制數(shù)碼管的選擇端。當(dāng)單片機(jī)檢測到RA1口有低電平信號后，控制模擬開關(guān)切斷后續(xù)電路的電源，與此同時，D1和蜂鳴器B發(fā)出報警信號。當(dāng)壓力超過系統(tǒng)量程時，D2和蜂鳴器報警。為了區(qū)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(nèi)響的次數(shù)不同。

圖4 顯示與報警電路