（光学工程专业论文）内燃机车水阻试验台微机检测系统的研究.pdf

西南交通大学研究生学位论文第1 i 页 摘，要 水阻试验台是对内燃机车进行负载性能试验、整定机车功率、实 现内燃机车状态监测的重要设备。本文在对内燃机车主要技术参数进 行详细分析的基础上，针对原有试验设备的落后状况，提出了采用先 进的微机技术、传感器检测技术和控制技术对水阻试验台进行改造的 技术方案，应用模块化的设计思想，对各功能模块进行软、硬件设 计，从而构成内燃机车水阻试验台微机检测系统。 本文在以单片机为核心的微机系统的设计、接口电路设计、抗干 扰技术及安全隔离技术等方面进行了较深入的研究，分析了不同频率 检测信号采样周期的选择，并在检测系统中得到了应用，较好地解决 了水阻试验台微机检测系统的可靠性和稳定性问题，使得该试验台技 术先进、实用性好。检测系统中还设计了可扩展的通讯模块，通过通 讯模块和p c 机相连，可实现对检测数据的高级处理和分析。 文中给出了检测系统主要硬件电路的连接示意图和主要软件模块 的流程图。对试验结果进行分析，表明系统完全达到了设计要求。 该系统已运用于上海铁路局合肥铁路机务段的水阻试验台上，获 得了良好的使用效果。 关键词：内燃机车：水阻试验：微型计算机：检测系统 话南交通大学研究生学位论文第1 u 页 a b s t r a c t t h eh y d r a u l i cr e s i s t a n c et e s t b e di sa ni m p o r t a n te q u i p m e n tf o rc a r r yo n d i e s e ll o c o m o t i v el o a dp e r f o r m a n c et e s t ，a d j u s t i n gd i e s e ll o c o m o t i v ep o w e r a n do v e r h a u l i n gi t ss t a t e t h i st h e s i si so nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h em a i n t e c h n i c a lp a r a m e t e ro ft h ed i e s e ll o c o m o t i v ei nd e t a i l d i r e c t e da g a i n s tt h e b a c k w a r ds t a t eo ft h eo r i g i n a lt e s t i n ge q u i p m e n t ，p r o p o s ea n da d o p ta d v a n c e d m i c r o c o m p u t e rt e c h n i q u e ，a n dc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dt e s td e t e c t i o nt e c h n i q u e f o rt h et e s t b e dg oo nt e c h n o l o g i c a ls c h e m et h a t t r a n s f o r m u s i n gt h ed e s i g n p h i l o s o p h yo f t h em o d u l ei z a t i o n ，c a r r yo nt h ed e s i g no fs o f ta n dh a r d w a r et o e v e r yf u n c t i o nm o d u l e ，t h u sf o r mam i c r o c o m p u t e rd e t e c t i n gs y s t e mo ft h e h y d r a u l i cr e s i s t a n c et e s t b e df o rd i e s e ll o c o m o t i v e t h i st h e s i sp r o b e si n t od e s i g no f m i c r o c o m p u t e rs y s t e mt a k i n gs i n g l ec h i p m i c r o c o m p u t e ra sc e n t r a l ，a n t i i n t e r f e r e n c e ，s e c u r i t ys e g r e g a t ea n dd e s i g no f i n t e r f a c ec i r c u i te t c f u r t h e r m o r e ，t h e o p t i o n t o c y c l e o fs a m p l i n gv a r i o u s f r e q u e n c i e s e x a m i n e s i g n a l s i sa l s o a n a l y z e d a n di tw a su t i l i z e di nt h e e x a m i n e s y s t e m t h u s ，t h e d e p e n d a b i l i t y a n d s t a b i l i t yp r o b l e m o ft h e m i c r o c o m p u t e re x a m i n es y s t e mo fh y d r a u l i cr e s i s t a n c et e s t b e dh a v eb e e n s o l v e db e t t e r ，m a k et h i st e s tam o d e r n t e c h n i q u e sa n dp r a c t i b i l i t yi sg o o d i n t h i se x a m i n es y s t e m ，t h ee x p a n d a b l em o d u l ew h i c h h e l p st h es y s t e ml i n kw i t h p ct or e a l i z ep r o c e s s i n gd e e p l ya n da n a l y z ee x a m i n ed a t a t h ed i a g r a mo fc o n n e c t i o no fm a i nh a r d w a r ec i r c u i ti nt h ee x a m i n e s y s t e m a n df l o wd i a g r a mo fm a i ns o f t w a r em o d u l ea r e p r o v i d e d h a v e a n a l y z e d t ot h er e s u l to ft h e t e s t ，i ti n d i c a t et h a tt h es y s t e mh a st o t a l l y r e a c h e dt h ed e s i g n i n g r e q u i r e m e n t t h i s s y s t e ma p p l y t ot h e h y d r a u l i c r e s i s t a n c et e s t b e di nh e f e i l o c o m o t i v ed e p o to fs h a n g h a ir a i l w a yb u r e a ua l r e a d ya n dh a v eo b t a i n e d g o o dr e s u l to f u s e k e y w o r d s ：d ie s e i io c o m o t iv e ：h y d r a u ii cr e a is t a n c e t e s t m ic r o c o m p u t e r ： e x a m in e s y s t e m 西南交通大学研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 内燃机车水阻试验的目的及方法 中小修机务段一般都配备水阻试验台，水阻试验台由水阻箱耗功部 分和机车电路参数、柴油机热工参数及机车功率等参数的表显两部份组 成，按照段修规程水阻试验台的功能是为了调定内燃机车的功率，以及为 单独测量其他段修规程规定的参数提供稳定的机车状态。因此水阻试验台 配有与测量主电流，励磁电流、励磁机励磁电流、测发电压、主电压、励 磁机励磁电压、蓄电池电压相应的电流电压传感器和指针表，虽然水阻试 验台直接所测参数较少，但与水阻试验同时进行的测量参数却不少，几乎 包含了内燃机车所有重要参数，如爆发压力、排气温度、启机时间、柴池 机升降速时间等内容。由此可见，常规水阻试验台是一个以功率调定和提 供稳定机车状态为主的配合多种参数测量的分立仪表测量试验台。 1 2 水阻试验台的基本组成 水阻台分水阻箱耗功部份和机车试验参数的表显试验台两部份，中 间通过一套传感器及转换机构完成功能要求，所以水阻试验台的基本组成 可有下图卜l 表示。 机车年【l 水 一 机乍试验 参数表显 阻箱耗功 部分 部分 图卜1 、水阻试验台的基本组成图 西南交通大学研究生学位论文第2 页 1 3 现有水阻试验台的状况 由于当时技术水平的限制，段修规程规定的参数测量都是分立仪表测 量和人工读数，通过对电流电压计算获得功率，对于非线性的热电偶测量 排气温度读数，还须查表转换，难以克服读数误差和保证测量的同步性， 对于像柴油机升降速时间这样的动态变化参数，更难以准确测出。随着对 机车检修质量的越来越高的要求，常规水阻试验台更显不足。 由于长期以来，内燃机车检测大都采用常规仪表，其主要缺点为动态 性能差，不能测量机车动态曲线，不能快速同时测量多种参数进行分析比 较，不能存贮数据并进行数据处理，且测量繁琐，检测人员劳动强度大， 严重制约着铁路运输的发展。 随着现代测试技术、控制技术和微型计算机技术的广泛应用，迅速提 高检测系统科学性、实用性、可靠性、精度和检测结果的直观性的需 求，给机务部门提出了以现代化检测手段来达到高质量检修目的的课题。 为此国内外铁路部门都在这方面作了不少工作，并取得了一定成 绩。在国外，虽然各国都在这方面的进行了大量研究工作，但一般只有单 项检测仪表出现，其价格都非常昂贵，主要用于专项研究，还未广泛应用 于机务段的运输生产，至于机车整车综合检测系统尚未出现定型产品。 在国内，也研制出一些综合试验台，但由于条件限制，在检测手段和数据 处理上尚不理想，而且各段的要求和情况不一，现场使用不便，所以未能 在路内推广。 1 4 采用微机检测技术对水阻试验台进行改造的必要性 近年迅速发展起来的微机技术，给我们提供了在复杂专用设备方面与 国外同步发展的大好时机，八十年代中期，国外铁路机车检测设备大都采 用小型机为核心的多通道数据采集仪，我国铁路院校及科研部门一般都进 口这类检测设备作科研手段，而今微机不仅在速度上达到了很高的性能， 而且有功能强大的软件环境支持，相应的信号转换、隔离、处理的元件也 易于选购，在传感器的开发上，也在紧跟国际发展潮流，为我们自主丌发 高性能的内燃机车状态检测设备提供了有利条件。 为了使试验台高性能，多参数，接线多的矛盾得以平衡，本设计通过 消化吸收多项测试技术，设计精练可靠的电路，使试验台具有更多的优 西南交通大学研究生学位论文第3 页 点，主要表现在： ( 1 ) 、采用柴油机测速发电机交流波形的周期测量法，使柴油机转速 的测量不需附加安装传感器，精度提高。 ( 2 ) 、采用通道转换设计思想，使多股线简化成少数几股，从而大大 减小了接线工作量。 ( 3 ) 、可以和微机连接，在软件技术上可以采用高级语言编程，图形 技术用于表格与图线，使软件具有实时测量显示、表意清晰、操作方便、 不易出错的优点。 ( 4 ) 、下位机采用m c s 一5 l 系列单片机，提高了开发效率和性能，硬件 技术采用了高压隔离放大技术，使通道间和通道与微机间具有一千伏以上 的耐压，保证微机和传感器的安全，不受主电压击穿的威胁，并且精度也 控制在需求以内。 ( 5 ) 、采用了抗混滤波技术、高速a d 转换技术、单片机测量技术、 数据数显表显示技术等。 ( 6 ) 、元件大多采用低功耗的，使测量硬件简练而高性能，显示形式 统一，既可靠又维护方便，充分体现了自主开发高技术的优越性。 1 5 水阻试验台微机检测系统需要解决的关键技术 1 模数转换技术 内燃机车水阻试验台检测系统测量得到的信号大部分是模拟量，而微 机系统只能处理二进制数字信息，因此必须采用模数转换技术将模拟量 转换为数字量。市场上有很多能满足不同转换精度和速度的模数转换芯 片，可以根据不同的性能指标选择相应的模数转换器。但必须要根据采 集对象的变化频率确定采用周期，否则，采样周期太长会造成数据失真， 采样周期太短将影响系统的响应速度。 2 接口电路 硬件系统设计的主要工作之一是接口电路设计，接口电路设计要在 需求分析基础上，选择接口电路芯片和元件，同时还要考虑软件设计、抗 干扰和电路的走向。系统基本结构图卜2 如下： 3 抗干扰技术 抗干扰性能是检测系统可靠性的重要指标，是决定系统能否投入实 西南交通大学研究生学位论文第4 页 际应用的决定性因素之一。干扰窜入系统的渠道主要有三条：即空间干扰 ( 电磁场干扰) 、数据检测通道干扰和供电系统干扰，因此，在系统设计 过程中，需要充分考虑这些干扰因素，并采用成熟、实用的硬件和软件抗 干扰技术来提高系统的可靠性，例如可采取一些屏蔽、滤波等措施来达到 特定性能指标。 出恼 微机 坼 系统 暇瞎 图1 2系统基本结构图 4 安全隔离技术 被测量的对象中有主发电机电压之类的高压强电信号，如果这些强电信号 经检测通道窜入检测系统，将损坏检测系统的弱电电路部分。因而在系统 硬件设计中要考虑采用可靠的隔离技术来保障系统的安全。 西南交通大学研究生学位论文第5 页 第二章内燃机水阻试验的参数分析 东风4 型内燃机车技术参数自动检测系统的设计目标是：在机车进 行检修后，能够对其各种技术参数( 包括柴油机部分和电气部分) 的状况进 行实时、自动、全天候在线检测。本章将对东风4 技术参数自动检测系统 的参数进行全面分析，并在此基础上确定出系统的主要技术参数和具体设 计目标。 2 1 内燃机车各主要技术参数的分析 东风4 型内燃机车是1 9 6 6 年开始设计制造的2 8 6 0 k w ( 3 6 0 0 马力) 交 直流电力传动干线客货两用内燃机车。机车主要由柴油机系统、电传动系 统和辅助走行部分构成。整个检测系统参数的选择主要是围绕前两部分的 进行的。 l 、柴油机部分 柴油机是整个内燃机车实现牵引的原动力，对其的检测无疑是非常重 要的。对于机车柴油机，人们最关注的指标有三个，即功率，经济性( 油 耗) 和排温。通过这三个参数的变化，可以综合的判断柴油机的技术状 态。通常的，决定柴油机性能的最主要因素是供油和供气，使两者良好地 配合起来在气缸内充分燃烧而做功。引起柴油机故障的因素很多，但从故 障统计结果分析，换气系统、燃油系统和汽缸一活塞组是故障的高发区并 且容易引发机车运行大事故。另外，机油系统、冷却系统是否f 常也会直 接影响机车柴油机的_ i _ f 常运转。 在柴油机系统中，影响换气过程的有：废气涡轮增压器、中冷器和进 排气门。换气系统工作参数主要有：增压器转速n 。、增压压力p 。、增压 空气温度t 。、进气管的空气压力p 。和温度t ，、涡轮前压力p 和温度t 。 其中，最主要的是增压器转速n ，和增压压力p 。，根据这两个参数基本上 可以判别出增压器的工作状态。 缸内过程是综合评定柴油机工作状态的主要依据。换气系统和供油系 统的工作状态直接影b 自缸内过程参数的变化，同时由气缸活塞组等构成 的燃烧室也是产生严重故障的多发区，因此必须对缸内参数进行检测和分 析。通过示视功图分析可以对燃油系统、增压系统和构成燃烧室的丰要部 西南交通大学研究生学位论文第6 页 件状态进行评估。由压缩压力p 。的变化可以判断气缸一活塞组及气门 气门座的状态，由各缸最高爆发压力p 。值可以进一步判断燃油系统的状 态，分析各支管的排温，还可以大致判断各缸功率的分配情况。 2 、电传动部分 东风4 型内燃机车的电力传动装置主要由主发电机和牵引电动机组 成。 主发电机将柴油机输出的机械能转换成电能，向牵引电动机供电，再 由牵引电动机把电能转换成机械能，驱动车轮前进，完成牵引列车的任 务。同时，主发电机通过恒功率励磁调节，与柴油机功率匹配，更有效地 利用柴油机的功率。东风4 型机车柴油机采用了联合调节器，对应于柴油 机每一转速，有恒定的给油量，使柴油机的扭矩恒定，从而使柴油机保持 恒功率。主发电机若要充分利用该转速下的柴油机功率，则主发电机输出 的电流、电压关系曲线为一条等边双曲线，或简称恒功曲线，此外，还有 限压线和限流线。故恒功曲线的检测为检测系统的一项重要内容。 东风4 型内燃机车的柴油机有效功率与主发电机经整流柜输出的直流 电功率之间的关系为 p = ( n e n f ) n 1 3 6 = u , f * 1 0 0 0( k w ) 机车上辅助功率n f 、效率n 变化很小，可认为不变。从上式中可以 看出，要保持柴油机额定功率n e 不变，当机车辅助功率n f 一定时，主发 电机经整流柜输出的电功率p = u * f 应为恒值，即应具有等边双曲线的外特 性。 从理论上讲，为了使柴油机在任何工况下都能保持恒定，就必须将牵 引整流柜的输出电流和输出电压达到很大值。实际上这是不可能的，因为 对主发电机和牵引整流柜而言，它们都有最高额定电压值和最高额定电流 值的限制。因此，主发电机经整流柜的理想外特性就不是无限延伸的双曲 线，而如图2 一l 中b p c 所示。图中曲线b p c 为经过励磁调节后的双曲线， 线段a b 和c d 为由主发电机自然外特性所确定的限压，限流线。 主发电机经整流柜输出电流的大小取决于列车的运行阻力，主发电 机经整流柜输出的电压的大小与电机转速以及励磁磁通成正比。在固定转 速时，唯一可人工调节的就是主发电机励磁磁通，而励磁磁通取决于励磁 电流，因此，主发电机实现恒功率特性的调节实质上是对其励磁电流的调 节。 西南交通大学研究生学位论文第7 页 u a d 图2 1主发电机理想外特性 i 综上所述，对主发电机恒功率曲线进行检测的目的是： ( 1 ) 、检测柴油机的输出功率情况。因为主发电机是柴油机的主要负 载，当辅助功率和主发电机功率一定对，若主发电机具有恒功率特性，则 柴油机输出功率也就基本恒定。假若功率偏差太大，则应对柴油机有关部 件进行调整。 ( 2 ) 、检测励磁调节系统工作情况，若主发电机不能达到预期的恒 功率特性，除了柴油机方面的因素外，还有励磁调节方面的原因，需要对 其进行检查和调整。 因此，主发电机恒功率检测是电传动内燃机车技术参数检测系统个 主要内容。 东风4 机车的恒功率励磁控制，主要是依靠联合调节器的调节作用来 完成的。励磁调节的执行元件是功调电阻r g t ( 如图2 2 所示) ，由功调电 阻r g t 控制测速发电机的励磁电流，经测速发电机及励磁机二级放大后调 整主发电机的励磁。因此，通过对测速发电机励磁电流、主发电机励磁电 压和励磁电流的检测则可了解整个调节电路的状态。 蓄电池放电电流、电压也是很重要的参数。测量蓄电池放电电流、电 压的目的一是检测蓄电池本身的技术状态：二是检测柴油机在尚未自做功 时作为压力机工作的状态。放电电流的大小能反映柴油机的压缩压力和传 动系统静阻力矩的情况，故对蓄电池的检测是一项综合性的电气枝术检 测。 西南交通大学研究生学位论文第8 页 机车上的控制电路，照明电路、部分辅助设备和蓄电池组充电，都是 由内燃机车上的直流辅助发电机供电的。技规规定，机车辅助直流电源电 压为1 1 0 v 。为了保证辅助发电机的电压恒定，必须装设电压调节设备。 通过对辅助发电机电压的检测，可以确定辅助发电机的状态和电压调节器 的性能是否满足要求。 综上所述，需要对内燃机车的以下技术参数进行检测。如表2 1 所 示。表中列出了2 1 项检测参数，对于柴油机有1 1 大项，包括压力、温 度、转速等一系列不同类型的参数；而对于电传动部分则主要是几条曲线 的检测( 外特性曲线、蓄电池充放电电流、电压等) 。 表2 一i 检测参数一览表 代号 测试项目正常范围 l 柴油机转速4 0 0 1 1 0 0 ( r m in ) 2 前后增压器转速1 8 0 0 0 2 5 0 0 0 ( r m i n ) 3 前后增压器压力 13 5 ( k p a ) 前后增压器真空度 4 1 6 缸排气支管5 1 0 和前后总管温度6 0 0 5 机油压力( 末端、出口) 18 0 5 0 0 ( k p a ) 西南交通大学研究生学位论文第9 页 6 进出口水温 1 0 0 7 机油温度1 0 0 8 燃油压力4 0 0 ( k p a ) 燃油温度 9 主发电机电压8 0 0 ( v ) 1 0 主发电机电流5 0 0 0 ( a ) 1 1 主发电机功率3 0 0 0 ( k w ) 1 2 主发电机励磁电压2 0 0 ( v ) 1 3 主发电机励磁电流2 0 0 ( a ) 励磁机励磁电流 励磁机励磁电压 1 4 辅助发电机电压1 1 0( v ) 1 5 测速发电机励磁电流1 ( a ) 1 6 木 主发电机恒功曲线 u i 1 7 木 蓄电池放电电流曲线 i t 1 8 木 蓄电池放电电压曲线 u - t 1 9 十 爆发压力曲线 p 一中 2 0 * 压缩缩力曲线 p 一巾 2 l 木 燃油消耗率3 0 0 ( g k w h ) 2 2 检测系统性能指标的确定 内燃机车技术参数检测系统的运行环境十分恶劣：全天候检测、检 测参数多，工作环境下的噪声、震动冲击、污染、电磁和其他干扰严重。 因此给系统的设计带来了很大的困难。根据铁路技术规程的规定、参考机 务段提出的意见，并结合实际，确定东风4 型内燃机车技术参数检测系统 的主要技术参数指标如下： 1 、整体功能 系统应具有较强的数据和曲线检测功能，能准确、实时、动态、全 面地反映机车技术状态，操作简单，参数和图形显示直观明了。 2 、检测精度 具有足够的实用精度，按照机务段要求设计精度为1 5 考虑，检测系 西南交通大学研究生学位论文第1 0 页 统应不低于该精度等级。 3 、系统采样间隔 为保证数据的精度，静态参数的采样间隔为6 秒，动态参数中蓄电 池充放电电流、电压的采样时间为2 0 m s 。爆发压力为每度采集一次。 4 、工作条件 能够适应现场的高温、电磁发射等恶劣的工作条件，能进行全天候 的实时检测，具有较强的抗干扰能力。 西南交通大学研究生学位论文第1 1 页 第三章系统的方案设计 3 1 设计的指导思想 水阻试验台微机检测系统需要完成对柴油机、主发电机、牵引电机 和辅助发电机的主要技术参数及工作状态的检测。根据检测结果( 数值或 曲线) 来分析机车的运行状态，当参数超标时，系统给出相应的报警提 示。该系统是掌握机车性能状态和故障检修的重要依据，因此要求系统性 能稳定、操作简单实用、抗干扰能力强、精确可靠、交互性好、技术成熟 先进。 1 、性能稳定 水阻试验台微机检测系统是服务于机务段机车运行状态检测和故障 维修的生产系统，属辅助生产设备，因而要求检测系统性能稳定、故障率 低，能够持续稳定、安全地运行。 2 、抗干扰能力强、精确可靠 被检测对象既有发电机又有电动机，它们在启动、运行以及停止过 程中都会产生不同强度的电磁辐射和振动，电源的浪涌和尖峰，还要考虑 温度、零地电压和生产工艺等因素带来的干扰和误差。因此系统应具有抗 电磁辐射、抗振动和抗电源干扰等抗干扰能力，同时在系统设计中还要考 虑其自身的自检能力、容错和纠错能力，且一旦发现部件损坏，可迅速方 便进行更换。 3 、操作简单实用、交互性好 从工作人员的实际素质出发，要求系统操作简单实用。实用性突出 表现在快速方面，要求不因检测仪表的安装、拆卸和测量而拖延生产周 期。 4 、技术先进，具有良好的扩展能力 系统的先进性主要表现在整体功能上，而不是着眼于单项技术的突 破，尽量利用已成熟的技术和生产工艺为我所用。同时系统要有较好的扩 展能力和通信能力，为下一步开发机车状态检测和故障诊断专家系统提供 西南交通大学研究生学位论文第1 2 页 原始数据和数据通信接口。 3 2 水阻试验台微机检测系统的组成 一般，检测系统有三大部分组成，即检测部分、微机控制部分、 外设( 包括键盘和显示) 部分。 本微机检测系统检测水阻试验所要求的电流、电压、温度、压力等 参数。通过各自的传感器、变送器进行隔离整定、防大处理，然后由多路 模拟开关进入数据采集控制板，通过并行总线与微机相连，由微机在程序 控制下对检测过程进行控制并对检测结果进行分析。整体的检测系统的组 成如图( 图3 一1 ) 所示： 图3 1水阻试验台微机检测系统原理图 图中：1 3 - - - 缓冲器l - - - 锁存器 a d 数模转换器t - - - 定时器 b c 总线控制s k 采样保持 d a 模数转换器l c 逻辑控制 a c - - - 地址译码m a s - - 一多路模拟开关 i n t 一中断控制t r 变送器 西南交通大学研究生学位论文第1 3 页 3 3 传感器及处理电路 水阻试验台微机检测系统的基本任务是把机车上需检测的模拟量转 换为数字量，然后进行储存、计算和处理。该任务的完成包括选择适合机 车工作环境和要求的传感器、传感器输出信号的传输通道及预处理电路的 设计、模拟量信号a d 转换电路及脉冲量信号计数电路的设计、微机接 口设计等硬件设计；同时还要进行传感器非线性补偿、数据滤波及异常数 据的剔除等软件设计。 3 3 1 电流和电压检测 系统所检测的电流和电压均属于大电流、高电压的范围( 如主发电 机的电压和电流、蓄电池的电压和电流) ，为了防止高电压、大电流串入 计算机控制系统，对电压电流的测量必须隔离，使机车电路和检测回路无 电路上的联接。 ( 1 ) 电流、电压测量技术 目前，测量电流的仪器按其工作原理可大致分成二类：一类是根据 被测电流在已知电阻上的压降确定被测电流大小的测量装置，如分流器； 另一类是根据被测电流所建立磁场为基础的测量，如互感器，霍尔元件 等。测量电压可采用电阻分压、霍尔元件检测的方法。 分流器检测 利用电阻来测量电流有两种形式，一种是标准电阻，另一是分流 器。标准电阻一般作为校准测量装置的标准，通常使用在试验室环境；分 流器主要应用在生产条件下，作为测量直流大电流的电阻量具。 分流器具有结构简单、准确可靠、测量精度不受外磁场的干扰等特 点，但其本身消耗一定的电功率、结构笨重、安装复杂。工业上常用的分 流器额定电压降为7 5 m v ，误差一般为0 5 。 电流互感器检测 电流互感器是利用被测电流改变带有铁心扼制线圈的感抗，i i 白j 接地 改变辅助交流电路的电流，从而来反映被测电流的大小。 电流互感器的准确度不高，同时也易受外磁场影响；尽管如此，出 于其功率消耗比分流器小，同时又能承担一定负载( 指仪表) ，所以目前在 工业上应用的仍比较普遍。 西南交通大学研究生学位论文第1 4 页 霍尔元件检测 霍尔元件检测电流是根据载流半导体在磁场中产生的霍尔电势为基 础的。其精度较高，线性度好。但要求环境严格，而且价格偏高。 ( 2 ) 机车电路分析和传感器的选定 东风4 型内燃机车在同步牵引发电机的三相输出端配有传输比为 5 0 0 0 a 5 a 的电流互感器，其输出经三相桥式整流后连接牵引发电机的电 流表；机车电压表则是由经分压电阻( 倍率器) 分压后直接连接在机车主 电路上，经分压后的传输比为1 0 0 0 v 7 5 m y 。为简化测量电路结构，在保 证测量精度的条件下应尽量利用机车上现有传感器。因此，数据采集电路 直接从电流互感器上取主电路的电流信号，从分压电阻上取电压信号。 上述两种检测量信号都是高压强电信号，与检测系统不能有任何电 路上的联系，要求在它们之间有足够高的隔离性能以保证安全。 3 3 2 燃油消耗检测 流量测量常用重量法和容积法两种方法。在机车运行中只能使用容 积法测量燃油消耗。即分别测量机车柴油机燃油的进油及回油流量，两者 之差就是燃油消耗量。 l w g y 型涡轮流量传感器是一种较精密的流量传感器。当被测流体流 经传感器时，传感器内的叶轮借助于流体动能产生旋转，叶轮周期性地改 变传感器内磁路中的磁阻值，使通过感应线圈的磁通量周期性地发生变化 而产生近似于正弦波的电脉冲信号，经传感器内的电路放大后输出。 图3 2 流量信号的波形变换处理电路 为提高油耗测量精度，在安装前应将使用的流量传感器进行柴油工 质的标定，求出流量q ( 升秒) 和信号频率( 次秒) 的关系特性曲线，以 得到不同流量时的计算仪器常数c ( 次升) 。由于传感器制造的分散性， 西南交通大学研究生学位论文第1 5 页 以及同一传感器在不同流量时仪表常数的非线性，如不进行上述的精确测 量标定，在机车柴油机进油和回油流量接近( 如机车柴油机的惰行工况) 时 会出现测量误差。 流量传感器输出的脉冲信号必须经波形变换才能由计数电路计数。图 3 - 2 为一路流量信号的波形整形处理电路。图中，因流量传感器采用一 1 2 v 电源供电，其输出是交流脉冲信号和约一5 v 的直流电子分量迭加而 成的。c l 用以隔直；r 1 和c 2 形成一个滤波回路，以抑止信号传输过程中 外界的干扰；运算放大器实际起一个过零比较器的作用。当输入交流信号 为负半周时，放大器输出正饱和电平；输入为正半周时，输出为负饱和电 平。二极管d 的单向导电性使交流全矩形波变成非负的半矩形波，经r 5 和r 6 分压后，成为标准的t t l 电平信号供计数电路计数。r 4 为正反馈电 阻，用以加速交流相位变化时放大器波形翻转过程。 3 3 3 柴油机转速检测 东风4 型内燃机车柴油机安装有永磁式三相交流测速发电机，柴油 机曲轴经1 ：2 变速后带动该电机旋转，产生频率和幅度正比于柴油机转 速的三相交流信号。 柴油机转速检测电路包括隔离、波形变换、窄脉冲发生、三相脉冲合 成等部分，输出单相的t t l 脉冲供计数器计数。 3 3 4 压力检测 ( 1 ) 增压器压力 采用a i 一5 b x 型桥式电阻应变传感器，主要指标如下： 压力范围：0 - - 2 0 0k p a ： 非线性：土o 1 2 f s ： 迟滞：土0 1 4 p s ： 重复性：0 1 2 f s ； 精度：土0 5 f s ： 输出灵敏度：2 5 0 2 6v m p a 供桥电压：12vd c ： 满量程输出：5 v ： 工作温度1 0 - - + 6 0 西南交通大学研究生学位论文第1 6 页 ( 2 ) 真空度 采用a k 一5 a c 型桥式电阻应变传感器 压力范围：0 - - 2 0 0k p a ； 非线性：土0 0 2 f s ： 迟滞：土0 1 6 p s ； 重复性：o ，1 4 f s ； 精度：土0 5 p s ： 输出灵敏度：2 5 4 9v m p a ； 供桥电压：1 2vd c ； 满量程输出：5 v ： 工作温度一1 0 - - - + 6 0 ， ( 3 ) 爆发压力装置 爆发压力传感器由s y c 一0 3 a 压电压力传感器和水冷却系统构成。 s y c 一0 3 a 压电压力传感器的性能为： 最大压力：2 5 m p a ： 工作压力：1 5 m p a ； 线性度：( 1 ； 绝缘电阻： 10 0 0 k o 灵敏度： l7 p c k g c m ； 温度系数：0 o l k g c ： 加速度灵敏度：1 k g c m g ： 自振频率： 6 5 k h z ： 工作温度：2 0 0 ( 4 ) 机油压力燃油压力 机油压力燃油压力采用车上压阻传感器，其性能为： 压力k p a0 1 0 0i2 0 0 f3 0 0 r 4 0 0 j 5 0 0 l6 0 0f7 0 0 信号q i4 5 i 6 1 2f7 8 9 41 1 1 1 2 7 514 41 6 0 用三芯插头，1 3 问有效 5 0q 相当于压力3 0 3 k p a ，1 k p a ：o 1 6 5q p = ( r - 4 5 ) o 1 6 5 k p a 西南交通大学研究生学位论文第1 7 页 3 3 5 温度检测 ( 1 ) 排气温度 排气温度用e 分度热电偶作传感器 温度范围：0 - - 7 0 0 ： 型号：w r e k 直径：巾1 2m m 信号：o = 一6 1 0 2m v ： 温度f0 | 1 0 i 2 0 l 3 0 j 1 0 0 l2 0 0 温度l3 0 0| 4 0 0l5 0 06 0 0i 7 0 0 信号m v l2 1 0 3 3j 2 8 9 4 3 i 3 6 9 9 9 f4 5 0 8 5 i 5 3 1 1 0 ( 2 ) 油温水温 油温水温采用车上热阻传感器，其性能为 温度1 03 0 i 6 0 j 9 0 信号ql4 6 l5 1 4 5 i5 6 ，8 6 i 6 2 2 l 5 0 q 相当于水温2 2 2 ，1 = 0 1 8 qt = ( r 一4 6 ) o 1 8 用四芯插头，1 4 间有效 3 4 隔离放大技术 被测对象中有主发电机、牵引电机等高电压强电流设备，为保证微 机和传感器的安全，不受主电路高压击穿威胁和强电的干扰，系统中采用 西南交通大学研究生学位论文第1 8 页 了高压隔离放大技术，使通道问和通道与微机间能承受于伏以上的耐 压。 1 、高隔离放大技术 a d 2 8 9 型隔离放大器是种用高频载波作为信息和能量传输媒介的专 用放大器，将其作为牵引电动机电流检测隔离放大电路。a d 2 8 9 由输入、 输出和电源三个模块组成，三者相互隔离，系统提供的+ 1 2 v 直流电压进 入电源模块，经稳压后为高频振荡器提供电源；高频振荡器产生i o o k h z 的交流，由高频变压器分别送输入和输出模块中的隔离电源，转化为它们 各自的工作电源。被检测的输入信号进入输入模块后，经放大和高频调制 后用高频变压器把载波信号耦合到输出模块，再经过解调和滤波处理后输 出。由于输入、输出和电源三模块之间的隔离电压高达2 5 0 0 v ，保证了系 统的安全。图3 3 为电流放大电路。图中，w l 为增鲞。调整电位器；w 2 为 零位调整电位器：d 卜d 4 组成的箝位二极管电路保证输入的最大信号电压 不会超过预定值。 至上 l 尊 l 一 图3 3电流放大电路 2 、光电隔离技术 采用光电隔离技术作开关量的电隔离，柴油机转速信号也采用光电 隔离。 3 5 干扰及其抑制措施 抗干扰设计贯穿在检测系统的全过程。从总体方案、器件选择到电 路设计，从硬件系统的设计到软件程序设计，从电路板到系统布线，都要 考虑抗干扰设计。 西南交通大学研究生学位论文第1 9 页 干扰一般都是以脉冲形式进入微机检测系统，干扰进入系统的渠道 主要有三条，如图3 4 所示。 电磁场信号源 供电系统 图3 4 检测系统的主要干扰渠道 其中，电磁场干扰在强度上远小于其它两个渠道的干扰，并且磁场 干扰可通过良好的屏蔽与接地以及高频滤波来解决。 供电系统干扰可以使用带隔离变压器的不间断稳压电源( u p s ) 以及 具有抗干扰能力的开关电源来解决。 采样通道干扰是系统设计时需要特别考虑的，同时在软件设计中也 引进了数据滤波技术来解决抗干扰问题，详细的抗干扰措施在硬件系统抗 干扰设计和软件抗干扰设计中讨论。 西南交通大学研究生学位论文第2 0 页 第四章硬件系统的设计 利用单片机构成的微机检测系统能够根据应用系统的需要，灵活方 便地扩展系统，硬件规模完全根据应用系统的要求配置，因此系统具有很 好的性能价格比。单片机应用系统从结构上看，主要由单片机构成的计 算机系统与各种功能接口子系统组成。硬件系统的设计内容包括：系统扩 展、通道与接口设计和抗干扰设计。 4 1 单片机系统的设计 单片机芯片配以必要的外部器件构成单片机最小系统，再通过必要 的系统扩展，即可以构造一个完整的满足应用系统需求的计算机系统，它 是检测系统硬件的核心部分。 本系统采用l i f c s 一5 l 系列的8 0 3 1 单片机芯片，根据应用需求扩展了 e p r o m 程序存储器、数据存储器、并行接口、中断控制器、定时器、键盘 显示接口和打印机接口等电路。 1 、8 0 3 l 单片机结构 8 0 3 1 片内总线结构简图( 如图4 1 所示) 。它主要由8 位中央处理 器、数据存储器( r a m ) 、3 2 条i 0 口线( 四个8 位口p o 、p i 、p 2 、 p 3 ) 、2 个定时器计数器、中断嵌套结构、串行口、特殊功能寄存器、 片内振荡器和时钟电路。这些部件通过片内单一总线连接而成。 2 、振荡电路、，时钟电路和c p u 时序 振荡电路和单片机内部的时钟电路一起构成了单片机的时钟方式， 根据硬件电路的不同，连接方式分为内部时钟方式和外部时钟方式。同 时，振荡周期和时钟周期又决定了c p u 的时序。 _ c s 一5 1 单片机芯片内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。 引脚x t a l l 和x t a l 2 分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与 作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成一个自激振荡器。这种 接法也就是m c s 一5 1 单片机的内部时钟方式。 西南交通大学研究生学位论文第2 l 页 p s e na l e e ar e s e t 图4 - 18 0 3 1 单片机结构 图4 - 2 ( a ) m c s - 5 1 单片机内振窃曙 图4 - 2 ( b ) 片内振蒋器的尊效电路和外接元件 图4 2 ( a ) 是单片机片内振荡器电路，图4 - 2 ( b ) 是它的等效电路和外 接元件。外接晶体( 在频率稳定性要求不高而希望尽可能廉价时，可选用 陶瓷谐振器) 以及电容c 1 和c 2 构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回 路中，这时内部振荡器便自激振荡。系统对外接电容c 1 和c 2 的值虽然没 有严格的要求，但电容的大小多少会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳 定性、起振的快速性。c 1 和c 2 的典型约为4 7 p f 。在设计印刷电路板 时，将晶体或陶瓷谐振动振器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠 西南交通大学研究生学位论文第2 2 页 近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定可靠地工作。为了提高温 度稳定性，系统采用温度稳定性能好的电容。晶体可以在1 2 m h z 一1 2 m h z 之间任选，电容可以在5 p f 一6 0 p f 之间选择，电容c 1 和c 2 的大小对振荡 频率有微小的影响，可起频率微调作用。 或采用外部振荡器，也就是m c s - 5 1 单片机的外部时钟方式。由图4 2 可以看到引脚x t a l 2 就是内部时钟发生器的输入端。因此，对于芯片只需 将外部振荡器的信号接至引脚x t a l 2 ，而把内部反相放大器的输入端 x t a l l 引脚接地，如图形4 3 所示。 图4 - 3 m $ c 5 1 单片机外部时钟源的接法 通常接的外部信号一般为频率低于1 2 m h z 的方波信号。另外，由于 x t a l 2 端的逻辑电平不是t t l 的，故接一个上拉电阻。 时钟信号的输出 系统的扩展i o 接口也需要时钟信号。当系统在内部时钟方式下工 作时，为了简化系统的设计，需要单片机能为外部接口芯片提供时钟信 号。如图4 4 。 时 图4 - 4 单片机肘钟输出电路 x t a l 2 x t a l l 西南交通大学研究生学位论文第2 3 页 3 、复位电路设计 单片机应用系统在工作时，有时需要复位操作。我们必须保证复位电 路能准确、可靠的工作。 复位状态 单片机的复位是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片 机的r s t 引脚上出现2 4 个时钟振荡脉冲( 2 个机器周期) 以上的高电 平，单片机便进入初始化状态。只要r s t 保持高电平，则m s c 一5 1 单片机 就循环复位，当r s t 从高电平变为低电平以后，m s c 一5 l 单片机从0 0 0 0 h 地址开始执行程序。 复位状态表如下： 专用寄存器复位状态专用寄存器复位状态 p c0 0 0 0 ht m o d0 0 h a c c0 0 ht c o n0 0 h b0 0 i - it h 00 0 i - i p s w0 0 ht l 00 0 i - i s p0 7 ht h l0 0 h d 玎r0 0 0 0 ht l l0 0 h p 0 - p 3f f hs c o n0 0 h dx x x x 00 0 0 0 bs b i t e x x x xx x x x b i e0 x x 00 0 0 0 bp c o n0 x x x0 0 0 0 b 注：x x x x 为不定值 复位电路 r s t 、吲 8 0 3 l 图4 - 5 电平开关复位与上电复位 4 、程序存储器 i n t e l 8 0 3 1 单片机片内无r o m e p r o m 程序存储器，必须外接程序存 储器。为了能在应用系统中进行在线改写，采用2 7 6 4 ae e p r o m 电擦除可 西南交通大学研究生学位论文第2 4 页 编程只读存储器，存储空间为8 k 8 字节。2 7 6 4 ae e p r o m 与i n t e l 8 0 3 1 韵扩展连接如图4 - 6 所示。 p 2 p 2 q 乜咄： 8 a l e o a o 一a t 锁存器 2 7 6 4 a 8 0