（控制理论与控制工程专业论文）基于ucosⅡ操作系统的便携式转辙机测试仪的设计.pdf

西北l 业人学硕士学位论文 摘要 摘要 电动转辙机是铁路系统轨道转换装置的终端执行机构，它是一种重要的电气 信号设备，主要作用是用来完成对铁路道岔的牵引，从而改变铁路道岔的开通方 向，并反映道岔的位置状态。便携式电动转辙机测试仪是一种现场使用的可在轨 测试电动转辙机的专用测试设备，它主要用来测量电动转辙机的输出力和转辙机 电机的电流两个参量在转辙机动作过程中的变化情况，方便测试人员及时对转辙 机的性能状况做出判断。 本论文详细论述了基于g c o s i i 实时操作系统的便携式电动转辙机测试仪 的全部设计开发过程。首先对测试仪的各种功能要求和测量精度要求进行分析， 提出测试仪的总体设计思想和方案，提出满足测量环境要求和精度要求的措施； 然后完成对整个测试仪硬件电路的设计及软件程序的编写，实现测试仪的操作功 能要求。 仪器的软件设计以“c o s 。i i 实时操作系统为平台，用以保证测试仪进行参 数测量时的实时性及稳定性；为便于人机交互，设计了汉字输入法用于测试相关 信息的输入：此外，仪器中设计了u s b 传输技术，将测试仪所测得曲线及重要 数据传输到上位机形成数据库文档供日后查看、分析及研究。 测试仪经过测试证明，各项操作功能满足设计要求，测量精度达到技术指标 的规定，测试仪对各测量参数的记录波形与示波器所记录的波形基本一致。 关键词：转辙机，测试，c o s - i i ，汉字输入法，u s b 凸北工业人学硕士学位论文 a b s 仃a c t a b s t r a c t t h ee l e c f f i cp o i n tm a c h i n ei st h et e r m i n a le x e c u t i o nm a c h i n eo ft h eo r b i t s w i t c he q u i p m e n ti nr a i l w a ys y s t e ma n di ti sa ni m p o r t a n tr a i l w a ye l e c t r i c a l s i g n a ld e v i c e g e n e r a l l y , i ti sm a i n l yu s e dt ot o wt h ep o i n t si no r d e rt oc h a n g et h e d i r e c t i o no f p o i n t sa n dt oi n d i c a t et h ep o i n t s p o s i t i o n t h ep o r t a b l ee l e c t r i cp o i n t m a c h i n et e s t e ri sas p e c i a li n s t r u m e n tu s e do nt h es p o t ，w h i c hi sa p p l i e dt ot e s t t h ee l e c t r i cp o i n tm a c h i n eo nt h eo r b i t i ti sm a i n l yu s e dt o t s e tt h ec h a n g eo f o u t p u tf o r c ea n dc u r r e n to f t h ee l e c t r i cp o i n tm a c h i n ew h e ni t i sn m n i n gt h a ta n e x a c t j u d g e m e m c a nb ee a s i l ym a d ef o rw o r k e r se a s i l y i nt h i st h e s i s ，t h ew h o l ep r o c e s so fd e s i g n i n gt h ep o r l a b l ee l e c t r i cp o i n t m a c h i n et e s t e rb a s e do np c o s - i ii sp a r t i c u l a r l yi l l u s t r a t e d f i r s t ，t h et e s t e r s r e q u i r e m e n t sa b o u to p e r a t i n gf u n c t i o n sa n dp r e c i s i o na r ea n a l y z e d ；t h ew h o l e d e s i g nm e t h o do ft h et e s t e ra n dh o wt om e e tt h er e q u i r e m e n t sa b o u tt h e e n v i r o n m e n ta n dp r e c i s i o na r ea d v a n e e d t h e n ，t h et e s t e r sh a r d w a r ec i r c u i ta n d s o f t w a r ep r o g r a m m ea r ec o m p l e t e da n da l lo ft h et e s t e r so p e r a t i n gf u n c t i o n s c o m et r u e t h ed e s i g no fs o f t w a r ei sb a s e do nt h er e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e mi x c o s - i i t oe n s u r et h er e a l - t i m ef e a t u r ea n ds t a b i l i t y ac h i n e s ec h a r a c t e r si n p u tt e c h n i q u e i sd e s i g n e df o ri n p u t t i n gc o r r e l a t i v ei n f o r m a t i o na b o u tt e s t i n gt oc o m m u n i c a t e b e t w e e nh u m a na n dm a c h i n e s b e s i d e s ，u s bt r a n s m i s s i o nt e c h n i q u ei sd e s i g n e d s ot h a tc m w ei n f o r m a t i o na n di m p o r t a n td a t ag o ti nt h ep r o c e s so ft e s t i n gc a nb e t r a n s p o r t e dt om a i nc o m p u t e rt of o r md a t a b a s ef o rl a t e rb r o w s i n g ，a n a l y z i n ga n d r e s e a r c h i n g b yt e s t i n g ，i ti st e s t i f i e dt h a ta 1 1t h et e s t e r sf u n c t i o n sa r es a t i s f i e da s a n t i c i p a t i o na n dt h ed e m a n do fp r e c i s i o ni s a c h i e v e di nd e s i g n t h et e s t i n g p a r a m e t e r s w a v e f o r mr e c o r d e db yt h et e s t e ri sa l m o s ta ss a u l ea st h ew a v e f o r m r e c o r d e db yo s c i l l o s c o p e k e yw o r d s ：p o i n tm a c h i n e ，t e s t ，p c o s i i ，c h i n e s ec h a r a c t e r si n p u t ，u s b 西北工业人学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 转辙机是铁路系统中一种重要的电气信号设备，是铁路系统轨道转换装置的 终端执行机构，主要是用来完成对铁路道岔的牵引。它以电动机带动减速器，将 转速降低并增大转矩，经由主轴将转矩传给动作杆，从而改变道岔开通方向，当 尖轨与基本轨密贴时，能够将道岔锁闭在规定位置，并能反映道岔位置状态“。 它具有转换道岔、锁闭道岔和表示道岔位置三种功能，它能否可靠工作，将直接 关系到铁路运输的效率与安全，随着我国铁路运输量的日益增长，列车通过道岔 的速度不断提高，密度不断加大，开通了重载列车和采用了重型钢轨道岔，使道 龠转换设备的工作环境发生了显著变化。因此，及时对在轨转辙机的性能状况做 出判断并对工作异常的转辙机进行检修与维护是十分必要的。 目前，我国铁路系统使用的转辙机多为电动转辙机，主要由电动机、减速器、 自动开闭器、主轴、动作杆、表示杆、锁闭齿轮等部件组成。自动开闭器是跟随 转辙机一起工作的电器节点，它与道岔控制电路和表示电路直接发生联系，且能 直接或问接地反映出道岔定位密贴和反位密贴“。根据电动转辙机所使用的电动 机的类型可将电动转辙机分为直流电动转辙机和交流电动转辙机两类，直流电动 转辙机主要有：z d 6 、z d 7 、z d 9 系列，交流电动转辙机主要有：s 7 0 0 k 系列。 对电动转辙机进行测量，主要测量的参数包括：电动转辙机在动作过程中输 出力的情况和动作过程中电机电流的变化情况。转辙机在工作过程中可能会出现 异常情况，例如：转辙机在牵引“道岔”动作的过程中，“道岔”被异物卡住，因此， 对电动转辙机的测量应包括转辙机在正常工作状况和异常工作状况两种情况下 的测量参数的变化情况。一般情况下，对于电动转辙机的输出力和电机的工作电 流，转辙机在正常工作情况下比在异常工作情况下要小。 目前，电动转辙机的测试设备主要有两类：电动转辙机综合参数测试台和便 携式电动转辙机测试仪。其中，电动转辙机综合参数测试台适合于电动转辙机检 修后，进行离线验收检测时使用，测量全面但操作繁琐；便携式电动转辙机测试 仪多用于现场在轨检测，测试灵活方便但由于“人为”影响因素较多测试结果可能 会存在偏差。 曲北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 嵌入式系统的发展及现状 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适合 应用系统的功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统“。 经过几十年的发展，嵌入式系统得到了很大程度上的发展并改变了人们的生 活、工作和娱乐方式，而且这些改变还在加速。嵌入式系统无处不在，它己在很 多产业中得到了广泛的应用，如工业自动化、国防、运输和航天领域。即使在日 常生活中，也存在各种各样的嵌入式系统，如m p 3 、d v d 、手机等。本设计中 所讨论魄巷塞篓撒姐型谴堡盥凰王= 企廖或系绩? 目前，以嵌入式操作系统为平台开发将成为嵌入式设计的一个主流，这是因 为使用嵌入式平台开发有很多优势：缩短开发周期、缩短开发时间、降低开发成 本、增加稳定性和可靠性以及降低软件对硬件变化的敏感性“”。 1 2 1 嵌入式实时操作系统 嵌入式实时操作系统是实时操作系统的一种，它是基于事件驱动的 ( e v e n td r i v e n ) ，能对外来事件及信号在限定的时间范围内作出响应，应用于实 时性要求较高的实时控制系统，其应用程序的开发过程是通过交叉开发来完成 的，即开发环境与应用环境不一致，它具有规模小( 一般在几k 几十k 内) 、 可固化使用、实时性强( 在毫秒或微秒数量级上) 的特点。 嵌入式实时操作系统( r t o s ) 是一段在嵌入式系统启动后首先执行的背景 程序，用户的应用程序是运行于r t o s 上的各个任务，r t o s 根据各个任务的要 求，进行资源( 包括存储器、外设等) 管理、消息管理、任务调度、异常处理等 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 工作。在r t o s 支持的系统中，每个任务均有有个优先级，r t o s 根据各个任务 的优先级，动态的切换各个任务，保证对实时性的要求。 嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式应用中越来越广泛，尤其是功能复杂、 系统庞大的应用中显得愈来愈重要。首先，嵌入式实时操作系统可提高系统的可 靠性：其次，可提高丌发效率，缩短了开发周期；再次，嵌入式实时操作系统可 充分发挥3 2 位c p u 的多任务潜力，运行速度快。 12 2 常见的嵌入式操作系统 目前，常见的嵌入式操作系统有： ( 1 ) 嵌入式l i n u x ( i t c l i n u x ) ：主要应用于没有内存管理单元( m m u ) 的 c p u ，源码开放，代码紧凑，具有稳定、良好的移植性，优秀的网络功能，支持 文件系统以及具有标准丰富的a p i 等。 ( 2 ) w i nc e ：微软开发的一个开放的、可升级的3 2 位嵌入式操作系统，是 基于掌上型电脑类的电子设备操作，其用户界面相当出色。 ( 3 ) v x w o r k s ：1 9 8 3 年美国w i n d r i v e r 公司开发的一种嵌入式实时操作系 统，具有可靠性强、实时性好、可裁减性等特点。 ( 4 ) g c o s - i i ：是由j e a nj l a b r o s s e 编写的一个源代码公开、可免费使 用的嵌入式实时操作系统。它是p c o s 的升级版本，从最老的p c o s 到最新的 o c o s i i ，已经有十多年的历史，目前在世界范围内得到了广泛的应用，包括交 换机、路由器、过程控制、汽车业、办公自动化、计算机外设以及民用消费品类 产品等诸多领域，已经被相关机构证实具有非常稳定、可靠的性能。由于其极小 的内核，特别适用于对程序代码存储空间要求极其敏感的嵌入式系统开发“。 1 3 嵌入式系统在本设计中的应用 传统的便携式转辙机测试仪主要以单片机作为主控制器，软件设计多采用单 任务顺序机制，运行速度较慢，实时性、稳定性不高，在使用中有一定的局限性。 本设计针对传统的转辙机测试仪设计方法所存在的问题，提出了基于p c o s 1 1 嵌入式实时操作系统的便携式转辙机测试仪的设计方案。选择p h i l i p s 公司的 a r m 7 t d m i 处理器l p c 2 2 1 0 为c p u ，搭建硬件平台，降低功耗，提高运行速度； 并在其上移植了v c o s - i i 操作系统，利用其多任务调度功能，合理地协调和组 织测试仪的各种硬件资源，提高整个系统的实时性和稳定性。 本论文的主要工作内容包括以下三个方面： 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 分析测试仪的技术指标和使用功能方面的要求，包括仪器的测量精度、仪器 的操作方法、以及仪器一些必要的辅助功能等。在对仪器的设计要求充分分析的 基础上，提出仪器的设计思路；同时分析了如何满足仪器的设计指标。 根据测试仪的各项技术要求和设计思路完成对测试仪各个电路模块的设计。 其中包括完成对传感器信号进行调整的传感器信号调整电路；完成对测试数据进 行数字处理的处理器模块电路；完成各外部设备与处理器进行数据交换的接口电 路；以及为了仪器能够正常工作所必需的电源电路等。 根据测试仪操作功能方面的要求完成对测试仪软件的设计。其中包括：f 1 1 u c f o s - i i 实时操作系统在l p c 2 2 1 0 上的移植；( 2 ) 应用程序的编写如：汉字输入 法、数据的u s b 传输；( 3 ) 底层的驱动控制程序如：数模转换控制程序、测试 数据的存取控制程序、键盘接口驱动程序、液晶模块驱动控制程序等。 些! ! 三兰兰奎兰翌主兰竺丝圣兰三兰丝矍竺墼竺圣耋主兰生呈坠 第二章仪器的设计要求与设计思路 测量仪器设计的主要目的是在能够满足设计要求的前提下实现测量所需要 的所有功能，并尽可能的使其操作方便、测量结果准确可靠。 2 1 仪器测量功能和指标上的设计要求 仪器的设计要求( 或称技术指标) 是指根据仪器的使用环境和使用方式的不 同提出的仪器所要满足的条件。这些要求通常包括仪器的测量精度、仪器使用的 环境温度、仪器的功耗、抗干扰技术及仪器的操作方法等。 2 1 1 仪器测量精度的要求 通常，测量仪器在测量过程中所得到的测量值都会与理论分析值之间存在误 差。即使对于采用同一种测量原理的测量仪器，由于在设计过程中所使用的设计 方法的不同，所造成的误差大小也不同。因此通常采用测量精度来衡量测量仪器 的测量结果的可信程度。测量精度通常采用相对误差表示，它可定义为仪器的测 量值与理论分析值之间差的绝对值与仪器的满量程之比。 测量精度可以用公式表示为： 测量精度= 垦堡雩筹x l o o 影响测量仪器测量精度的因素很多，通常可将这些因素分为两大类：内在因 素和外在因素。内在因素是指在仪器设计过程中由于所使用的元器件的某些限制 因素造成的系统固有的误差。外在因素是指仪器在使用过程中由于使用的环境因 素或人员操作因素造成的测量误差。 ( 1 ) 影响仪器测量精度的内在因素主要包括： 1 ) 在测量仪器设计过程中，所采用的元器件的精度或性能能够影响测量精 度。如电容、电阻、电位器的精度，运算放大器的零点漂移等。 2 ) 对于采用了模数转换电路的测量仪器来说，由于模数转换器在进行转换 时，要对模拟量进行数值上的量化处理，而量化处理的精度与模数转换器的分 辨率和转换误差有关，因此这些因素也会影响整个仪器的测量精度，也是影响仪 器测量精度的内在因素之一。 曲北1 业大学硕士学位论文第二章仪器的设计要求与设计思路 3 ) 现在大多数测量仪器的数据处理都为“数字”方式，因此在仪器设计过 程中大都要使用微处理器，由于微处理器在进行数据处理过程中存在有限字长的 现象，也可对仪器的测量精度产生影响。所谓微处理器的有限字长现象是指徽处 理器处理数据的字长是有限的，所表示的数值的范围和数值的分辨率是有限的， 在运算处理过程中会产生舍入误差。 4 ) 对于测量结果采用数字方式进行显示的测量仪器，由于用于显示测量结 果的数字的位数是有限的，因此对测量结果的显示存在舍入误差，进而影响仪器 的测量精度。对于测量结果要采用曲线方式进行显示、记录的测量仪器，由于显 示器的大小有限，因此需要对检测数据按一定的分辨率进行量化处理，这样也会 产生显示上的误差影响测量仪器的精度。 ( 2 ) 影响测量仪器精度的外在因素： 1 ) 在仪器的使用过程中，当环境的温度发生变化时，会使测量仪器中所使 用模拟器件( 如电阻、电容、运算放大器等) 的参数值发生漂移( 这种漂移通常 称为温度漂移) ，使测量产生误差，影响仪器的测量精度。 2 ) 当仪器在较强的电磁环境中使用时，由于电磁干扰的作用会在信号传输 过程中，在有用信号上叠加不必要的噪声信号，影响仪器的测量精度。 在制定测量仪器的精度指标时，应根据测量仪器的使用环境，使用人员的情 况，综合各种因素进行全面考虑，制定一个较合适的精度指标。测量仪表的精度 应当以能够满足测量需求为前提，不应过分要求高精度的测量指标，因为如果对 测量精度要求过高，可能增加仪器的最终成本和仪器开发过程中的研制费用。 本论文所讨论的转辙机测试仪，测量过程中需要显示被测参数随时间的变化 嗨线。测试仪的显示器采用的是像素为3 2 0 x 2 4 0 的液晶显示屏，测量曲线的显示 范围为2 5 0 x 2 0 0 像素。由于测量的数据为双极性，即数据存在正、负之分，因此 显示曲线对数据的分辨率只能为1 0 0 点，即曲线图形的分辨率为1 。为了使仪 器最终显示的测量结果与从曲线图上按比例读取的测量数据一致，仪器对被测参 量进行显示时，也采用1 的分辨率显示测量结果。 转辙机测试仪要对转辙机的输出力和转辙机工作时的电流进行测量，其中对 转辙机输出力进行测量时，由于“道岔”与转辙机的连接方式为“销”连接，因此力 传感器的外形也只能为“柱销”状。这种“柱销”状传感器在放置时，对放置的位置 极为敏感，稍微放偏一点，测量结果就会产生较大的偏差。 本设计所讨论的便携式转辙机测试仪，旨在能在轨测试道上转辙机的输出力 及其电机的电流，并能根据测试信息对其性能状况作出相应判断，所以，测试仪 的测量精度的要求并不很高，而对测量的量程范围要求较宽。综合考虑上述的两 曲北工业大学硕士学位论文 第二章仪器的设计要求与设计思路 个因素和现场使用者对测试仪的要求，将所设计的转辙机测试仪的总体测量精度 定为2 。其中放大电路、基准电源、模数转换电路的误差不超过0 1 ，显示曲 线时数据的误差最大为1 ，传感器的误差不超过0 5 。2 的总体测量精度足 以满足铁道部门对便携式转辙机测试仪的要求。 2 1 2 仪器使用功能的要求 测量仪器完成的基本功能是对被测的物理参数进行测量，并将测量的结果进 行记录或显示，但是，测量仪器在使用过程中应当受到使用者的控制，同时测量 结果的显示、记录也应该方便、直观。测试仪器如果能够在实际测量中使用，仅 仅满足仪器的基本功能是不够的，在此前提下，还应满足仪器的使用者对仪器操 作的具体要求，也就是对测试仪器的使用功能要求。对仪器的使用功能要求通常 包括两类：一类是对测量仪器操作方式的要求，另一类是对仪器显示、记录测量 结果方式的要求。 本论文中所讨论的转辙机测试仪的使用功能要求包括： ( 1 ) 测试仪应当能够实时记录测量过程中转辙机的输出力和转辙机所用电 机电流的变化情况，以曲线的方式在液晶显示屏上显示，并同时以数字方式显示 相关重要特性参数，以便使用者读取测量数据。 ( 2 ) 测试仪应当具有对被测参数的类型进行选择的功能，这样仪器使用者 在仪器的使用过程中，可以有选择的测量某一个参数或同时测量两个参数。 ( 3 ) 测试仪应具有简单的测试信息档案管理功能，通过“按键”能够对有意 义的测量结果进行保存、查阅或删除。 ( 4 ) 测试仪应具有中文输入功能，通过“按键”将必要的中文信息输入到测 试仪中，并可在液晶显示屏上显示，以得到一个信息完备的测量结果。 ( 5 ) 本论文中所讨论的转辙机测试仅是用于对铁路上的转辙机进行实时测 量的，由于用于测量的时间有限，因此要求测试仪具有数据暂存功能即测试仪 可连续测量若干组数据。在不切断电源的情况下，将数据暂存在存储器中，待测 量完毕后，通过“按键”可查阅这些数据。 ( 6 ) 测试仪的使用者应当能够通过“按键”控制测试仪启动对被测参数的测 量，同时能够通过“按键”人为的终止测量，当测量没有被人为终止的情况下，测 试仪机可以在测量一段时间后终止测量，也可以一直连续测量。测试仪的这两种 测量控制方式应当能够人为的进行选择。 ( 7 ) 由于所设计的转辙机测试仪要求可以测试直流和交流两种电动转辙机， 而这两种电动转辙机使用的电动机类型和动作杆的销孔直径都不同，其中直流电 7 眄北_ 业大学硕士学位论文第二章仪器的设计要求与设计思路 动转辙机使用的电动机为直流电动机，动作杆的销孔直径为2 2 r a m ；交流电动转 辙机使用的电动机为交流电动机，动作杆的销孔直径为2 5 m m 。因此所设计的转 辙机测试仪应当带有直径分别为2 2 r a m 和2 5 m m 的两种柱销式力传感器；同时， 测试仪的电流传感器应当能够同时测量交流、直流两种类型的电流，并且使用者 能够选择测试仪所测量的电流类型。 ( 8 ) 测试仪的力传感器测量范围是o 1 0 k n ，电流传感器测量范围是0 1 6 a ，而用于分辨曲线的点数只有1 0 0 点，为了能够清楚的分析曲线，应当能选 择曲线图中被测参数的幅值分辨率：能够设置曲线图时间轴的分辨率。 ( 9 ) 对于传感器来说，长期使用会使传感器零点发生漂移，为了使仪器能 够正常的使用，因此仪器应当具有零点校准功能。 ( 1 0 ) 为了能使测试结果长期备案，便于日后查看和管理，需要在上位机创 建测试信息数据库，所以，仪器应当具有向上位机的通讯功能。 ( 1 1 ) 为了保证仪器测量的实时性和稳定性，并且降低测试软件开发的难度， 仪器软件中应该移植操作系统。 2 1 3 仪器辅助功能的要求 对于测量仪器来说，除了满足仪器的测量精度要求和使用功能要求以外，还 应具有一些附加的辅助功能。因为增加了这些辅助功能后，可以增加仪器使用的 灵活性、方便性，同时有些附加功能是由于要满足仪器的基本要求所必需的。 本论文中所讨论的转辙机测试仪的辅助功能要求包括： ( 1 ) 由于测试仪的显示设备采用的是液晶显示屏，为了能够较好的观察测 试结果，液晶显示屏的对比度和显示屏的背光亮度都应当能够调节。 ( 2 ) 由于测试仪为便携式测试仪，其供电方式为电池供电，因此仪器应当 具有对电池充电的功能，并且能够指示充电的状态。 ( 3 ) 由于测试仪测试的转辙机运动方向是双向的，因此仪器应当能够识别 转辙机的运动方向，并指示出运动方向。 ( 4 ) 由于测试仪所完成的操作种类的类型较多，因此应当能够在测试仪的 各项操作功能之间进行选择切换，并且能够提示使用者当前对测试仪进行的操作 是哪一种操作，即能够显示当前测试仪的操作状态。 ( 5 ) 测试仪应当具有电源开关，以便在不使用时，切断仪器的电源。 旦i ! 三些查兰鎏圭兰堡篁兰兰三主竺翌竺兰兰竺查皇垒竺星竖 2 2 仪器的设计思路 所谓设计思路是指提出一个设计方案，通过对该设计方案的实施使其满足设 计要求或技术指标。通常为了提出设计方案，首先要分析技术指标的要求，然后 设计总体框架，再根据框架进行模块划分，认真研究设计中的重点问题，最终提 出整个的设计方案。 2 2 1 仪器设计的总体框架 测试仪要完成对电动转辙机的输出力进行检测。由于电动转辙机的输出杆的 销孔为圆形，因此选用的力传感器应当为柱销式，且传感器的外形应当是圆柱形。 传感器的类型选用常用的应变式力传感器，此类传感器具有测量精度和灵敏度 高，测量范围大，制作工艺简单、价格低廉，能适应各种环境等优点。 测试仪所测量的电动转辙机包括直流电动转辙机和交流电动转辙机，因此要 求测试仪所使用的电流传感器既能测量交流电流又能测量直流电流。同时由于在 对电动转辙机的电流测试过程中不允许拆卸电器线路，因此选用的电流传感器应 当为非接触式的电流传感器。根据上述要求，测试仪的电流传感器选用以磁场作 为媒介进行测量的夹钳式电流传感器，其核心器件为霍尔元件。这种类型的传感 器具有对测量信号的频率特性一致，能够进行非接触测量，体积小等优点。 测试仪对测量结果的输出方式采用液晶显示屏显示测量结果。对于这种输出 设备，选用购买成品的方案，因为这样做可节省开发时间，保证仪器的可靠性。 液晶显示屏选用信利公司液晶模块m s p 一7 n ，该设备具有接口简单，开发方便， 使用可靠的优点。 测试仪在使用过程中要受到使用者的控制，因此测试仪应当具有键盘，以便 完成使用者与测试仪之间的人，机交互操作功能。由于对测试仪的操作功能有简、 繁之分：例如对液晶对比度的调节属于简单的操作，而对液晶显示屏中“中文输 入”的操作就比较繁琐，因此设计两种类型不同键盘：一类是控制键盘，用于简 单操作，该键盘的操作功能是通过电路实现；另一类是操作键盘，用于复杂操作， 该键盘的操作功能通过软件实现。其中控制键包括：电源开关、对比度控制键、 亮度控制键；操作键包括：菜单键、启动停止键等。 测试仪是电池供电的便携式测量仪器，在电池电量不足时应当能对电池充 电。由于充电电路的电源为直流1 2 v ，因此仪器配有一个将市电( 交流2 2 0 v ) 转换成直流1 2 v 的电源模块。仪器上配有充电电源插孔和充电状态指示灯。 由于设计要求对测试仪的使用功能要求较多因此在显示屏的上方显示功能 塑! ! 三些奎兰堡圭兰堡鎏兰兰三主竺翌塑兰兰茎查皇兰生呈些 菜单通过菜单键、确定键、“一”键、“一”健四个操作键配合使用，完成对测试 仪各种操作功能的选择切换。 22 2 仪器各模块的划分 根据设计要求完成对测试仪的总体框架构思之后，应当对这个框架进一步细 分，这一过程被称作模块的划分，通常模块划分的依据是每个模块实现的功能不 同。由于设计过程中使用了微控制器，因此模块划分的工作也包括将硬件完成的 任务与软件完成的任务加以区分。其中硬件通常完成一些基础性、易实现的功能； 软件通常完成一些发挥性、硬件难实现的功能。 对于本论文中所讨论的测试仪，硬件所完成的功能主要包括电源电路，信号 调整电路，数字器件间接口电路等基础性的功能。软件完成的功能包括对液晶屏 的显示控制，对检测信号的数据采集、处理等功能。由于对软件的修改调试要比 对硬件电路的修改调试容易、方便，且软件的开发费用比硬件的开发费用低，因 此这样划分软，硬件模块后，对测试仪的各项功能进行调试、修改都比较方便， 且测试仪整个开发成本较低。 根据电路实现的功能不同，测试仪的电路可划分为如下几个模块： ( 1 ) 处理器电路模块：该模块是测试仪电路中的核心模块，它负责与其它 各功能模块进行数据交换，如：通过对液晶显示屏接口电路模块控制可完成相应 的数据输出功能，通过与键盘接口电路的数据交换可完成接收键盘信息的功能； 同时它还是实现软件功能的基础平台。 ( 2 ) 液晶显示屏接口电路模块：该模块起到微控制器与液晶显示屏的连接 桥梁作用，通过该电路模块微控制器可以向液晶显示屏发送显示数据和控制命 令。 ( 3 ) 操作键盘接口电路模块：该模块起到微控制器与操作键盘的连接桥梁 作用，通过该电路模块微控制器可以判断键盘中是否有按键按下，可以读取操作 键盘中按键的“键值”，进而完成人机交互操作。 ( 4 ) 控制键盘接口电路模块：该电路模块完成对液晶显示屏的对比度、液 晶显示屏背光的亮度调节，及控制电源接通、断开的功能。由于实现的功能较简 单，因此这些功能通过硬件电路直接实现。 ( 5 ) 液晶显示屏背极电源模块：液晶显示屏的背极电压直接影响液晶显示 的对比度，该电压的正常范围是1 8 2 1 v ( 2 5 c 时) 。而电池的供电电压为6 v ， 因此要通过变换电路将电压变换到背极电压的正常值范围内，同时该电路可通过 控制键盘接口电路输出的调节信号，在背极电压的正常值范围内调节背极电压。 1 0 西北工业人学硕士学位论文 第一章仪器的设计要求与设计思路 ( 6 ) 液晶显示屏背光电路模块：液晶显示屏的背光类型为c c f l ，该类型 背光灯要求使用有效值为6 0 0 v 、频率为3 0 k h z 的交流电源。因此该电路模块完 成的功能是将电池电源的电压变换为符合要求的电压，同时应当能够在控制键盘 接口电路的控制信号作用下，调节输出到背光灯的电压。 ( 7 ) 信号调整、滤波电路模块：传感器输出的模拟信号一般比较弱、且混 有噪声信号，因此在对信号处理之前，应当对信号进行滤波、放大和极性转换处 理，然后再对信号进行处理。设计中采用信号调整、滤波电路模块完成这些功能。 ( 8 ) 电源电压变换电路：由于信号调整电路的工作电源电压要求为a ：1 2 v ： 力传感器的工作电源电压为i o v ；电流传感器的工作电源电压为5 v ，微控制器 的工作电压为3 3 v ，因此要设计电源转换电路将电池输出的6 v 电压转换为上述 电路所需要的电压。 ( 9 ) 电源开关：该电路模块的作用是在控制键盘的输入信号控制下，接通 或断开电池与工作电路的连接。由于该电路的工作电源来自电池，因此应将该电 路的工作电流降到很小，使仪器在不工作时，基本不耗电。 ( 1 0 ) 电池充电电路：电池充电电路的作用是对电池进行“匾电流”充电，当 电池电压达到规定电压值时，将充电方式转换为“匣电压”的浮充电方式。并且在 整个充电过程中，通过指示灯指示充电状态。 图2 - 3 测试仪各个电路模块的连接关系示意图 2 3 仪器的设计指标的满足 本仪器为便携式野外使用设备，设计时，除了要考虑测量功能上和指标上的 要求，还应该考虑仪器使用的一些特殊要求，如使用环境方面的要求，设计中考 虑最多的是仪器使用的温度、精度、功耗及抗干扰技术。 耐北上业大学硕士学位论文第一二章仪器的设计要求与设计思路 2 31 使用环境要求的满足 ( 1 ) 温度：考虑到使用地点的不同，仪器使用的温度应能适应各地气温，要 求为一l o 5 0 ，对此，仪器中选用所有芯片都为工业级芯片，可满足仪器耐 温要求。 ( 2 ) 功耗：仪器的功耗是个重要的指标，设计过程中，除所有芯片使用低功 耗芯片外，还采用软件方法来降低大功率元器件的平均功耗。仪器所用液晶的背 光功耗较大，背光开到最亮时约为4 0 0 m a ，为此，软件设计仪器有两种工作方 式：“正常模式”和“省电模式”( 通过按键控制液晶屏的“设置”菜单) ，“正常 模式”下，在定时器中断服务程序中设置定时1 0 s 关闭液晶背光( 定时从当前最 后一次按键操作算起) ，“省电模式”下则将液晶背光关闭。这种“软、硬”结合 的方式有效的降低了仪器的平均功耗。 ( 3 ) 抗干扰技术：仪器采用电池供电，并没有直接从交流电网上取电，该仪 器最大的干扰是来自铁路电力系统的工频单相交流2 5 k v 的牵引网的电磁干扰 。i 。对此，本仪器采用如下抗干扰措施：选用金属外壳来加强对电磁干扰的屏 蔽；在传感器到测试仪的连接线采用屏蔽线，有效的减弱了环境的电磁场对检 测信号的影响同时采用高共模抑制比的前置放大器，减少由于电磁干扰产生的 测量误差：在每个集成电路和功能电路的电源和地之间都接o 1 u f 的去藕电容 和1 0 0 u f 的电解电容来消除电源线和地线之间的脉冲电流干扰及低频干扰。 23 2 测量精度要求的满足 测量精度要求是对测试仪的基本技术要求，也是测试仪需要满足的一项重要 技术指标。影响测试仪测量精度因素有很多，要使测试仪的测量精度满足技术指 标的要求，就应当抑制或削弱这些因素的影响。 为了达到技术指标中对测量精度的要求，在满足仪器使用环境的基础上，设 计中又采取了如下措施： 设计中全部使用精度为1 、温漂为5 0 p p m 的金属膜电阻，关键部位使用精 度为o 1 、温漂为2 5 p p m 的高精度低温漂的精密电阻来保障仪器的精度。此外， 软件中也采取定措施：对采样信号进行“去极值滤波”来提高采样精度； 对测量数据进行运算处理时，将“除法”运算放到最后一步进行，这样可降低处理 器在进行运算过程中所产生“舍入”误差；测试仪还设计了数字调节传感器零 点、增益的功能，可以方便、及时的修正传感器由于某种原因产生的测量误差。 两北上业人学硕士学位论文第二章仪器硬r ：电路的设计 第三章仪器硬件电路的设计 测试仪的硬件电路是整个测试仪的核心与基础，它的性能的好坏以及工作可 靠与否将直接影响整个仪器的工作性能和可靠性。因此对测试仪电路的设计是整 个测试仪设计过程中一项重要的工作。 3 1 传感器选型及调整电路的设计 国家标准g b7 6 6 5 - 8 7 对传感器的定义为“能够感受规定的被测量并按照一 定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件构 成”。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量( 输入量) 的部分； 转换元件是指传感器中能将敏感元件感受的或相应的被测量转换成适于传输或 测量的电信号的部分。1 。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并将 检测到的信息，按一定规律变换为电信号或其它所需形式的信息输出，以满足信 息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等需要。可见，传感器在测量过程中 起到将被测量转换成易测量信号( 通常为电信号) 的中间桥梁作用。 3 11 传感器选型 图3 - 1 传感器的组成示意框图 ( 1 ) 在对转辙机输出力进行测量时，由于“道岔”与转辙机的连接方式为 “销”连接，所以力传感器选择外形为“柱销”状的应变式力传感器，这种传感 器一般由弹性敏感元件和应变计组成。它具有如下特点：测量范围广、精度高、 性能稳定可靠、频率响应特性好( 一般响应时间约为1 0s ) ，能在高( 低) 温、 高速、高压、强烈振动、强磁场及化学腐蚀等恶劣环境下正常工作，易于实现小 型化、整体化设计等* ，。 ( 2 ) 在对交、直流两类电动转辙机电机电流进行测量时，不允许拆卸转辙 机的电气线路，因此测试仪的电流传感器应当是非接触式传感器，同时还要求该 曲北工业大学硕士学位论文 第三章仪器硬件电路的设计 传感器既能测量直流电流又能测量交流电流。根据上述要求，该仪器选用以霍尔 元件为核心的央钳式“交、直流”两用的电流传感器，该传感器可满足测量精度， 体积小、寿命长“1 。 3 12 传惑器信号调整电路的设计 传感器信号调整转换电路完成的主要功能包括：对传感器的输出信号进行滤 波、放大处理，并将处理后的信号进行模数转换，以便微控制器读取使用。调 整转换电路在整个测试仪中起到从传感器到微控制器的桥梁作用。 ( 1 ) 力传感器调整电路设计： 力传感器的测量原理是用电阻应变计构成电桥电路，通过测量电桥两个桥臂 的电压差完成对转辙机输出力的测量。因此力传感器信号调整电路的作用包括： 将电压差值信号进行转换放大，将放大后的信号进行滤波处理。 对于将电压差值进行转换放大的电路多采用差动放大电路，电路原理如下： 图3 - l差动放大电路原理图 羞动放大电路的信号输入输出关系为： k 一种等卜巧) 上述电路称作测量放大器或仪表放大器，它具有输入阻抗高、输出阻抗低的 优点，同时它具有较高的共模抑制比和较高的差模增益。测试仪的力传感器调整 电路中使用的是改进该电路的单片集成电路a d 6 2 0 ，与上述电路相比，更具有 使用简单、可靠，自身噪声低、温漂小的优点。 对于转换放大后的信号还必须经过滤波处理，才可输出到模数转换电路。 滤波电路采用一阶有源低通滤波器，该电路除了具有滤波作用外，还起到阻抗匹 配的作用，增强信号的输出驱动能力。电路原理图如下： 曲北工业丈学硕士学位论文 第二章仪器硬件电路的设计 圉3 - 2一阶有源低通滤波器电路原理国 ( 2 ) 电流传感器调整电路设计： 测试仪要对两种类型不同的电流信号进行测量，这两类信号是直流电流信号 和交流电流信号，其中对交流电流信号要测量其有效值。因此设计两套调整电路， 分别完成对两类电流信号的调整。 1 ) 直流电流信号调整电路： 传感器对直流电流信号的输出为与被测电流成比例的模拟电压信号，对该信 号也要进行放大、滤波、移位处理。对直流电流测量信号进行调整的电路原理图 如下： 图 - 3 直流电流信号处理电路 该电路为二阶有源低通滤波器它除了具有滤波作用外，还可对输入信号进 行放大处理。同时该电路还有阻抗变换作用。静态输入与输出的关系为： 矿。一条矿， 2 ) 交流信号调整电路： 测试仪对交流电流信号的检测是测量其有效值，交流电流信号有效值的定义 为交流电流信号瞬时值的均方根值，用公式表示为： l 矿丽 阿北l = 业大学硕士学位论文第三章仪器硬件电路的设计 对交流信号的有效值检测的方法通常有以下几种： a 、根据交流信号有效值的定义测量有效值。通过微控制器对交流信号进行 定时采样，将采样值按照有效值的定义进行计算。这样测量交流有效值的优点是 测量结果准确，即使被测信号发生畸变，测量结果也是正确的。但是这样处理的 缺点是对微控制器运算处理能力的要求较高。 b 、根据交流信号的有效值与绝对平均值之间的比例关系进行测量。方法是 首先将被测的交流信号经过整流、平滑变成直流信号，然后测量该直流信号的数 值，将测量结果乘以比例系数1 1 1 即可得到交流信号的有效值。这种测量有效 值的方法简单，但当交流信号的畸变较大时，测量结果会有很大的误差。 c 、采用改进的“方法一进行测量。这种测量方式是将被测量的交流信号通 过特定的转换电路，完成对有效值的计算，并输出直流信号，这个直流信号的幅 值为交流信号的有效值。能够完成该功能的电路叫做“真有效值”转换电路，使用 “真有效值”转换电路完成对交流信号有效值的测量，具有使用方便、可靠，数据 处理时对微控制器的运算速度要求不高等优点。 设计过程中，“真有效值”转换电路采用的是a d 7 3 6 ，它是a d 公司的“真有 效值”单片集成电路。a d 7 3 6 能够计算各种信号的真有效值，这些信号包括：正 弦信号、占空比可变的脉冲信号等，而且在对正弦信号转换时，转换误差只有 o3 m v 。a d 7 3 6 在进行“真有效值”转换时，仅需要一个外部电容完成“平均”运算。 a d 7 3 6 的功耗仅为l m w ，因此非常适合在便携式测量仪器或电池供电的测量仪 器中使用。a d 7 3 6 具有较高的输入阻抗和较低的输出阻抗。a d 7 3 6 输入信号的 带宽为1 0 k h z ，输入信号的幅度范围：2 0 , - , 2 0 0 m v 。 对交流测量信号进行“真有效值”转换后，由于输出的“直流信号”幅度较弱， 应当对该信号进行放大、滤波、移位处理。所采用的处理电路的原理为图3 - 2 所 示的电路原理，只是改变反馈电路的阻值，以满足信号所需的增益要求。 3 2 微控制器与接口电路的设计 微控制器是整个测试仪的核一t l , ，它既完成对测量数据的运算和数字处理，又 完成对各种外部设备的控制，因此选用一款性能优良、使用简便、价格适中的微 控制器是测试仪设计过程中的一项重要工作。 由于微控制器需要通过数据交换完成对外部设备的控制，因此需要将外设与 微控制器连接起来，这也称作微控制器扩展外设。微控制器与外设之间的数据交 换方式多采用“总线”方式，其优点是组态灵活、成本低、使用方便。根据连接方 牲北j 业大学硕士学位论文 第乏章仪器硬件电路的设计 式“总线”可分为“串行总线”方式和“并行总线”方式，其中“并行总线”方式连线 较多，但数据的交换速度快；“串行总线”方式连线较少，但数据的交换速度相对 较慢。根据“总线”的作用可分为“数据总线”、“地址总线”、“控制总线”三类。 其中“数据总线”起到数据交换通路的作用，“地址总线”起到选通外设的作用，“控 制总线”起到数据同步交换的控制作用。 微控制器与外部设备之间的“总线”通道采用“总线接口”电路实现，“总线接 口”电路的作用是完成微控制器与各种外部设备之问的数据交换，起到微控制器 与外部设备之间的桥梁作用