基于單片機(jī)的機(jī)車速度信號模擬與測量裝置

鄭 平

（南昌鐵路局 福州機(jī)務(wù)段，福建福州350014）

目前我國鐵路機(jī)車上使用的速度傳感器主要有光電轉(zhuǎn)速傳感器、霍爾式速度傳感器和磁電式速度傳感器3種，其中使用最多的是光電轉(zhuǎn)速傳感器（以下簡稱光電傳感器）。在機(jī)車運行狀態(tài)下，光電傳感器為輪緣涂油器、電阻制動裝置等機(jī)車電氣提供速度信號。對靜止?fàn)顟B(tài)下的機(jī)車進(jìn)行檢修時，安裝在車輪轉(zhuǎn)軸上的光電傳感器沒有速度信號輸出，這樣就很難對需要速度信號才能工作的機(jī)車電氣進(jìn)行檢修。為了對這些機(jī)車電氣進(jìn)行檢修，需要能模仿光電傳感器輸出信號的裝置。有時為了隨車檢測機(jī)車電氣工作狀態(tài)，也需要準(zhǔn)確地測量光電傳感器輸出信號反映的速度與機(jī)車實際運行速度的差異。為此研制了基于單片機(jī)的機(jī)車速度信號模擬與測量裝置（以下簡稱模擬裝置）。

1 硬件結(jié)構(gòu)

模擬裝置主要由模擬信號發(fā)生器、標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器、信號高電平電壓測量、機(jī)車輪對直徑設(shè)置、LED數(shù)碼管顯示及單片機(jī)最小系統(tǒng)等電路組成。

1.1 模擬信號發(fā)生器

模擬信號發(fā)生器電路如圖1所示，主要由可調(diào)精密電壓基準(zhǔn)LM431、多圈電位器、電壓頻率轉(zhuǎn)換器AD654、六反相器CD4069、光電耦合器及一些電阻電容等組成。

AD654第1腳為方波信號輸出端，第2腳為邏輯地，第3腳與地之間接定時電阻R，第4腳為同相電壓輸入端，第6、7腳為定時電容C輸入端，第8、5腳為正、負(fù)電源輸入端。本電路采用單電源供電，第2腳與第5腳接電源負(fù)端。輸入電壓U量程由定時電阻R決定，即U／R=1mA。本電路U=0～2V，取用R=2kΩ。輸出頻率f由C決定，f=1／10C（f單位為kHz，C單位為μF）。本電路C=0.0 2μF，輸出頻率范圍為0～5kHz，調(diào)節(jié)多圈電位器W1可改變輸出的模擬信號頻率。

圖1 模擬信號、標(biāo)準(zhǔn)信號、電壓測量電路

模擬信號發(fā)生器中的光電耦合電路元件取自因機(jī)械故障報廢的光電傳感器。機(jī)車上的光電耦合電路發(fā)光二極管由15V直流電驅(qū)動發(fā)光，光柵盤在車輪轉(zhuǎn)軸的帶動下旋轉(zhuǎn)，利用光柵盤遮擋作用使光源變?yōu)閿嗬m(xù)光，在斷續(xù)光的作用下光敏三極管通、斷交替切換而產(chǎn)生方波信號。在模擬信號發(fā)生器中改由方波驅(qū)動發(fā)光二極管產(chǎn)生斷續(xù)光，因此從5芯插座第5腳輸出的模擬信號波形與負(fù)載能力幾乎與光電傳感器輸出信號一樣。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器

標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器電路如圖1右上方所示，主要由14級二進(jìn)制分頻器／振蕩器CD4060、32 768Hz石英晶體振蕩器、反相器及一些電阻電容組成。CD4060產(chǎn)生方波信號經(jīng)反相器、限流電阻、穩(wěn)壓管后，輸出頻率為1 024Hz、高電平電壓為10V的標(biāo)準(zhǔn)信號。標(biāo)準(zhǔn)信號用于模擬裝置自校，也可作為第2路模擬速度信號使用。

1.3 信號高電平電壓測量

信號高電平電壓測量電路如圖1左上方所示，由AD654、二極管及一些電阻電容組成。模擬裝置或光電傳感器輸出的方波信號經(jīng)峰值保存與分壓后進(jìn)入電壓頻率轉(zhuǎn)換電路，這樣方波信號高電平電壓就被轉(zhuǎn)換成頻率信號，頻率信號送往單片機(jī)測頻，所測頻率值除100即為信號高電平電壓，通過調(diào)節(jié)1kΩ精密多圈電位器對信號高電平電壓測量值進(jìn)行標(biāo)定。

1.4 機(jī)車輪對直徑設(shè)置

機(jī)車輪對直徑設(shè)置電路如圖2左側(cè)所示，由反相器、多圈電位器、電容及電阻組成。輪對直徑設(shè)置電路利用CD4069中的兩級反相器和R、C元件構(gòu)成阻容振蕩器，振蕩器產(chǎn)生的方波信號送往單片機(jī)測量頻率，頻率測量值即為機(jī)車輪對直徑，調(diào)節(jié)多圈電位器W3即可改變機(jī)車輪對直徑設(shè)置。

圖2 輪徑設(shè)置、單片機(jī)系統(tǒng)、數(shù)碼管顯示

1.5 LED數(shù)碼管顯示

LED數(shù)碼管顯示電路如圖2右側(cè)所示，由8個共陽極LED數(shù)碼管、8個9012三極管及一些電阻組成。

1.6 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2左側(cè)所示，由89C52單片機(jī)、時鐘電路、自動復(fù)位電路組成。系統(tǒng)時鐘頻率為12 MHz，89C52單片機(jī)內(nèi)8K可電擦除存儲器用于存放測量程序。

1.7 工作電源

模擬裝置工作電源采用內(nèi)置4節(jié)3.7V鋰電池，鋰電池經(jīng)過二極管為模擬與標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器電路供電，通過LM7805為其他電路提供5V電源。鋰電池可持續(xù)工作十幾個小時，鋰電池虧電時可外接穩(wěn)壓電源充電。

2 測速原理

假設(shè)機(jī)車速度為v（km／h）、輪 對轉(zhuǎn) 速為n（r／min）、機(jī)車輪對直徑為D（mm）、模擬裝置或光電傳感器輸出信號頻率為f、輪對每轉(zhuǎn)光電傳感器輸出脈沖數(shù)為P（目前國內(nèi)機(jī)車P為200），那么機(jī)車速度v可用式（1）表示。

模擬裝置采用單片機(jī)多周期同步測頻法測量速度信號頻率，多周期同步測頻法原理如圖3所示。

圖3 多周期同步測頻法原理

從a點開始，單片機(jī)外部中斷口INT0收到速度信號下降沿時，INT0中斷服務(wù)程序通過軟件觸發(fā)定時器／計數(shù)器T0開始對計時脈沖m的計數(shù)（計時脈沖頻率為單片機(jī)時鐘頻率的1／12，單片機(jī)時鐘為12MHz，每個計時脈沖時間為10-6s），同時開啟對速度信號脈沖M的計數(shù)。之后速度信號脈沖每個下降沿到來時，INT0中斷服務(wù)程序在計數(shù)的同時還要查詢T0計時時間是否已超過預(yù)定的測頻時間t0（t0為1s）。當(dāng)計時時間超過t0時，單片機(jī)就停止T0的計時，同時也停止對速度信號脈沖的計數(shù)。這樣就實現(xiàn)了對速度信號脈沖與計時脈沖的同步計數(shù)，所以f與M、t、m之間的關(guān)系可用式（2）表示。

將（2）式代入（1）式就得到v與D、M、m之間的關(guān)系如式（3）：

3 測量程序簡介

測量程序主要有主程序、INT0中斷服務(wù)程序、T0中斷服務(wù)程序、顯示程序等。

3.1 主程序

主程序完成系統(tǒng)初始化及顯示測量結(jié)果的任務(wù)。系統(tǒng)初始化主要包括設(shè)置堆棧指針地址，內(nèi)部RAM存儲器清零，設(shè)置T0為16位定時器、T1為16位計數(shù)器、并預(yù)置T0與T1的初值，設(shè)置INT0、INT1為脈沖下降沿觸發(fā)方式，設(shè)置INT0為中斷優(yōu)先級，設(shè)置允許INT0、INT1與T0中斷等。

系統(tǒng)初始化結(jié)束后主程序通過不斷調(diào)用顯示程序的方法來顯示測量結(jié)果。

3.2 INT0中斷服務(wù)程序

INT0中斷服務(wù)程序用于對速度信號計數(shù)及控制T0、T1的運行。當(dāng)INT0第一次收到速度信號下降沿時將T0、T1運行控制位置1，這樣T0開始計時、T1開始計數(shù)，然后返回主程序。INT0隨后再中斷時將記錄速度信號脈沖數(shù)的RAM內(nèi)存單元加1，同時查詢標(biāo)志1s時間到的RAM內(nèi)存單元是否為1。查詢結(jié)果為0時馬上返回主程序，查詢結(jié)果為1表明計時時間已到，此時就停止T0計時，并且禁止一切中斷。隨后讀入T0計時與T1計數(shù)結(jié)果、讀入機(jī)車輪對直徑設(shè)置值D，按公式（3）計算獲得機(jī)車速度，再將速度計算結(jié)果與代表信號高電平電壓的T1計數(shù)值送往RAM內(nèi)存顯示單元供顯示程序使用。最后T0與T1重新置初值、將相關(guān)RAM內(nèi)存單元清0、開中斷后返回主程序。

3.3 T0中斷服務(wù)程序

T0的作用是控制速度信號與高電平電壓信號的采樣時間。由于時鐘頻率為12MHz時提供給定時器的脈沖時間間隔是1μs，16位定時器最長定時時間只有65.536ms，因此必須采取多次計時的方法實現(xiàn)1s的定時時間。本程序采用每次定時62.5ms，16次完成1 s的定時任務(wù)。當(dāng)62.5ms定時時間到的時候執(zhí)行T0中斷服務(wù)程序，中斷服務(wù)程序先重新預(yù)置T0初值，然后將記錄T0中斷次數(shù)的RAM內(nèi)存單元加1，接著返回主程序。如果是第16次中斷還要將標(biāo)志1s時間到的RAM內(nèi)存單元置1并停止T1計數(shù)，然后返回主程序。

3.4 顯示程序

顯示程序的主要任務(wù)是將測量結(jié)果顯示出來，8位LED數(shù)碼管采用動態(tài)掃描顯示方式。顯示程序先將要顯示的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為8位十進(jìn)制數(shù)，然后查表獲得某位十進(jìn)制數(shù)的段代碼（包括小數(shù)點），通過P0口輸出到每個數(shù)碼管。接著通過P1口輸送該位十進(jìn)制數(shù)所對應(yīng)數(shù)碼管的選通信號，使該位數(shù)碼管共陽極端為高電平，并通過軟件延時保持一段時間，在這一段時間里只有該位數(shù)碼管亮，其余數(shù)碼管都不亮。該位數(shù)碼管顯示結(jié)束后再顯示另1位，如此8位不斷循環(huán)。由于每秒循環(huán)次數(shù)較多，人眼不會感覺閃爍。8位數(shù)碼管中的4位用于顯示機(jī)車速度，另外4位數(shù)碼管自動輪流顯示機(jī)車輪對直徑與信號高電平電壓。

4 應(yīng)用

4.1 測量誤差

模擬裝置速度測量誤差主要來自單片機(jī)時鐘頻率穩(wěn)定度及頻率誤差。由于模擬裝置對速度信號頻率測量采用了測量精度較高的多周期同步測頻法，同時通過軟件修正單片機(jī)時鐘頻率誤差，因此模擬裝置速度測量誤差還是比較小的。模擬裝置在自制過程中用高精度信號發(fā)生器對其誤差進(jìn)行校驗，校驗結(jié)果表明模擬裝置速度測量誤差為±（0.1%+0.1），完全能滿足機(jī)車檢修工作的需要。

為了簡化結(jié)構(gòu)，模擬裝置采用了較簡單的信號高電平電壓測量電路，電壓測量誤差約為±（2%+0.1）。由于模擬裝置測量信號高電平電壓的目的是為了檢查機(jī)車電氣能識別的速度信號高電平電壓，其測量誤差不會對識別結(jié)果有實質(zhì)性的影響。

4.2 自校方法

自校時將圖1所示的模擬／測量開關(guān)K撥向測量位、將5芯插座第1腳與第4腳連接，此時開關(guān)K斷開、1 024Hz的標(biāo)準(zhǔn)信號就被用于自校，1 024Hz標(biāo)準(zhǔn)信號高電平電壓被穩(wěn)壓管控制在10V。由于AD654構(gòu)成的電壓頻率（V／F）轉(zhuǎn)換電路有較好的線性，同時多周期同步測頻法能在較寬的頻率范圍內(nèi)獲得高精度的測量結(jié)果，所以只要用一個穩(wěn)定幅值與頻率的方波信號自校就能達(dá)到對模擬裝置測量精度進(jìn)行檢驗的目的。

自校顯示的速度值要根據(jù)公式（1）計算，當(dāng)機(jī)車輪對直徑為1000mm時顯示值應(yīng)為57.9±0.2（km／h），信號高電平電壓自校顯示值應(yīng)為10±0.3（V）。

4.3 應(yīng)用情況

2010年試制了樣機(jī)在福州機(jī)務(wù)段福州檢修車間與邵武整備車間試用，2011年根據(jù)試用情況改進(jìn)后又自制了幾臺投入使用。

模擬／測量開關(guān)K在模擬位時，通過向靜止?fàn)顟B(tài)下的機(jī)車輸送模擬速度信號使相關(guān)電氣處于工作狀態(tài)，實現(xiàn)對機(jī)車電氣的動態(tài)檢測。

模擬裝置5芯插座第4腳能輸出1路速度與高電平電壓可調(diào)的模擬速度信號，該信號可以通過機(jī)車上的接線端子輸送到輪緣涂油器、內(nèi)燃機(jī)車過渡裝置、電阻制動裝置等機(jī)車電氣，調(diào)節(jié)電位器W1與W2改變模擬信號的速度與高電平電壓，觀察機(jī)車電氣動作情況可判斷機(jī)車電氣的工作狀態(tài)。

模擬裝置通過5芯插座第1腳可以輸出1路頻率固定為1 024Hz的信號，該信號配合第4腳輸出的可調(diào)速模擬信號用于電力機(jī)車空轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的檢測。

模擬裝置還可以通過5芯插座第5腳及帶有輸出插頭的專用連接線代替光電傳感器向機(jī)車電氣輸送模擬速度信號。調(diào)節(jié)模擬信號速度，觀察機(jī)車電氣動作情況可判斷該電氣的工作狀態(tài)、該電氣與機(jī)車車體外的光電傳感器之間的連接線路是否正常，此時為了判斷光電傳感器插座供電狀態(tài)，模擬裝置電源開關(guān)放置在關(guān)機(jī)位，15V工作電源從光電傳感器插座獲取。

模擬／測量開關(guān)K在測量位時，可以隨車檢測從5芯插座第4腳輸入的光電傳感器信號所反映的機(jī)車速度，也同時檢測光電傳感器輸出信號的高電平電壓。

5 結(jié)束語

為了能在機(jī)車靜止?fàn)顟B(tài)下對需要速度信號才能工作的機(jī)車電氣進(jìn)行檢修，機(jī)車速度信號模擬裝置是機(jī)車檢修工作中必需的檢測儀器。目前路內(nèi)也有單位制作了類似的檢測儀器，與同類檢測儀器相比模擬裝置有以下幾個特點。

（1）采用獨特的方式設(shè)置機(jī)車輪對直徑，能在不卸下光電傳感器的情況下向機(jī)車電氣輸送模擬速度信號，使用方便。

（2）采用了與光電傳感器一樣的信號輸出電路，能準(zhǔn)確地模仿機(jī)車運行中光電傳感器輸出的信號，有利于機(jī)車電氣故障的診斷。

（3）在機(jī)車運行中，能快速與準(zhǔn)確地測量光電傳感器輸出信號所反映的機(jī)車速度，通過與機(jī)車實際運行速度的比較可判斷相關(guān)電氣的工作狀態(tài)。

（4）具有速度信號高電平電壓測量顯示功能，通過測量機(jī)車電氣能識別的速度信號高電平電壓值有助于判斷其性能。

［1］TB／T2760.1-2010.機(jī)車轉(zhuǎn)速傳感器（第1部分）：光電轉(zhuǎn)速傳感器［S］.

［2］孫育才.MCS-51系列單片微型計算機(jī)及其應(yīng)用［M］.南京：南京大學(xué)出版社，1992.

［3］張雪平.單片機(jī)多周期同步法提高測頻準(zhǔn)確度［J］，電子測量技術(shù)，2004，（3）：60-61.