軌道衡數據采集與傳輸系統(tǒng)設計方案探討

陳瀚鳴 中國鐵路上海局集團有限公司科研所

1 引言

動態(tài)軌道衡作為鐵路稱重衡器，特點是對行進中的火車進行動態(tài)稱量。隨著現代自動化技術的發(fā)展，傳感器技術的革新，軌道衡、汽車衡等大型衡器得到了大量應用。它們的出現既提高了貨物運輸的效率，又保障了貨物運輸過程中的準確性。但隨著時代的發(fā)展，僅僅采用以往的靜態(tài)軌道衡已經無法滿足現在快速測量的要求，動態(tài)軌道衡應運而生。動態(tài)軌道衡憑借著計量速度及時、計量范圍大、準確度較高、性能優(yōu)秀等優(yōu)點，廣泛運用各企業(yè)。但是軌道衡從靜到動的轉變過程中，動態(tài)軌道衡始終存在一大弊?。壕鹊汀Ｒ虼吮疚膹膭討B(tài)軌道衡數據傳輸的角度，解析比較如何優(yōu)化，能夠提高動態(tài)軌道衡數據采集中的精度。

2 軌道衡數據傳輸結構介紹

動態(tài)軌道衡上過車時，車速以低速（5 km/h-20 km/h）通過稱臺時，每節(jié)車廂的轉向架會按順序作用在稱臺臺面，產生重量信號通過稱體傳輸給傳感器，傳感器會將被測車輛的質量和車軸變化信息作為模擬電壓信號輸出。采集系統(tǒng)則將重力傳感器輸出的模擬信號轉化為計算機可以處理的數字信號，然后再通過計算機進行數據處理，得出數據，如圖1所示。

圖1 軌道衡信號傳輸示意圖

本文將著重分析圖2中的數據采集傳輸過程，研究傳輸過程中的硬件設施配置、相關電路優(yōu)化、配套軟件升級。

圖2 軌道衡數據采集系統(tǒng)框圖

3 放大電路

在動態(tài)軌道衡中，傳感器輸出的信號很小，之后的處理都要用到放大電路。放大電路一般采用儀表放大器完成。儀表放大器是一種精密的差分電壓放大器，它是運算放大器的改良版。儀表放大器會把關鍵的元件集成在放大器內部，所以具有高的共模抑制比，高輸入阻抗，低噪聲，低線性誤差，低失調漂移等有點，廣泛運用于數據采集中。常見的儀表放大器有差動放大器、雙運放儀表放大器、三運放儀表放大器等。

3.1 差動放大器

差動放大器的結構如圖3所示：

圖3 常見差動放大器基本結構

它是由兩個原件完全相同的共射級放大電路組成，電位器RP是用來調節(jié)T1，T2管的靜態(tài)工作點，使輸入信號UI=0時，雙端輸出電壓U0=0。RB是兩管共用的射級電阻，它對差模信號無影響但對共模信號有很強的負反饋作用，可以抑制零點漂移，穩(wěn)定靜態(tài)工作點。

該電路的傳遞函數為:

該放大器顯而易見，結構簡單，僅使用一個運放即可完成信號放大，但缺點也很明顯，輸入阻抗低。輸出增益僅由RC和RE的比值決定，高增益的同時輸入阻抗就會降低。而且，這種電路噪聲性能也并不優(yōu)秀，提高輸入阻抗就要增加電阻阻值，這樣容易產生更大的噪聲信號。最后，此電路共模信號比會得到抑制，除非再增加運放級聯(lián)引入增益，否則并不是很適合軌道衡如此高精度的信號處理。

雙運放儀表放大器的結構如圖4：

圖4 雙運放儀表放大器

3.2 雙運放儀表放大器

雙運放儀表放大器的輸入阻抗較高，直流共模抑制性能會受到R1/R2和R1’/R2’的匹配限制。這種結構的共模抑制比對電阻器阻值變化的靈敏度比差分放大器要略大一些。由于兩個通路不平衡，同相通路信號的頻率響應與反相通路信號不同。由于反相通路要通過兩級電路而不是一級電路，因此在反相通路中出現了一個相位延遲，并且壓擺率和帶寬特性也會不同，其噪聲性能也會差一些。

動態(tài)軌道衡中可以使用雙運放儀表放大器。以AD廠家的AD627為例（圖5）：

圖5 AD627簡化示意圖

AD627是一款完整的微功耗儀表放大器，提供軌到軌輸出擺幅，采用單電源供電。AD627提供出色的交流與直流性能，工作時的最大功耗僅為85μA。

AD627是使用兩個反饋環(huán)路構成的真正儀表放大器。它的通用特性類似于那些傳統(tǒng)的雙運放儀表放大器，并且可認為是雙運放儀表放大器，但是其內部細節(jié)有些不同。

AD627采用改進的電流反饋電路，與內級前饋頻率補償電路耦合，因而在DC以上（特別是50 Hz～60 Hz電源頻率）的頻率條件下具有比其它低功耗儀表放大器更好的共模抑制比（CMRR）。

如圖5所示，A1與V1和R5連接構成一個完整的反饋環(huán)路，迫使流過Q1集電極電流恒定。假設此時不連接增益設置電阻器（RG）。電阻器R2和R1完成環(huán)路并且迫使A1的輸出電壓等于具有1.25（幾乎精確）增益的反向端電壓。由A2構成的幾乎相同的反饋環(huán)路迫使一個電流流過Q2，它本質上與流過Q1的電流相同，并且A2也提供輸出電壓。當兩個環(huán)路都平衡時，從同向端到VOUT的增益等于5，而從A1的輸出到VOUT的增益等于－4。A1的反向端增益（1.25）乘以A2的增益（－4）使反向端和同向端的增益相等。

軌道衡放大電路采用AD627有以下優(yōu)點：

單電源條件下輸出，電源壓力??；

雙電源條件下仍然擁有優(yōu)良性能；

增益通過外接電阻調節(jié)，G最大可達1 000；

共模抑制比會隨著G增大而增大，減小誤差；

低功耗，寬電源電壓，線性、穩(wěn)定性、可靠性好；

較寬的共模輸入范圍；

高精度直流、交流性能。

3.3 三運放儀表放大器

三運放儀表放大器的結構如圖6：

圖6 三運放儀表放大器基本電路

第一級電路讓共模信號有效地通過，沒有任何放大或衰減，第二級差動放大器將共模信號去除。由于額外提升了差分增益，雖然電阻器的匹配狀況并沒有改善，但是系統(tǒng)的有效共模抑制能力卻得到了增強。在實際應用中需要注意：

（1）必須在第一級提供增益；

（2）系統(tǒng)的共模抑制不是由前兩個放大器的共模抑制比性能決定的，而是取決于兩個共模抑制的匹配程度。然而雙運算放大器從來不會給出這一指標，因此選擇時必須要求CMRR性能指標比需要的目標性能指標至少好6 dB；

（3）如果電阻器有某些對地的泄露通路，CMRR指標就會降低；

（4）儀表放大器前面的元件要盡可能設計得平衡。如果儀表放大器同相通路中低通濾波器和反相通路中低通濾波器具有不同截止頻率，系統(tǒng)的CMRR特性將會隨著頻率的升高而降低。

對于儀表放大器的第一級，每個運算放大器都要保持其兩個電壓輸入端的電壓相同。圖4中R4兩端的差分電壓應當和兩個輸入端的電壓相同，這個電壓產生一個電流，流過電阻器R3并產生了放大器的增益。

目前軌道衡放大電路較多地采用的是AD公司的三運放儀表放大器，或者是TI公司的INA系列。三運放儀表放大器相較于雙運放儀表放大器相比，結構性能高，噪聲和CMRR性能會隨著增益的增加而改善，高頻性能好，很適用于軌道衡。圖7以AD公司的AD625為例：

圖7 AD625的芯片結構

通過外接電阻R1,R2,R3控制增益，可以控制1-10000倍的增益放大范圍。RF為反饋電阻。在軌道衡電路中，一般將RF設置成20Ω。為使輸入信號放大后幅值在3/4滿度附近，圖示電路中將R1,R2設置到20Ω，R2,RG設置到100Ω，通過公式:

可得G=401。在具體軌道衡運用中，既可以調節(jié)增益電阻RG，也可以固定AD625的放大倍數，在濾波電路處理后再次進行二次放大，調節(jié)二次方大電路的反饋電阻阻值進行輸出增益控制。

4 濾波電路

濾波一般才用普通的RC濾波電路，一級二級均可。RC濾波電路相比LC濾波電路，體積小，成本低，且適用于低頻信號濾波；自動軌道衡過車多為貨車，擺動與振動頻率較大，高頻信號很多，RC低通濾波電路在消除高頻信號中表現優(yōu)于LC濾波電路，更適用于自動軌道衡（圖8）。

圖8 一階有源RC低通濾波電路圖

5 A/D轉換器

自動軌道衡中，終端接收來自線路上的模擬信號并轉化為數字信號，所以A/D轉換電路通常采用D/A模數轉換芯片，一般的四測區(qū)稱重模塊需要有四路采樣通道，16位單極模數轉換。以AD公司的7655為例（圖9）：

圖9 AD7655外部引腳圖

輸入范圍±5 V和±3 V，由35號CNVST引腳啟動。當接收到CNVST脈沖時，此芯片內部會將滿足模擬輸入范圍的輸入電壓信號經過采樣-保持-放大器轉換，放大至0 V～3 V范圍，然后送至ADC輸入端。

軌道衡中的DA轉換器主要要注意一下幾個指標：

分辨率：是DA轉換的精度。軌道衡模數轉換精度要求不是太高，選用分辨率一般的（如電壓輸出型或電流輸出的TLC系列）即可。

建立時間：電流輸出型較短，電壓輸出型較長。自動軌道衡對建立時間要求不高，因此選用電壓型或乘算型（如AD7553）即可。

轉化精度：如AD7655，采用一個二極管在輸入端做ESD保護，當輸入超出范圍時，會形成正向偏壓，保護短路電流；采用差動輸入，減少小信號共同輸入，因此有良好的轉化精度。

6 結束語

自動軌道衡數據傳輸主要由以上幾個部分組成，其中濾波電路和模數轉換電路選擇比較隨意，放大電路的選擇較多，也是數據處理流程中比較重要的一環(huán)，需要對比優(yōu)劣，選擇最適合的放大電路元器件。關于數據傳輸系統(tǒng)軟件計算機部分和終端部分內容較多，在此不做展開，希望本文能夠拋磚引玉，幫助大家對軌道衡的數據傳輸有一個更直觀的了解。