载运工具运用工程硕士论文-基于单片机的轮轨力检测.pdf

西南交通大学 硕士学位论文 基于单片机的轮轨力检测 姓名：王闽生 申请学位级别：硕士 专业：载运工具运用工程 指导教师：陈建政 20060401 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 轮对是机车走行部的重要部件，是影响列车安全运行的主要因素之一。 轮轨力测量是车辆动力学理论与实践的重要环节，测力轮对是测量轮轨力最 直接最准确的方法。用铁路机车车辆的轮对作为力传感器来测量轮轨间的相 互作用力的方法，是所有轮轨力方法中测量精度最高的方法。在评估铁路机 车车辆的动力学性能及轮轨磨耗时，在脱轨等的实验研究中，任何方法都取 代不了测力轮对。 用测力轮对对作用在轮对上的横向力和垂向力进行连续测量，在信号采 集传输处理环节上传统的做法是将应变片传感器的应变电信号输出通过集流 环传出来，然后再经过放大器、模数转换、最后交由上位计算机处理。论文 将目前成熟的单片机技术应用在测力轮对上，利用单片机使信号放大、模数 转换和数据处理环节全部集中到测力轮对一侧，只将计算结果传给上位机。 使整个检测系统减少布线量、系统抗干扰能力大大增强，提高测量精度。 论文首先概括介绍了整个系统的组成，并由此提出了整个论文的主要工 作。在对测力轮对辐板受力后的应变进行理论分析后，论文介绍了贴片点位 置的选择和组成合理桥路的方法。之后对检测系统的电路设计及硬件的选型 包括模拟接口电路、单片机系统设计及上下位机间的通信实现，单片机和上 位机的程序设计进行了说明。最后介绍采用本测试系统的试验结果与传统做 法的比较情况及进行误差分析。 关键词：轮轨力；测力轮对；信号放大电路；单片机 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 。1 选题的意义 列车在运行过程中，车轮受到纵向力、横向力和垂向力的作用。纵向 力使车轮向前运动。垂向力起支撑的作用。车轮转向对需要横向力作用。 轮轨间作用力主要指车轮作用于钢轨上的垂直力和横向力。对车辆来说， 轮轨力可能会引起车辆脱轨，发生翻车事故；也可能会加剧车轮磨损，降 低车轮寿命；引起车辆振动，影响乘坐舒适性。对轨道来说，轮轨力( 尤 其是) 横向力可能会导致轨距扩宽( 道钉拔起) ，严重时导致线路产生严 重变形( 钢轨和轨枕在道床上出现横向滑移甚至挤翻钢轨) ；加剧轨道的 磨损，降低轨道寿命。对科学研究来说，测量轮轨力有助于脱轨机理研究。 脱轨是严重的安全事故。脱轨机理目前尚未研究清楚，但可以肯定的是， 脱轨是由轮轨力变化引起的。测量脱轨前后轮轨力的变化规律以及轮轨力 变化的原因，是研究脱轨的主要途径。由于线路存在垂向和水平不平顺， 轮轨接触非线性以及机车车辆和线路系统的振动等因素，轮轨间作用力存 在明显的随机性，用理论方法难以精确确定，只有用实验的方法在实际运 行条件下直接在轮轨间测量，才能更确切地掌握轮轨间作用力的实际规 律。测量轮轨力主要用于评价车辆的运行稳定性( 安全性) 。列车运行稳 定性分别按脱轨系数、轮重减载率、横向力允许限度、倾覆系数等指标评 定。而用铁路机车车辆的轮对作为力传感器来测量轮轨间的相互作用力的 方法，是所有轮轨力方法中最直接最准确的方法。 用测力轮对测量轮轨间作用力，在信号采集传输处理环节上传统的做 法是将应变片传感器的应变电信号输出通过集流环传出来，然后再经过放 大器、a d 转换、最后交给上位机计算机处理。由于应变信号是微弱信号， 在经过长距离传到信号处理环节时引入的噪声和干扰信号( 测力轮对的工 作现场环境恶劣) 会极大的影响测量精度，甚至可能将微弱的应变信号淹 没掉，后一环节的高倍数放大会将干扰也放大。本设计希望能利用单片机 使信号放大、a d 转换和数据处理环节都尽量靠近测力轮对，只将计算结 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 果传给上位机。这样傲的好处一是减少布线的工作量，因为只需要两根 4 8 5 线就可以将计算结果传给上位机 其二，传感器、放大器、a d 转换 和数据处理环节极大程度集中在一起，这样就使得系统的抗干扰能力大大 增强，提高了测量精度。同时传给上位机的是数字信号，这比传统做法向 上位机传输模拟信号的抗干扰能力好的多。 1 2 国内外研究现状 轮轨力既然是车轮和轨道间的相互作用，轮轨力的测量当然既可以在 轨道上，也可以在车辆上。但作用和意义是不一样的。从轨道上测量是为 了监控车辆从该轨道经过时的轮轨力。要达到监控目的，需要几十公里布 一个测量段，每段1 0 米左右。由于要改造轨道，投资巨大。主要用于监 控货车运行状态。而从车辆上测量，则可以连续监控车辆运行全程轮轨力。 主要用于对车辆和轨道状态评估以及脱轨机理研究。 从车上测量轮轨力的方法分为间接测量和直接测量。间接测量可以测 量构架力或者测量轮轴力，直接测量则是采用测力轮对测量。1 9 5 0 年，俄 罗斯的k a ca 由ohl i e b 提出了测量转向架侧架变形的方法并论 证了根据货车转向架侧架变形来测量构架力的可能性，还估计了其测量范 围。该方法是在转向架侧架上，离轴箱孔一定距离处贴成组的应变计，能反 映作用于轴箱的构架力所产生的弯矩。1 9 5 4 年。a a 皿oj ima t ob 提出了用测力计杆标定构架力的方法，以大大提高测量精度。稍后又提出 了测量垂直力的方法，该方法规定应变计应贴在侧架的上弦杆上。该方法 的优点是，可以连续测力，因此不要求采用集流装置。由于本身简单，标定 很简便，所以得到了广泛的应用。该方法的根本缺点是，得出的作用于爬轨 侧车轮的侧向力不精确。该方法的第二个根本缺点，在对由车轮辐板变形 所得到的侧向力与同一时刻由转向架侧架变形所得到侧向力的对比中也 暴露出来了。 测力轮对是以机车车辆的轮对作为力传感器的轮轨力测量方法。测力 轮对可以连续测量作用在轮对上的横向力和垂向力。轮轨力的连续测量是 指：当轮轨力( 垂向力和横向力等) 不变时，测量值不随轮对转角的变化 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 而变化，即轮对转动时轮轨力的测量值始终与轮轨力的瞬时值成正比。测 力轮对可分为幅条式、直辐板和曲辐板测力轮对。最早的测力轮对是幅条 式。1 9 6 8 年瑞士的韦伯发表了题为“轮轨间相互作用力的确定”论文， 首先在特制的辐条轮对上成功地对横向力、垂向力进行了连续测量。幅 条式车轮已很少使用，幅条式测力轮对的受力与现用的辐板式车轮相差很 大。人们开始研究直辐板测力轮对。直辐板较曲辐板外形简单，辐板上的 应力分布也相对简单。目前，机车轮对仍采用直辐板。直辐板测力轮对研 究思路对曲辐板测力轮对研究有很好的借鉴作用。客车和货车都使用曲辐 板，曲辐板应力状态比直辐板更复杂。 目前国外已使用的连续测力轮对测试方法主要有以下几种：德国的 轴测法，特点是成本低、装备简单、测量频带较窄：英国的多辐条轮对，特 点是精度高、成本高、与实际使用的轮对有一定差异：美国的辐板轮对， 特点是成本低、可使用实际轮对、算法基于非线性方程组的求解及修正： 日本的辐板轮对，特点是计算基于辅助设各提供的精确轮对转角信号、垂 向力位置影响难以修正。由于辐板轮应变复杂，没有直观的有效分析方法， 测量组桥存在一定的盲目性，有交叉干扰以及接触点偏移影响等问题。为 了获得理想的灵敏度和线性度，并尽可能的减少交叉干扰及各种可能的外 界干扰，很多专家对轮轨力的测量中从轮对的加工、幅板刻度的划分、组 桥方案的设计到应变片的粘贴、组桥布线等各个环节上都精益求精。测力 轮对在投入运行之前，首先要进行标定实验，实验室可以精确实现垂向载 荷标定试验，对于横向作用力来说尚无法在轮轨踏面上实现准确加载。目 前也还没有将已经很成熟的单片机技术应用到测力轮对系统上。 1 3 测试系统组成 通过在幅板上选择一系列合适的测试点贴应变片组成n 组贴片桥路， 系统由应变放大电路为桥路提供激励电压，每4 路放大电路共用一路多路 复用电路。系统选择集成了a d 转换电路的单片机型号，单片机通过串 口与多路复用电路间通讯，单片机通过执行预下载在单片机里的算法计算 出轮对所受的横向力和垂向力，将结果通过r s 4 8 5 传给上位机，上位机 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 负责接收、显示和保存这些数据。 本文设计的测试系统原理框图如图1 1 所示。 l 应麦片卜i 职放大电路 一 噎麦片h 废囊藏戈橙卜 一i 肭盔ll 一_ ；一 ir s 蛐5 i 歧片p l 应麦放大电瞄f 一 旧咬泞 叫应囊蕨戈电爵卜囱 图1 1 测试系统原理示意图 1 4 论文的主要研究工作 本论文研究的主要内容有： 测力轮对的有限元分析 设计合理的贴片桥路 微弱应变信号的采集、放大和a d 转换 单片机程序设计 上位机程序设计 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章测力轮对的测量原理 车轮在运行过程中，受到纵向力t 、横向力l 和垂向力v 的作用。纵 向力使车轮向前运动，垂向力起支撑的作用，车轮转向时需要横向力作用。 图2 2 横向力作用 图2 2 横向力作用 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 点力与位移的关系。最后，把所有单元的这种力学特性借助于矩阵方法集 合起来，就得到整个连续体上的力学特性，一般情况下这是组以节点位 移为未知量的线性方程组，解此方程组可得到连续体上有限个节点上的位 移，进一步可求得各单元上的内力压力。 a n s y s 软件是集结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体 的大型通用有限元分析软件，是机械、航空航天、能源、交通运输等众多 领域进行国际国内分析设计技术交流的主要分析平台。a n s y s 具有以下的 技术特点：数据统一、强大的求解功能、强大的非线性分析功能、良好的 优化功能、可实现多场耦合功能、提供与其它程序接口等。 2 1 3 测力轮对的有限元模型建立 利用a n s y s 对测力滚轮进行三维有限元建模。测力滚轮的有限元模 型如图2 - 4 所示，采用标准s 型轮对的外形尺寸。测力轮对模型的材料为 铁，材料常数：杨氏模量e - 2 1 1 0 5 朋如，泊松比v o 3 【1 1 。模型网格划 分采用的单元是六面体八节点实体单元s o l i d 4 5 ，共1 7 7 1 2 个体单元，2 2 3 9 2 个节点。因为本论文分析的重点是轮辐处的应变，所以这一部分的单元划 分密集一些，为了减少单元数，提高计算的速度，对于其它部分的网格化 分相对要疏一些，图2 5 为测力轮对模型的截面图。 图2 4 ：有限元模型 图2 5 ：模型截面图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 半径方向上的应交值在r = 1 5 0 m m 3 5 0 i i l m 的辐板范围内的分布如 图2 - 7 所示( 测试电桥的大部分应变片都贴在此半径的辐板范围内) 。 图2 7 ：沿半径方向的各种应变值 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 数据库管理酬囊i 篓霪攀| i 囊霆薹萋秦蠢辇l 霎盒l ；薹希菱囊幽。馨妻薹雾霎雨# 豁茶萋鋈菲强； 莅囊嗣里鏊蚓黧湔浮羹篓霪。塔翼笛篓囊菘岜萌睡簿蓬登；峰蠢衡苦茭 琵r f 一鸶懿鉴薹鋈i 妻薹囊臌席嬲罐； 。跫曦、罗i 旧甚! 豪季堂宅鹭基瞪鬟援蚓。拓鉴霪雾。鳇驰翮华旨甚鲑 警五搭； ；茹嚣俐鍪蓄；墓霎；鐾暮誓翟嚣答嚣如蠹雾；型竖电路如图3 3 所示 。 獭嬲嬲墨燕溆赫燃 mm瑚m脯柞佻沸ilm肌 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 库系统在数据的物理结构与整体结构的逻辑结构、整体数据的逻辑结构与 用户的数据逻辑结构之间提供的映像实现的。 数据库系统为用户提供了方便的接口。用户可以用数据库系统提供 的查询语言和交互式命令操纵数据库。用户也可以用高级语言编写程序来 操纵数据库，拓宽了数据库的应用范围。 2 ，2 3 数据库系统的控制功能 数据的完整性，保证数据库存储数据的正确性。 数据的安全性，保护数据库不被非法使用，防止数据的丢失和被盗。 并发控制，当多个用户同时存取、修改数据库中的数据时，可能会 发生相互干扰，使数据库个的数据完整性受到破坏，而导致数据的不一致 性。数据库的并发控制防止了这种现象的发生，提高了数据库的利用率。 数据库的恢复。任何系统都不可能永远正确无误地工作，在运行过 程中，总会出现硬件或软件的故障，数据库系统也是如此。数据库系统具 有恢复能力，能把数据库恢复到最近某个时刻的正确状态。 2 2 4 数据模型 数据模型是对现实世界进行抽象的工具。现实世界是复杂多变的，目 前任何种科学技术手段都不可能将现实世界按原样进行复制和管理，只 能抽取某个局部的特征，构造反映这个局部的模型，帮助人们理解和表达 数据处理的静态特征及动态特征。 数据模型是数据库技术的核心，数据库管理系统都是基于某种数据模 型的。日前使用的数据模型基本上可分为两种类型。一种类型是概念模型 ( 也称信息模型) ，这种模型不涉及信息在计算机中的表示和实现，是按用 户的观点进行数据信息建模，强调语义表达能力。这种模型比较清晰、直 观，容易被理解。另一种类型是数据模型，这种模型是面向数据库中数据 逻辑结构的，如关系模型、层次模型、网状模型和面向对象的数据模型等。 用户可以使用这种数据模型定义和操纵数据模型中的数据。 数据模型包括三部分：数据结构、数据操纵和数据的完整性约束。 数据结构是实体对象存储在数据库中的记录型的集合。数据库系统 是按数据结构的类型来组织数据的，由于采用的数据结构类型不同，通常 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 把数据库分为层次数据库、网状数据库、关系数据库和面向对象数据库等。 数据操纵是指对数据库中各种对象实例的操作。 数据的完整性约束是指在给定的数据模型中，数据及数据关联所遵 守的一组通用的完整性规则、它能保证数据库中数据的正确性、一致性。 数据模型是数据库技术的关键，可用数据模型来描述数据库的结构和 语义。关系模型、网状模型和层次模型是常用的三种数据模型，它们的区 别在于表示信息的方式。关系模型只用了数据记录的内容，而层次模型和 网状模型要用到数据记录间的联系以及它们在存储结构中的布局。关系模 型中记录之间的联系通过多个关系模式的公共属性来实现。如果建立了关 系数据库，用户只要用关系数据库提供的查询语言发出查询命令，告诉系 统查询目标，具体实现的过程由系统自动完成，用户不需了解记录的联系 及顺序。关系数据库提供了较好的数据独立性。层次数据库和网状数据库 中，记录之间的联系用指针实现，数据处理只能是过程化的，所编程序要 充分利用现有存储结构韵知识，沿着存取路径，逐个存取数据。在这种模 型中，程序与现有存 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 2 2 6 实体一联系( e r ) 模型 e r 模型的关键元素是实体、属性、标识符和联系。 实体是可以从用户的工作环境中标识出的事物，是用户想要跟踪的某 个事物。实体具有属性，是用来描述实体特征的。e r 模型假定一个实体 类的所有实例有相同的属性。 实体实例有标识符，它是识别或标识实体实例的那些属性。实体实例 的标识符由一个或多个实体属性构成。标识符可以是唯一的或不唯一的。 如果是唯一的，则它能且只能标识一个实例。如果是不唯一的，则能标识 一个实例集。 实体可以通过联系相互关联。e - r 模型包含联系类和联系实例。联系 类是实体类之间的联系。联系实例是实体实例之间的联系。联系可拥有属 性。 实体问的联系是错综复杂的，但就两个实体的联系来说，有以下三种 情况： 一对一的联系。这是最简单的种实体间的联系，它表示了两个实 体集中的个体间存在着一对一的联系。 一对多的联系。实体间存在的另一种联系是一对多的联系。 多对多的联系。实体间更多的联系是多对多的联系。多对多的联系 表示了多个实体集，其中一个实体集中的任一实体与另一实体集中 的实体间存在一对多的联系，反之亦然。 2 2 7 结构化查询语言( s q l ) ： s q l ( s t r u c t u r eo u e r yl a n g u a g e ) 结构化查询语言，是基于关系模型 的数据库查询语言，它是种非过程化的程序语言。也就是说，没有必要 写出将如何做某事情，只需写出做到什么就可以了。s q l 包含了肋l ( 数据 定义语言) 、d m l ( 数据操纵语言) 和d c l ( 数据控制语言) 。s q l 最初是由i b m 设计研发。而后由0 r a c l e 率先在其d 咖s 上采用并于1 9 8 6 年在美国国 家标准协会( a n s i ) 和国际标准组织( 1 s o ) 的努力下，正式生成了标准版本 ( a n s i1 9 8 6 ) ，其后并经过几次修订，到最近的s q l 。因为简单、易懂且 使用方便。逐渐成为d b m s 语言的标准，目前几乎所有的d b m s 都支持a n s i 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 s q lo 肋l 是用来产生、描述、删除、更改数据库、窗体、索引或者其他的 数据库m e t a d a t a o b j e c t ，一般来说，是给数据库管理员使用的，主要有 c r e a t e 、d r o p 、a 1 t e r ，d m l 主要有i n s e r t 、d e l e t e 、u p d a t e 、s e l e c t 。d c l 语法主要用途为改变使用权限和一些安全相关的设置，包括g r a n t ，d e n y 和r e v o k e 等语法。 把s q l 描述为子语言更适当一些，因为它没有任何屏幕处理或用户输 入输出的能力。它的主要目的是为了提供访问数据库的标准方法，而不 管数据库应用的其余部分是用什么语言编写的，它既是为数据库的交互式 查询而设计的( 因此被称为动态s q l ) ，同时也可在过程化语言编写的数 据库应用程序中使用( 因此被称为嵌入式s q l ) 。当前使用的o r a c l e ， s y s b a s e ，d b a s e ，f o x p r o 和m i c r o s o f ta c c e s s 等数据库管理系统都支持 s q l 语言。 2 2 8d e i p h ；的数据库特性及功能简介 直到目前为止，计算机软件的开发分为两个不同的体系，其中一个体 系是使用传统的程序设计语言( 如p a s c a l 、b a s i c 和c 等) 开发数值控制、 数值运算等软件，围绕它们的重点是算术、数据结构以及面向对象技术。 另一个体系则是通用的数据库管理软件领域( 数据库应用程序的开发) 。 这两个体系的发展都极为迅猛，但是二者并没出现混合渗透迹象。如果使 用数据库语言进行传统的算术编程，虽然也能完成相应的功能，但是其编 程过程可能极为复杂。如果使用传统的编程语言进行数据库编程，通过调 用专用的数据库应用程序接口函数和过程，利用这些函数和过程提供的功 能，可能也能做得比较完善，但这做起来大多是极其困难的。而d e l p h i 结合了两个体系的优点，它结合了传统的编程语言o b j e c tp a s c a l 和数据 库语言的强大功能，它即可以用于传统的算术编程又可以用于数据库编 程，特别是d e l p h i 具有强大的数据库功能，利用d e l p h i 的数据库工具， 我们根本不需要编写任何o b j e c tp a s c a l 代码便可以创建一个简单的数据 库应用。d e l p h i 是b o r l a n d 公司于1 9 9 4 年底发布的用于开发数据库应用 程序的工具，它是面向对象的，它是目前开发客户服务器数据库应用程 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 序的强有力的工具。 跟其他的应用程序一样，d e l p h i 提供了许多部件以方便地创建数据 库应用程序。数据库对象的数据成员既可在设计阶段设置，也可在运行阶 段通过程序代码进行设置。d e l p h i 的部件板上提供了两页数据库应用程 序开发中所要使用的部件，其中数据访问页( d a t aa c c e s sp a g e ) 上的部 件用于直接访问数据库中的数据库表，数据控制页( d a t a c o n t r o lp a g e ) 上的部件用来与用户交互，显示、修改数据库中的数据。 数据库应用程序首先是利用d e l p h i 提供的数据库部件与b d e 建立联 系，然后再通过b d e 与数据库联系。 2 2 9 系统实现 系统主要涉及到节点的坐标信息、节点处的应变信息、零平面内外侧 节点信息。具体数据段定义如下： 节点的坐标信息数据定义如表2 1 字段名称 字段数据类型关键字 节点号i n t e g e r 横坐标x f l o a t 纵坐标yr o a t 垂坐标zf 1 0 a t 半径rf l o “ 与零平面夹角i n t e g e r 表2 一l 节点位置信息 零平面内外侧节点信息数据定义如表2 2 字段名称 字段数据类型字段数据长度关键宇 d 节点号i n t e g e r 内外侧 c h 盯1 0 切角 r o a t 表2 2 零平面内外侧节点信息 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 节点处的应变信息数据定义如表2 3 字段名称 字段数据类型 字段数据长度关键字 m i n t e g e r 节点号i n t e g e r e xf l o a t e yf l o a t e zf l o a t e x y f 1 0 a t e y zf 1 0 a t e x z f l o 砒 应交f 1 0 a t 半径rh o a t 与零平面夹角i n t e g e r 作用力 f 1 0 a t 作用力方向 c h a r1 0 内外但4 c h a r1 0 作用点位置i n t e g e r 表2 3 节点处的应变信息 2 2 1 0 贴片方向上的应变情况 用( 2 - 3 ) 式将辐板上各点6 个方向的应变值投影到车轮辐板切线方 即沿贴片方向，输出结果如图2 8 所示。 i7 弋， f 心 ：v 图2 8 ( a ) 垂向加载e = 1 0 k n 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 八 f外伽 r 彬 j v 图2 8 ( b ) 横向加载只= 1 0 k n 2 3 选取的组桥方式及其原理 为了得到高的输出灵敏度、理想的输出波形，又能将横垂向交叉干扰、 载荷作用位置的影响等误差减到最少，利用建立的数据库系统，通过不断 组合比较。我们选择了下面的组桥方式。 2 3 。1 横向力的连续测量 测试时选用的横向力测量电桥的结构和贴片方式如图2 9 所示1 1 8 1 。应 变片贴在轮对辐板内侧的半径r 为1 7 8 m m 的位置上。图中的应变片肩并 肩地排列是因为a ，b 两个电桥输出的波形要有9 0 。的相位差的结果。 图中1 8 片组成a 桥，1 。87 片组成b 桥。 8 0 。 麓! 懿 f - 7 、 。翅汉。 a c 图2 9 横向力电桥的布片方式和电桥结构示意图 一堕童奎望查兰堡主堡窭竺兰垡笙奎 篁! ! 夏 两电桥的联合输出为 = 圻+ u ：= 倒矿( 2 6 ) ( 2 6 ) 式表明横向力电桥的联合输出仅与横向力和垂向力的大小有 关，且呈线性关系，而与轮对转角无关。 2 3 2 垂向力的连续测量 测试时选用的垂向力测量电桥的结构和贴片方式如图2 1 1 所示。应 变片贴在辐板内侧半径r = 3 0 2 衄和外侧半径r = 2 3 0 m m 处，电桥有2 个。 2 7 c 图2 - 1 1 垂向力电桥的布片方式和电桥结构示意图 图2 - 1 2 为模拟的垂向力电桥的输出。 t d 图2 一1 2 ( a ) 垂向桥横向加载e = 1 0 k n 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 引脚，配置又不够灵活。而在c 8 0 5 l f 中，则采用交叉开关网络以硬件方 式实现i 0 端口的灵活配置。在这种通过交叉开关配置的i o 端口系统中， 单片杌外部为通用i 0 端口，内部则通过配置相应的寄存器控制交叉开关 配置到所选择的端口上。 c 8 0 5 l f 片内j t a g 调试支持功能允许使用安装在最终应用系统上的 姬u 进行非侵入式( 不占用片内资源) 、全速移在系统调试。在使用调试 j t a g 时，所有的模拟外设和数字外设都可全功能运行。对于开发和调试 嵌入式应用系统来说，在系统调试比采用标准蚺c u 仿真器要优越得多，因 为这一技术能保证精确模拟外设的性能。c 8 0 5 1 f 具有可在系统编程的 f l a s h 程序存储器，可用于非易失性数据存储。使用f l a s h 编程非常方便， 可以在s i l i c o nl a b s 集成开发环境( i d e ) 下通过j t a g 接口进行编程，不 需要专用编程器或适配器：还可以通过用户软件对f l a s h 进行编程，允许 现场更新固件，为产品的软件升级提供了极大的方便。f l a s h 存储器还具 有安全机制，可以保护程序代码和数据、以防止程序或数据被读取或意外 改写。c 8 0 5 1 f 虽然采用3 v 供电，但所有i o 端口可以接收5 v 逻辑电平 的输入，在选择漏极开路输出加上拉电阻到5 v 电源后，也可驱动5 v 逻辑 器件。所以c 8 0 5 1 f 与系统的其它电路具有很好的兼容性。 3 2c 8 0 5 1 f 单片机的优点 与8 0 5 1 完全兼容 c 8 0 5 1 f 1 2 x 和c 8 0 5 1 f 1 3 x 系列器件使用s i l i c o nl a b 的专利c 口5 l 微控制器内核。c 口5 1 与m c s 5 1 1 m 指令集完全兼容，可以使用标准 8 0 3 x ，8 0 5 x 的汇编器和编译器进行软件开发。c 口5 1 内核具有标准8 0 5 2 的所有外设部件，包括5 个1 6 位的计数器定时器、两个全双工u 越盯、2 5 6 字节内部r a m 、1 2 8 字节特殊功能寄存器( s f r ) 地址空间及8 4 个8 位宽 的端口。 速度提高 c 口，5 1 采用流水线结构，与标准的8 0 5 1 结构相比指令执行速度有很 大的提高。在标准8 0 5 1 中，除m u l 和d 以外所有指令都需要1 2 或2 4 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 个系统时钟周期，最大系统时钟频率为1 2 2 4 m 。而对于c m - 5 1 内核， 7 0 的指令的执行时间为1 或2 个系统时钟周期，只有4 条指令的执行时间 大于4 个系统时钟周期。 增加的功能 c m 5 1 内核和外设有几项关键性的改进，提高了整体性能，更易于 在最终应用中使用。 扩展的中断系统向c 碑5 l 提供2 0 个中断源( 标准8 0 5 1 只有7 个中断 源) ，允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。一个中断驱动的系统需 要较少的m c u 干预，因而有更高的执行效率。在设计一个多任务实时系 统时，这些增加的中断源是非常有用的。 m c u 可有多达7 个复位源：一个片内v d d 监视器、一个看门狗定时 器、一个时钟丢失检测器、一个由比较器o 提供的电压检测器、一个软件 强制复位、c n v s t r o 输入引脚及瓜s t 引脚。瓜s t 引脚是双向的，可 接受外部复位或将内部产生的上电复位信号输出 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 为地址数据线复用方式或非复用方式。c 8 0 5 1 f 1 2 0 器件的程序存储器包含 1 2 8 k 字节的分块f l a s h 。该存储器以1 0 2 4 字节为一个扇区，可以在系统编 程，且不需特别的外部编程电压。从o x l f c 0 0 到o x l f f f f 的1 0 2 4 字节被保 留。由于本系统中c 8 0 5 1 f 1 2 0 器件的作用只是用于与m a x l 4 5 2 的接口控制、 模数转换和数据的传输，片内的数据的存储器已经足够使用，所以无需扩 展数据存储及程序存储，大大精简了电路。 3 3 2j t a g 调试和边界扫描 c 8 0 5 l f l 2 0 具有片内j t a g 边界扫描和调试电路，通过4 脚j t a g 接口并使 用安装在最终应用系统中的产品器件就可以进行非侵入式、全速的在系统 调试。该j t a g 接口完全符合i e e e1 1 4 9 1 规范，为生产和测试提供完全的 边界扫描功能。 3 3 31 6 1 6m a c ( 乘法和累加) 引擎 c 8 0 5 1 f 1 2 0 包含一个乘法和累加引擎m a c o ，可用于加速很多数学运算。 m a c 0 包含一个1 6 1 6 的乘法器和一个4 0 位的加法器，它可以在两个s y s c l k 周期内完成整数或小数乘法累加，也可以对带符号的输入值执行乘法运 算。一个舍入引擎可以在一个附加的( 第三个) s y s c l k 周期后提供舍入的 1 6 位小数结果。凇c o 还包含一个1 位算术移位器，可以在一个s y s c l k 周期 内对4 0 位累加器中的内容进行左移或右移。 3 3 4 可编程数字i 0 和交叉开关 c 8 0 5 1 f 1 2 0 除了具有标准8 0 5 1 的端口( 0 、1 、2 和3 ) 外，还有4 个附加 的端口( 4 、5 、6 和7 ) ，因此共有6 4 个通用端口i 0 。这些端口i o 的工作 情况与标准8 0 5 l 相似，但有一些改进。每个端口i o 引脚都可以被配置为 推挽或漏极开路输出。在标准8 0 5 1 中固定的“弱上拉”可以被总体禁止， 这为低功耗应用提供了进一步节电的能力。可自皂最独特的改进是弓l 入了数 字交叉开关。这是一个大的数字开关网络，允许将内部数字系统资源映射 到p 0 、p l 、p 2 和p 3 的端口i 0 引脚。与具 塾霪鬻霪旧增堕曩t 。；釜囊瓣斟蠢鼎刚牛囊j 佟ii 萋g 矍滞斑啸龋采 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 特性允许用户根据自己的特定应用选择通用端口i o 和所需数字资源的组 合。本系统中使用了两个u a r t 及模数转抉，在使用时除进行相应的功能配 置外，还要进行i 0 端口配置。其配置如下： v o i dp o r t 1 0 一i n i t ( ) s f r p a g e = c o n f 工g p a g e ： x b r o= o x 0 4 ： x b r 2= o x 4 4 ： 3 3 5 可编程计数器阵列 除了5 个1 6 位的通用计数器定时器之外，c 8 0 5 l f l 2 0 中还有一个片内 可编程计数器定时器阵列( p c a ) 。p c a 包括一个专用的1 6 位计数器定时 器时间基准和6 个可编程的捕捉比较模块。时间基准的时钟可以是下面的 六个时钟源之一：系统时钟1 2 、系统时钟4 、定时器o 溢出、外部时钟输 入( e c i ) 、系统时钟和外部振荡源8 。每个捕捉比较模块都有六种工作 方式：边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出、频率输出、8 位脉冲宽度 调制器和1 6 位脉冲宽度调制器。p c a 捕捉比较模块的i 0 和外部时钟输入 可以通过数字交叉开关连到m c u 的端口i 0 引脚。 3 3 6 串行端口 c 8 0 5 l f l 2 0 的m c u 内部有两个增强型全双工u a r t 、s m b u s i 2c 和s p i 总 线。每种串行总线都完全用硬件实现，都能向c i p 一5 l 产生中断，因此需要 很少的c p u 干预。这些串行总线不“共享”定时器、中断或端口i o 等资源， 所以可以使用任何一个或全部同时使用。 3 3 71 2 位模数转换器 c 8 0 5 1 f 1 2 0 有一个片内1 2 位s a ra d c ( a d c 0 ) ，个9 通道输入多路选 择开关和可编程增益放大器。该a d c 工作在1 0 0 k s p s 的最大采样速率时可提 供真正的1 2 位精度，i n l 为1 l s b 。a d c o 的电压基准可以在d a c o 输出和一 个外部v r e f 引脚间选择，a d c 0 有专用的v r e f 0 输入引脚；片内1 5 p p m 的 电压基准可通过v r e f 输出引脚为其它系统部件或片内a d c 产生基准电压。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 3 。3 81 2 位数模转换器 c 8 0 5 l f l 2 0 的m c u 内部有两个1 2 位数模转抉器( d a c ) 。m c u 与每个比 较器和d a c 之间的数据和控制接口通过特殊功能寄存器实现。m c u 可以将任 何一个d a c 或比较器置于低功耗关断方式。d a c 为电压输出方式，有灵活的 输出更新机制。这一机制允许用软件写和定时器2 、定时器3 及定时器4 的 溢出信号更新d a c 输出。c 8 0 5 l f l 2 0 的d a c 之电压基准由专用的v r e f d 输入引 脚提供。d a c 在作为比较器的参考电压或为a d c 差分输入提供偏移电压时非 常有用。 3 3 9 比较器 比较器的回差电压可以用软件编程。可以通过调整比较器的响应时间 使功耗最小或使速度最快。每个比较器都能在上升沿、下降沿或在两个边 沿都产生中断。这些中断能将m c u 从休眠方式唤醒。比较器的输出状态可 以用软件查询。可通过设置交叉开关将比较器的输出接到端口i o 引脚。 c 8 0 5 l f l 2 0 的结构框图和管脚图如图3 1 和图3 2 所示。 图3 一lc 8 0 5 l f l 2 0 的结构框图 嚣墨l是盖：一嚣 ：i：墓戤=釜 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 图3 3 系统电源电路 3 4 2 复位电路设计 单片机系统共有7 种复位方式，包括电源监测复位方式、掉电复位方 式、外部r s t 引脚复位方式、外部c n v s t r 0 信号复位方式、比较器复位 方式、时钟丢失监测复位方式以及看门狗时钟复位方式。本系统采用外部 r s t 引脚复位方式，系统上电时刻，只要在复位输入引脚r s t 上出现1 2 个外部时钟周期以上的低电平，芯片内部所有电路寄存器都回到初始化状 态。系统采用通用的r c 电路进行复位，系统上电时电源调整芯片的+ 3 3 v 输出电压经过电阻r 对电容c 进行充电， 选择合适的参数使充电时间大于1 2 倍的 外围的时钟周期。复位完毕之后，系统 进入正常的工作状态。复位电路示意图 如图3 4 所示。另外，为了使系统程序 稳定运行，本系统还设置了时钟丢失监 测复位方式以及看门狗时钟复位方式。 这只要在系统进行如下配置即可。 图3 4 复位电路 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 6 页 不需要对其再进行p l l 倍频。时钟电路示意图如图3 6 所示。 if x t a l l i l 上 口2 2 1 1 8 4 k 田 zn 顷t llt ji l a l 2 图3 6 时钟电路 启动时进行如下配置： v o i d0 s c i l l a t o ri n i t ( ) f i n ti = 0 ： s f r p a g e = c o n f i gp a g e ： o s c x c n= o x 6 7 ： f o r ( i = 0 ：i u f ，此位置“l ”是对的，予以保留； 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 5 页 第二个时钟脉冲到来时，s a r 次高位置“1 ”，建立1 1 0 0 0 0 0 0 码，经 d a 转换器转换成相应的反馈电压u f = 5 1 2 + 1 0 2 4 2 2 = 7 6 8 v ，因 为u l u f ，s a r 此位应置“0 ”。即s a r 状态改为1 0 0 0 0 0 0 0 ； 第三个时钟脉冲到来时，s a r 状态又置为1 0 1 0 0 0 0 0 ， 如此由高位到低位逐次比较，反馈电压u f 一次比一次逼近u l ，经过8 次比较之后，s a r 的数据寄存器中建立的数码l 0 1 1 1 0 即为转换结果，此 数码对应的反馈电压u f = 5 6 8 v ，它与输入的模拟电压u l = 5 7 0 v 相差o 0 2 v 。 此转换结果通过数字量输出锁存器并行输出。 4 3 2c 8 0 5 1f 12 0 的a d c 0 子系统 c 8 0 5 1 f 1 2 0 的a d c o 子系统包括一个9 通道的可编程模拟多路选择器 ( 删x o ) ，一个可编程增益放大器( p g a o ) 和一个l o o k s p s 、1 2 位分辨率 的逐次逼近寄存器型a d c ，a d c 中集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测 器。删x o 、p g a 0 、数据转换方式及窗口检钡j 器都可用软件通过特殊功能 寄存器来控制。a d c 0 所使用的电压基准可按需要进行选择。只有当a d c o 控 制寄存器中的a d o e n 位被置1 时a d c o 子系统( a d c o 、跟踪保持器和p g a o ) 才被允许工作。当a d o e n 位为0 时，a d c o 子系统处于低功耗关断方式。 模拟多路开关删x 中的8 个通道用于外部测量，而第9 通道在内部被接 到片内温度传感器。p g a o 的增益对温度传感器也起作用。可以将a m u x 输入 对编程为工作在差分或单端方式。这就允许用户对每个通道选择最佳的测 量技术，甚至可以在测量过程中改变方式。在系统复位后a m u x 的默认方式 为单端输入。有两个与a m u x 相关的寄存器：通道选择寄存器a m ) ( o s l 和配置 寄存器a 蜮0 c f 。p g a 对a m u x 输出信号的放大倍数由a d c o 配置寄存器a d c o c f 中的心p o g n 2 0 确定。p g a 增益可以用软件编程为o 5 、1 、2 、4 、8 或1 6 ， 复位后的默认增益为1 。 a d c 0 的最高转换速度为1 0 0 k s p s ，其转换时钟来源于系统时钟分频， 分频值保存在寄存器a d c 0 c f 的a d c s c 位。 a d c 0 有4 种转换启动方式，由a d c o c n 中的a d c 0 启动转换方式位 ( a d o c m l ，a d 0 c m o ) 的状态决定。转换触发源有： 1 向a d c o c n 的a d o b u s y 位写1 ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 了页 第5 章上下位机间通讯 在本测试系统中，上位机需要不断的接收单片机传回的数据。考虑到 实际应用中上位机可选的放置位置距离单片机较远( 百米) ，必须选择能 远距离通讯的通讯方式。本测试系统采用r s 一4 8 5 协议，单片机采用r s 一4 8 5 接口，在p c 机侧使用的是r s 一2 3 2 c 与r s 一4 8 5 的电平转换接口。 5 1r s 2 3 2 c 接口规范 r s 2 3 2 c 标准是美国e i a ( 电子工业联合会) 联合贝尔等公司共同开 发的串行通信标准，目前广泛应用于计算机与终端或外设之间的数据通 信。作为一种通信标准。r s 2 3 2 在电气特性上作了一些规定： 在r s 一2 3 2 c 中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑“1 ” 为一5 一1 5 v ：逻辑“o ”为十5 + 1 5 v 。噪声容限为2 v 。即要求接收器能识 别低至+ 3 v 的信号作为逻辑“0 ”，高到一3 v 的信号作为逻辑“l ”。 r s 一2 3 2 c 标准规定各装置间电缆长度不超过5 0 英尺，约1 5 米。 r s 一2 3 2 c 接口连接器一般使用9 芯或2 5 芯插头。实际上r s 一2 3 2 一c 的2 5 条引线中有许多是很少使用的，在计算机与终端通讯中一般只使用 3 9 条引线。一些设备与p c 机连接的r s 一2 3 2 一c 接口，因为不使用对方的 传送控制信号，只需三条接口线，即“发送数据”、“接收数据”和信号地”。 r s 2 3 2 一c 最常用的9 芯插头引脚的信号定义，图5 1 所示： 数据载波检测 数据接收 数据发送 数据终端准备好 信号地 数据设备准备好 请求发送 允许发送 振铃指示 蛐 珊 1 】m 腿 锄 d s r 瑚晤 c 巧 豇 图5 1 d b 9 型连接器 d d d r d r s s 吣麟删叩洲璺阻叩肛 1 2 3 4 5 6 7 8 9 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 1 页 5 4 2 通信协议 通讯协议为异步，起始位1 位，停止位l 位，数据位8 位，半双工方式， 无校验。其中表l 的后三项属于超时设置，当r e a d t o t a l c o n s t a n t l ，而 r e a d i n t e r v a l 1 和r e a d t o t a l m u l t i p l i e r 为大于零的常数时，如有下列 情形之一，则调用r e a d 函数： 如果有字符到达输入缓冲区，则r e a d 函数立即返回该字符： 如果输入缓冲区中没有字符，r e a d 函数进入等待状态，直到接收到 字符并立即返回该字符： 如果在r e a d t o t a l m u l t i p l i e r 指定的时间内没有接收到任何字符， r e a d 函数进入超时状态，停止接收。 5 4 3 编程实现 通信程序采用不定接收法。把r e a d t o t a l c o n s t a n t 和r e a d i n t e r v a l 设置为一1 ，由于变送器的波特率为9 6 0 0 ，所以传送1 个字符( 8 位数据， 1 个起始位，1 个停止位) 需要1 0 4 m s 。把r e a d t o t a l m u l t i p l i e r 设置为 2 ，以保证正确接收。对串行口的波特率、校验、握手协议等在c o m p o r t 的 属性中设置。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 3 页 贴6 0 个应变片。图6 1 所示是辐板内外侧到轴心的距离r 分别为1 8 0 m m 、 2 3 0 m m 、3 0 0 m m 处的应变