基于A(yíng)Tmega16的便攜式機車(chē)信號發(fā)生器的研制

摘要：便攜式機車(chē)速度信號發(fā)生器能夠模擬機車(chē)運行參數，準確輸出速度變化信號，便于檢修工作人員及時(shí)排查故障點(diǎn)，提高檢修效率。該設備采用手持式結構，主集成了脈沖形成模塊、功率放大模塊、故障診斷、信息顯示及輸入輸出等功能模塊，形成一套完善的系統，能夠獨立，精確模擬機車(chē)速度信號，并能方便，有效，可靠的檢測出機車(chē)速度信號相關(guān)的線(xiàn)路狀況，本文詳細敘述了該信號發(fā)生器的研發(fā)方案、系統構成和主要功能特點(diǎn)，并介紹了其現場(chǎng)使用情況。

機車(chē)速度檢測系統是關(guān)系機車(chē)可靠控制和機車(chē)安全運行的重要環(huán)節，直接影響機車(chē)運行的安全正點(diǎn)。目前周內鐵路主要干線(xiàn)機車(chē)機車(chē)的過(guò)渡裝置、監控裝置、防空轉系統、車(chē)載軸承檢測裝置所需的機車(chē)速度信號，是由安裝在機車(chē)輪對車(chē)軸上的速度傳感器提供的。普遍采用了光電速度傳感器，速度信號提供給速度表、列車(chē)運行監控記錄裝置系統、機車(chē)控制電子柜以及內燃機車(chē)微機勵磁系統。當機車(chē)回段檢修時(shí)，由于不能動(dòng)車(chē)或動(dòng)車(chē)速度不高，沒(méi)有速度信號輸出或輸出速度信號強度不夠，因而這些需要速度信號的系統檢測就成了機車(chē)測試、檢修中一項比較困難的工作。為此，設計研制機車(chē)光電速度傳感器模擬信號發(fā)生器，使機車(chē)在靜態(tài)不動(dòng)車(chē)情況下模擬發(fā)出速度信號，對滿(mǎn)足機車(chē)檢修工作的需要有著(zhù)重要意義。

1 總體方案

1.1 系統設計原理

該設備發(fā)出的模擬信號要求與國內鐵路各干線(xiàn)上目前所用的DF4D，DF8，DF11，SS7，SS8及SS9等型機車(chē)上所裝的速度傳感器輸出信號相互兼容，同時(shí)由于各種機車(chē)輪徑不同，該設備要能夠調節輪徑大小，并輸出對應頻率脈沖，該機車(chē)速度信號發(fā)生器應達到如下要求：1)信號輸出為占空比為50%的方波信號，高電平選取12V;2)輸出帶寬為2～9 999Hz;3)輸出最大直流電流為10 mA;4)輸出精度為1%;5)采用數字

液晶表頭顯示對應機車(chē)速度;6)適用DF-16型各種光電式速度傳感器。

1.2 主系統框圖

主系統框圖如圖1所示。

2 系統設計

2.1 硬件電路設計

2.1.1 單片機來(lái)模擬傳感器的脈沖信號發(fā)生電路

由于單片機的工作頻率高達12 MHz，而機車(chē)速度信號經(jīng)過(guò)換算后的最高頻率是4.23 KHz(按300 km/h)，因此用單片機設置模擬信號精度高(0.05%)，而且操作簡(jiǎn)單，界面友好。

2.1.2 電源系統

電源系統主要是為各個(gè)系統供電，為保證速度信號發(fā)生器和機車(chē)電路的安全，所有電源都采用了光耦隔離措施，確保了機車(chē)與發(fā)生器獨立工作，本裝置主要需要5 V、3.3 V等電源，均采用模塊化的DC—DC開(kāi)關(guān)電源，DC—DC開(kāi)關(guān)電源具有極寬的輸入范圍。

2.1.3 人機交互界面

采用3.5寸彩色液晶屏，該顯示器采用TFT總線(xiàn)型，具有全硬件實(shí)現。不死機，穩定可靠。

2.1.4 速度信號輸出與采集電路

為保證速度信號發(fā)生器和機車(chē)電路的安全，信號的輸入輸出都采用了光耦隔離措施，確保了機車(chē)與發(fā)生器獨立工作。

2.2 軟件設計

ATmega16在軟件上能有效支持C語(yǔ)言及匯編語(yǔ)言。C語(yǔ)言目前已成為設計嵌入式系統的標準語(yǔ)言，它既有普通高級語(yǔ)言結構化編程、可讀性好、維護方便的特點(diǎn)，又具有匯編等低級語(yǔ)言對硬件訪(fǎng)問(wèn)方便、代碼效率高的特點(diǎn)。本設計是用C語(yǔ)言編程實(shí)現的，具有很好的可移植性，其程序流程圖如圖5所示。

2.2.1 脈沖產(chǎn)生軟件設計

速度信號發(fā)生器最重要的數據輸出就是速度信號，速度信號的脈沖頻率直接由速度和輪徑?jīng)Q定，并且與速度成正比，與輪徑成反比。該設備通過(guò)軟件設定實(shí)際機車(chē)的輪徑，并設定模擬速度，通過(guò)軟件計算發(fā)送出對應的速度信號，下面介紹程序里的速度脈沖信號產(chǎn)生部分：

程序思路為：先由設定的速度和輪徑，通過(guò)計算得出車(chē)輪轉速，由車(chē)輪轉速計算得出需要信號的周期，并對周期加以分析，通過(guò)特定參數對周期修正，得出需要的頻率，最后配置定時(shí)器在I/O口輸出對應的脈沖信號。

3 結束語(yǔ)

基于ATmega16單片機的便攜式機車(chē)信號發(fā)生器具有功耗低、結構簡(jiǎn)單、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，并且減少了外圍接口器件，提高了系統工作可靠性。

在實(shí)際應用中能同時(shí)測試四路機車(chē)速度信號，具有使用簡(jiǎn)單、可靠、維修方便、容易、操作安全、靈活等多種優(yōu)點(diǎn)，測試結果直觀(guān)，能直接顯示出機車(chē)速度檢測部分的電源錯誤、斷路錯誤和速度檢測準確度等。