基于PIC單片機的軌道壓力測試儀的實(shí)現

　　軌道電路是信號聯(lián)鎖的室外重要設備，起著(zhù)保證行車(chē)和調車(chē)作業(yè)安全的作用。它能監督檢查某一固定區段內的線(xiàn)路（包括站線(xiàn)）是否有列車(chē)運行、調車(chē)作業(yè)或車(chē)輛占用的情況，并能顯示該區段內的鋼軌是否完整。它是以鋼軌為導線(xiàn)，軌縫間用接續線(xiàn)連續起來(lái)，一端接電源，另一端連接受電器，通過(guò)軌道電流來(lái)工作。

　　軌道電路能否正常工作直接影響到列車(chē)的安全行駛，因此，對軌道電路的檢測尤為重要，目前市場(chǎng)上的檢測設備還很少，而且普遍存在功耗大，價(jià)格昂貴，體積大等不足。為此，本文通過(guò)對軌道電路分析研究，設計一種高精度的壓力測試儀器來(lái)模擬火車(chē)對軌道的壓力，從而驗證軌道電路的性能。

　　系統的組成及其工作原理

　　本系統以PIC16F876A單片機為核心，通過(guò)軟件編程實(shí)現其對數據處理、系統實(shí)時(shí)控制。系統框圖如圖1所示，由主控MCU模塊、A/D采樣模塊、電源管理模塊、顯示模塊和傳感器組成。

圖1 系統結構圖

　　本系統各部分的主要功能是：電源管理主要負責對電池電壓進(jìn)行檢測和升壓穩壓，當電壓低于3V，系統停止工作，并進(jìn)行欠壓報警。主控MCU負責對采集來(lái)的壓力信號進(jìn)行數學(xué)計算，將電壓信號轉換為壓力值，在數碼管上顯示，并可以進(jìn)行手動(dòng)調零及滿(mǎn)量程調整。系統精度要求是±0.1kN；可以進(jìn)行超量程報警和未接傳感器報警。為了達到低功耗的目的，在軟件中做了休眠和關(guān)機的功能。

　　系統硬件設計

　　1 電源管理電路設計

　　電源管理主要是對電池電壓進(jìn)行升壓和穩壓，同時(shí)還能夠進(jìn)行過(guò)壓保護和低壓報警功能。采用TPS60230芯片組成升壓電路，TPS60230是TI公司生產(chǎn)的一種新型電荷泵DC/DC轉換器。其應用原理如圖2所示。電池的電壓2～5.4V接入TPS60230輸入腳IN，圖中C1、C2為電荷泵電容，采用等效電阻小的電容。R1、R2分壓來(lái)確定低電壓報警門(mén)限，當低于R1、R2的分壓值時(shí)，LBO輸出低電平，單片機查詢(xún)到有低電平后就控制模擬開(kāi)關(guān)切斷后續電路電源；輸出5V接后面的模擬開(kāi)關(guān)和單片機。

圖2 電源管理電路

　　2 單片機與采樣電路設計

　　根據精度要求，本系統采用ADI公司的16位A/D芯片AD7705，AD7705芯片將放大、濾波和A／D轉換單元集于一體，是一種低成本、寬動(dòng)態(tài)范圍、高分辨率的A／D轉換芯片。AD7705與單片機通過(guò)SPI進(jìn)行數據通信，連接如圖3所示，其中，CH1和CH2為差模輸入通道，REF為滿(mǎn)量程電平，通過(guò)調節RP1來(lái)設置滿(mǎn)量程電平。單片機作為主機，通過(guò)四線(xiàn)（CS、SCLK、DI、DO）SPI與AD7705相連，DRDY為數據轉換完成信號，低電平有效，與單片機RC2口相連，單片機查詢(xún)到RC2口有低電平時(shí)，就開(kāi)始向AD7705發(fā)讀寄存器指令來(lái)獲取AD值。CH1+和CH1-為來(lái)自壓力傳感器的壓力信號，CH2+和CH2-為調零電位器送來(lái)的信號。

圖3 采樣電路

　　3 顯示與報警電路設計

　　顯示與報警電路如圖4所示，顯示部分采用7段4位數碼管顯示，PORTB口連接數碼管的段碼，RC0、RC1、RC6、RC7口經(jīng)過(guò)三極管驅動(dòng)放大控制數碼管的選擇端。當單片機檢測到RA1口有低電平信號后，控制模擬開(kāi)關(guān)切斷后續電路的電源，與此同時(shí)，D1和蜂鳴器B發(fā)出報警信號。當壓力超過(guò)系統量程時(shí)，D2和蜂鳴器報警。為了區分低壓報警和超量程報警，D1和D2采用不同的顏色，蜂鳴器在等間隔內響的次數不同。

圖4 顯示與報警電路

　　系統軟件設計

　　1 采樣和數據處理

　?、貯D7705的讀寫(xiě)時(shí)序

　　AD7705通過(guò)四線(xiàn)SPI與單片機通信，其讀寫(xiě)時(shí)序圖如圖5(a)、(b)所示，讀寫(xiě)過(guò)程中串行數據高位在前，低位在后。DRDY為低電平說(shuō)明A/D已經(jīng)轉換完畢，數據已準備好，可以啟動(dòng)讀寫(xiě)指令。任何時(shí)候要對AD7705進(jìn)行讀寫(xiě)操作都須檢查DRDY是否為低。

圖5 AD7705讀寫(xiě)時(shí)序圖

　?、贏(yíng)D7705的寄存器

　　第一個(gè)是通信寄存器(communication Register)，選擇采集通道、下一次操作是讀還是寫(xiě)，以及下一次讀寫(xiě)哪一個(gè)寄存器。

　　第二個(gè)是設置寄存器（Setup Register），決定校準模式、增益設置、極性設置以及緩沖模式。

　　第三個(gè)是時(shí)鐘寄存器(CLOCK Register)，設置濾波器記憶時(shí)鐘控制位。

　　軟件編程思路也是按這個(gè)順序寫(xiě)的，先設置通信寄存器，其次寫(xiě)設置寄存器，最后設置時(shí)鐘寄存器。設置完之后，只要檢測到DRDY為低電平，就可以啟動(dòng)時(shí)鐘來(lái)讀取AD7705數據寄存器中已轉換好的數據。

　2 數據處理算法思路

　　數據處理主要是將電壓信號轉換成壓力值，將采集來(lái)的數據進(jìn)行轉換。已知：傳感器的參數為10mV對應的是30kN，A/D的滿(mǎn)量程電壓為1.5V，設采集的A/D值為K，設換算后的壓力為X，10mV對應的A/D值為D，增益為64，則由以上參數可求出：

　　(1)

　　(2)

　　式(2)就是轉換后的壓力值和采集的A/D值的關(guān)系。

　　因為單片機不支持浮點(diǎn)運算，為了能精確的顯示結果，用軟件模擬浮點(diǎn)除法運算，其主要思想是：定義一整型變量INTD，將除的結果存入INTD中，因為是整型變量，所以除法的結果只取了整數部分，例如5/4=1，模擬除法的算法主要依據這一特性。

　　第一步，如果采集來(lái)的值K大于932，K/932存入整型變量中即可得到整數部分。

　　第二步，用K對932取余得到R，顯然R小于932，然后得到小數點(diǎn)后第一位，再用R×10對932取余得到R1，小數點(diǎn)后第二位,以此類(lèi)推，得到小數點(diǎn)后第三位dec3。

　　第三步，如果采集來(lái)的值K小于932，直接進(jìn)行第二步操作。

　　第四步，與邏輯零點(diǎn)進(jìn)行比較，得到理論壓力值，并進(jìn)行BCD轉換在數碼管上顯示。

圖6 軟件流程圖

　　3 程序編程思路及流程圖

　　系統軟件編程采用狀態(tài)機機制，上電之后進(jìn)行各個(gè)模塊的初始化，包括I/O口初始化、定時(shí)器初始化、SPI初始化等。初始化完后進(jìn)入系統循環(huán)，在循環(huán)體中根據任務(wù)標志位進(jìn)行任務(wù)處理，主要任務(wù)有：欠壓處理、數據采集、睡眠、關(guān)機等。在數據處理時(shí)，先采集通道2的值，然后采集通道1，如果傳感器未接，則采集來(lái)的值為零或者近似零，系統報警等待。如果采集來(lái)的值大于零，則參與運算。求出理論值顯示。