基于ARM的軌枕張拉系統(tǒng)設(shè)計

蒙志強，謝擴軍，鄧耀輝

（電子科技大學 物理電子學院，四川 成都 610054）

預應(yīng)力張拉是軌枕生產(chǎn)過程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。預應(yīng)力筋的張拉力大小，將會直接影響到預應(yīng)力的張拉效果。預應(yīng)力值的大小必須符合鐵道部設(shè)計標準，不能過高也不能過低，并且允許誤差要在一定的范圍內(nèi)[1]。張拉力過高，軌枕成品在做靜載實驗時，軌枕出現(xiàn)裂縫的荷載與破壞荷載接近，往往在破壞前沒有明顯的警告，這是危險的。張拉力過低，軌枕成品做靜載實驗室時，軌枕將會過早的出現(xiàn)裂紋，不滿足生產(chǎn)要求[3]。因此設(shè)計一種精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強的張拉儀系統(tǒng)，對我國生產(chǎn)出高質(zhì)量的軌枕有重要意義，將會更好的推動我國的高速鐵路發(fā)展。

針對目前軌枕張拉儀在生產(chǎn)過程中存在的一些缺點，本文采用ARM作為微處理器，提高系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性、抗干擾能力?，F(xiàn)場的操作人員通過觸摸屏來控制軌枕張拉的過程，并且通過觸摸屏來顯示張拉值。這樣將不會再使用傳統(tǒng)張拉儀的鍵盤、操作按鈕。在生產(chǎn)現(xiàn)場由于粉塵較多，鍵盤、操作按鈕在那樣的環(huán)境下，常常容易失靈、損壞。通過觸摸屏技術(shù)，將會徹底降低公司在這方面的經(jīng)濟損失，提高公司的生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)的軌枕預應(yīng)力張拉系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)只能通過打印機打印出來或者只能在現(xiàn)場的PC機上讀取，不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程查詢。本文將采用網(wǎng)路通訊技術(shù)，把軌枕預應(yīng)力張拉儀生產(chǎn)過程中的準確信息在業(yè)主單位、監(jiān)理單位、施工單位、檢測單位之間準確、高效的傳輸，實現(xiàn)對軌枕預應(yīng)力施工質(zhì)量的“實時跟蹤，智能控制，及時糾錯”?；贏RM設(shè)計的軌枕張拉儀系統(tǒng)，將比傳統(tǒng)的軌枕張拉儀體積更小、質(zhì)量更輕、占地面積更小，更方便生產(chǎn)現(xiàn)場的調(diào)度。

1 總體設(shè)計

由千斤頂上的張拉力傳感器和位移傳感器產(chǎn)生的模擬信號，經(jīng)過一個濾波電路，再經(jīng)過一個A/D轉(zhuǎn)換電路到ARM控制器的輸入端口。通過軟件編程使ARM輸出端口輸出一個控制信號，經(jīng)過一個D/A轉(zhuǎn)電路，再經(jīng)過一個放大電路去驅(qū)動電磁閥，通過電磁閥的開通去控制千斤頂?shù)挠捅秒姍C。同時通過軟件編程驅(qū)動與ARM的控制端口連接的觸摸品模塊、打印機模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊、RS232串行接口模塊、USB接口模塊、電源模塊，從而實現(xiàn)張拉的自動控制。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件主要由S3C6410微處理器、觸摸屏、串口通信接口、網(wǎng)絡(luò)接口、打印機、電源模塊、傳感器、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、放大電路等組成。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of sleeper tensioning system

S3C6410是一個16/32位RISC微處理器，采用了64/32位內(nèi)部總線架構(gòu)，該總線架構(gòu)由AXI、AHB和APB總線組成。它還包括許多強大的硬件加速器，集成了多格式編碼器。S3C6410有一個優(yōu)化的接口連線到外部存儲器，存儲器系統(tǒng)具有雙重外部存儲器端口、DRAM、和FLAH/ROM/DRAM端口。S3C6410還包括相機接口、液晶顯示控制器、USB主設(shè)備、SD主設(shè)備、產(chǎn)生時鐘的PLL等許多硬件外設(shè)，它還提供了豐富的內(nèi)部設(shè)備。

系統(tǒng)觸摸屏采用WXCAT43-TG3#001電阻式觸摸屏。它通過10位CMOS的ADC與S3C6410連接。ADC具有8位通道的模擬輸入，將模擬的輸入信號轉(zhuǎn)換成10位二進制數(shù)字編碼，最大的轉(zhuǎn)換率是500KSPS和2.5 MHZ的ADC時鐘。觸摸屏接口控制觸摸屏的位置和方向，觸摸屏的界面包含了位置和方位控制邏輯、ADC界面邏輯和中斷發(fā)生邏輯。

系統(tǒng)的串口通信模塊采用一個五線RS-232電平串口。其原理圖如圖2所示。

圖2 RS232原理圖Fig.2 Schematic diagram of RS232

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口模塊采用WIFI模塊。其設(shè)計的原理圖如圖3所示。

系統(tǒng)的打印機采用SP-RMD微型打印機，它將每一次的張拉過程的數(shù)據(jù)記錄下來。該型號的微型打印機接口采用TTL串口，直接與S3C6410的RXD、TXD相連。該打印機具有體積小、質(zhì)量輕、高速度、高清晰、外觀美觀、操作簡單的優(yōu)點。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖3 WIFI模塊原理圖Fig.3 Schematic diagram of WIFI

該系統(tǒng)在的軟件是在linux系統(tǒng)下設(shè)計的，首先移植系統(tǒng)引導程序U-boot。然后設(shè)計U-boot程序的架構(gòu)和編寫，根據(jù)本系統(tǒng)的需要對U-boot程序進行裁減并移植到ARM平臺上。然后用相應(yīng)的制作工具生成適合嵌入式系統(tǒng)的根文件系統(tǒng)YAFFS2。系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Schematic diagram of the software system

開發(fā)主程序，該主程序功能是實現(xiàn)張拉系統(tǒng)的自動張拉過程。首先通過在觸摸屏上輸入控制命令，選擇要張拉的鋼模，對張拉的參數(shù)進行設(shè)置。其次啟動油泵的開始按鈕，并且在加載初期實行加速加載，至到加載到設(shè)定值的80%時切換到減速加載到達設(shè)定值，到達到設(shè)定值時，持荷2分鐘，然后開始回油卸載。如果在張拉過程中出現(xiàn)張拉值不符合規(guī)定，將會回油卸載并報警提示。最后記錄保存生產(chǎn)數(shù)據(jù)并打印出來。主程序的流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flow chart of the main program

開發(fā)設(shè)備驅(qū)動程序：觸摸屏程序、打印機程序、網(wǎng)卡程序、RS232串行口程序等。

4 結(jié)論

本設(shè)計軌枕張拉系統(tǒng)采用S3C6410處理器為核心，選用嵌入式linux為操作系統(tǒng)。提高了系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。采用觸摸屏代替原有控制按鈕和外置鍵盤，減少該系統(tǒng)的易損元件。通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了遠距離實時監(jiān)控生產(chǎn)數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)具有成本低、體積小、方便在生產(chǎn)現(xiàn)場調(diào)度，有良好的發(fā)展前景。

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