基于PC104的放線車檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

姜和泰

（中國空空導(dǎo)彈研究院 河南 洛陽 471009）

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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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[1]。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[2]，但是這些進(jìn)口放線車都是按照其本國的施工條件來進(jìn)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(jìn)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[3]。

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(zhǔn)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(jìn)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(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程中均選擇4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)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(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Verilog HDL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。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

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(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(dá)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。

圖2 I/V轉(zhuǎn)換電路Fig.2 I/V converter circuit

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(fù)雜的外部環(huán)境當(dāng)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。

圖3 遲滯比較電路及傳輸特性Fig.3 Comparing circuit with hysteresis and output characteristics

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[4]：

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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)頻率信號的變化次數(shù)M，則待測信號的頻率F=M/TX[6]。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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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。

表1 采集調(diào)理電路誤差分析Tab.1 Error analysis of acquisition and conditioning circuit

ΔA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(yuǎn)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(zhǔn)頻率信號，測量邏輯產(chǎn)生的基準(zhǔn)頻率信號的誤差小于3個基準(zhǔn)信號周期，可以通過提高基準(zhǔn)頻率的方法降低測量誤差。當(dāng)放線速度10 km/h，基準(zhǔn)頻率100 kHz時，測量相對誤差=誤差基準(zhǔn)信號周期個數(shù)/1個被測信號周期內(nèi)基準(zhǔn)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(zhǔn)頻率信號計數(shù)值約為3.8×104，測量誤差≈7.9×10-3%。遠(yuǎn)小于測試精度要求。

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(biāo)，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?jǐn)?shù)，它可以用下式表示[6]：

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?；赑C104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。

[1]葉永欽.提高恒張力放線車防線精度的分析與探討[J].科技信息，2011（16）：722-723.

YE Yong-qin.Analysisand discussion on thepay-off precision of pay-off train with constant tension[J].Science&Technology Information，2011（16）:722-723.

[2]安玉濤.淺析接觸網(wǎng)恒張力放線車結(jié)構(gòu)與功能的基本要求[J].石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2007（6）：61-63.

AN Yu-tao.Analysis on the basic requirement of structure and function of overhead contact line pay-off train with constant tension[J].Journal of Shijiazhuang Institute of Railway Technology，2007（6）:61-63.

[3]王紅宣，杜壁秀，余毅，等.一種PC104總線多功能模塊設(shè)計[J].機電工程技術(shù)，2005，34（7）：17-19.

WANG Hong-xuan，DU Bi-xiu，YU Yi，et al.The design of PC104 multifunctional module[J].Machine Development，2005，34（7）:17-19.

[4]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)-模擬部分[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

[5]古天翔，王厚軍，習(xí)友寶.電子測量原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[6]張佳薇，張麗萍，宋文龍.傳感器原理與應(yīng)用[M].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)出版社，2003.