（检测技术与自动化装置专业论文）客车轴温集中监测报警系统的设计.pdf

摘要 针对列啦行驶过程中的对旅客的发全保障问题，本文就铁路客车轴 滋集孛煎测缀餮系统豹软嫒终设计及王终原理送行论述。 铁路雾攀辘溢集中簸测掇警系统怒采翻模藏滠茨传惑器帮数字式温 度传感器谶行轴温检测和报警，并完成对轴温检测数据的记录和存储。 整个系统功能的实现由轴温报警器和轴温监测记录仪共同来完成。轴温 监测记录仪遇过通信模块将2 0 个车渊盼轴温报警器检测出的轴滠数据 轮渡显示，劳意掇警魏攀簇号窝辍缱熬示窭来，嚣瓣发警报警髂弩。劳 定时存储弱袖温数据i c 卡中，该数据w 以通过便携武i c 卡读卡嵇读出， 使用方便，可靠。整个系统软硬件紧密配合，形成功能完善的、搿效的、 高可靠性的客车轴温集中报警系统，系统检测手段凝活，可靠燃商，具 蠢国悫镶必承平和广泛戆蠢场应用蘸爨。 关键词：轴温检测i c 卡温度传感器轴漱撤警器记聚仪 a b s 重r a c t s e c u r i f yq u e s t i o n ot h ep a s s e n g e ri s 嚣o j n gj nc h ec o u r s et of h et r a j n 丁h e s o 矗吼r ea 芏l d | l a f d w a j d e s i 露1o ft h ea x l et e m p e r a l u 聪a l a r ms y s t e mo ft h e 巍嚣s e 矗静f 联蕤瓣d e s 礅b e di 珏氇i s 强e 垂s 8 羽s od o e si 毛s 曜e 糖t i o 珏 p r i n c i p l e 。 a n 甜o gt e m p e r a t u r es e n s o ra n dd 垃i t a it e m p e r a t u r es e n s o ra r ea d o p t e di n t h ea x l et e m p e 柏加r em o m t o ra n da l a 蝴s y s t e mo ft h ep a s s e n g e r 妇i nt o 出耱c t 衄d 越a 掰l i l 培幽ea x l et e m p e r a l u r e t h ef e c o r d i n g 皴ds l o r i n go f 也e 嬉a 攮o l 嚣钯m p a 麓t 疆譬i s 越s o 蠢o b e t l 瓣崩i z 越幻露0 董氆e 鑫堆e t i 承lo ft 醅 w h o ! es y s t c m 逸蠡n i 盘e db ym o 越矧n ga n df e c o r d i n gi n 曲隧n 哇t 0 8 e 幽e r 州mt l l ea x l et c m p e m t u r ea l a 盯i l i n gi i l s n l l m e m a x l et e ：阳r a t l l r em o n i t o r i n g a i l dr c c o r d i n 馨i n g m 瑚e mr e c o r d 山e 秣l ed a 协矗o mt h ea x l et 啪e 删t u r e 越a 蕊抽gi n s 拄u m e n ta n ds t o r e 也e mi n t oa nl cc a r dt h r o u g hc o m m u n i c a t i o n m o d 霜e 。翻噼硅瓣& c 矗盎殛羚轻建氇r 秘蝮氆e 轻撼矗i 鑫f e 矗& fo f 蕊i r 堍鞋el cc 教d 致 i se a s yt ou s ea n df e l i a b l ee n o u 窖h t h es o f w a r ea n dh a r d 吼r eo fw h o l e s y g t e mc o o p c r a t e sc i o s e l y f o m l sap e r f b 姓，h i g k e m c i e n ta n dh i g hr e l i 曲l e a x j et e 蜘p e r a 搬r ea j a n l ls y s 毒e mo ft h ep a s s e n g e rt r a j n ，s ) ，s t 锄a t j cd e 亡e c t j o n m e 矗n si sn e x b l e ，k g hr e i i a b l e hl e a dc o m p e 托n c ea n de x t e n s i v em a r k e tu s e 氇ep f 。s 辫c 毫越骗越el oh 8 v e 。 1 ( e y w o r d ：a x l et e m p e 聃t i i r ew a r n i n g ，i cc 盛r d r o r d i n gi n s t r u m 母n t 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑激声明：所黧燮的硕士学饿论文客车轴潞集中监测撤警系 统豹设计愿零入在撂蛩教爆豹指导下，独立进行磷究工终嚣敬德黪戚 浆。除文审跫经洼鹱雩 臻豹内容黔，零论文不惫食任何箕健个人簸集体 已经发表娥撰写过的作晶成果。对本文的研究做出髓罄贡献的个人和集 体，均已套文中苏臻确方式拣袈。奉入完全意识到零声骥魏法德结募癌 零久承袒。 髂学签名：勉塑年互舞上翔 长誊建工丈攀学蕴谂交龌投蓑秀l 授粳书 本学位论义捧者及攒尊教师完全了群“长春理王大学颈士、博士学 馥论文藏龊蕊惩撬定”，霹意长春瑗工大擎爨罄著觏霞家有美部门蠛撬 构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被套f 1 阁和借阅。本人授权 长奏理工大学可以将零学位论文趵金鄢戏部分虎容犏入有关数撼库进 露捡索，逛霹采矮影霹、瓣露或螽接等鬟铺手段保存秘汇编学使论文。 传嚣签名：通己墨耍 攒导导繇签名： 型竖年上月上冀 年半雳翔 第一章绪论 1 1 本文研究的目的与意义 随着列车不断提速，对运输安全的技术保障提出了更高的要求。其 中列车车轴轴温监测对保证列车运行安全具有重要意义。机车在运行过 程中常因机车轴温超高而发生车轴磨损和切轴现象，甚至造成重大事故， 在铁路提速以后，这个问题更是影响铁路运输安全的一大隐患1 1 】。随着 铁路提速范围的不断扩大，对运输安全的技术保障提出了更高的要求。 过去依靠机车停站后人工用手摸的方法检测轴温，已不能满足铁路运输 的需要。虽然近年来不少单位相继开发了多种机车轴温监测装置，但因 传感器连线太多，传感器精度低等原因，均没有大范围地推广应用。随 着单总线式数字温度传感器的发展，为机车轴温的实时监测提供了方便 可靠的条件p j 。由于现在国内普遍应用的温度传感器为p n 结温度传感器 和数字式温度传感器( d s l 8 8 2 0 ) ，因此需要设计一种能够适应两种温度 传感器的温度监测与报警仪器。由于报警器是设在每个车厢里，这种分 散报警模式，即由列检人员依次车厢巡视乘务员车厢内的报警器，查看 轴温是否超限。当检车人员从第一节车厢巡视到列车尾部时，也可能第 一节车厢里的轴报器已经超温报警，而检车人员却不能及时发现。列车 提速后，如何确保安全运行就显得更为熏要，对轴温预报装置提出了更 高的要求，我们在此基础上设计了一种既能与上述两种温度传感器( p n 结和d s l 8 8 2 0 ) 对接，又能让列检人员在总控室就能得到整列车各轴温 信息的轴温监测记录仪喇1 7j i 刈。 1 2 国内外轴温报警监测系统现状 目前国内外用的轴温监测装置分为车载接触测量式与地面红外探测 式两大类，绝大多数长途直、特快旅客列车都安装了直接接触测温式轴 温监测报警器( 例如t k z w 1 1 1 a 型) ，该报警器一般安装在各车厢列车 员的休息室内，直接采用声光报警j 。采用该种方式的轴温测试技术主 要是测温传感器的选择，温度信号的实时检测、信号处理、存储、超温 报警、显示。尽管还存在一些问题，但多年的实践己使其技术状态趋于 稳定，但轴温信息的传输方式及集中处理由于受到列车特殊环境的种种 限制，尚存在不少问题吲1 3 】。国内有关部门也在研究轴温集中监测装置， 希望解决好信息可靠传输及信息存储的问题。目前绝大多数列车轴温报 警装置仍然沿用了分散报瞀的模式，有时难以及时发现，因此不能够迅 速将故障信息上报，不能为有关人员及时采取措施提供条件，因此，目 前要解决的是实时检测、信息传输和集中控制问题l io l 。 1 3 本论文研究的主要内容 针对以上问题的要求，我们设计了一种无论用户采用p n 结温度传 感器还是数字传感器( d s l 8 8 2 0 ) ，都可以实现温度检测的检测装置。该 装置既可实现对温度检测、显示、存储与报警，又可以将温度信息通过 有线方式传输给轴温数据监测记录仪，轴温数据监测记录仪实现对各车 厢轴温的记录和存储，并实现超温报警功能。为了便于管理，轴温数据 监测记录仪放在主控室，通过记录仪可以监测记录整列车轴温状况 【1 2 】。 根据用户要求，要做的主要研究工作是： 1 轴温报警器硬件电路：电源提供，轴温信号的检测和提取，温度 传感器工作条件即恒流源的提供，温度的显示与存储，超温报警，信息 传输。 2 轴温检测记录仪硬件：轴温监测记录仪的硬件设计与轴温报警器 基本相同，不同的是它少了轴温信号的检测与提取，传感器工作条件的 提供，而增加了轴温信息的i c 卡存储。 3 软件：报警器的软件设计包括传感器的判别，传感器连接状态的 判别，轴温信号的处理( 包括显示、报警和与记录仪之间的信息传输) 。 记录仪的软件设计包括轴温报警器所采集信息的接收和处理，温度 及报警信息的存储，显示。 1 4 本章小结 本章在查阅大量车载轴温报警、监控系统技术资料的基础上，介绍 了轴温报警监控系统的国内发展现状，论述了轴温监控、报警系统在铁 路旅客列车上使用的意义，最后阐明了本文的主要研究内容。 第二章总体方案设计 2 系统设计要慕 一本设计需要达到的技术指标如下： 轴温报警器1 2 j 1 供电电源( 直流) 毫压( v ) 毒5 5 v 典蛩簦爻4 8 v 畦流( a ) o 5 a 2 温度鼹示范围一5 0 1 2 5 3 系统测精精度一5 0 1 2 5 士1 口c 4 。报警激度 9 0 5 ，豢警方式声先霹辩报警，劳显示轻整_ 稻淦凄，缀警音豌大予8 激b 6 工作方式迄绥 7 仪器功耗正常运行 5 w 8 ，使用条件： 繇壤激发： 传感器 5 0 1 2 5 报警器 1 0 5 0 相对瀑度： 传感嚣防水 摄警器 4 5 ，9 轻疑嚣 9 恒流源调节范围( a ) 3 0 肚6 肚 l o 轴温撤警器采用2 0 位8 的液晶驻示屏，可同时显示9 个轴位轴 濑数据。 1 1 萃套攘警器露旗存l o 缝本事辘滋报警数援，霜露记录掇罄秘 问，便于事故分析。 轴温败测记录仪 1 供电电源( 直流) 毫压( v ) 4 5 巧5 v典型谴为4 9 v 电流( a ) o 5 a 2 温度熙示范围一5 0 1 2 5 3 系统测餐精度一5 0 1 2 5 士1 c 4 报警激度 9 0 5 。摄警方式声竞弱馨尊掇警，著霆蠢芎辍垃蠢漫凌，报警啻穗太予8 0 曲 6 工作方式连壤 7 仪器功耗j 下常运行 5 w 8 按每l o 分钟记录一次：每次记装所有2 0 节警膊共1 8 0 个激度点， 可连续记录2 0 次( 绞食疆天靛麓滠数据。 9 + 任一辅位发生超温寓现声光报警。 2 2 系统设计方案 整个系统分为两个部分：辘涅摄警器分规积秘滋记录纹。 辘温报警器的核心怒尉s 9 e 5 2 终潮毫路主要睦；憾流源、传感嚣接口 模块、通讯模块、开关电源模块和液晶显示器等几部分组成。仪器的工 作流程为：传感器接口模块，先识别传感器类型，然后分别对备路传感 嚣逐个进行信息采集，对这些信息进褥处理和判断( 包括是否刀鼹、短 鼹，霆否这熬 摄警毽) ，然嚣决定是蚕壤警，或者燕选逶下一个辘袋重复 上述流程。数据读取完毕聪将采集的9 路轴温数据送c p u 处理储存，c p u 在主程序中寓时将测得的轴温数据送鼹示，如有趣濑报警数据，斌报警 标志，并输出报警状态( 嚣报警声、报臀灯、轴位闪烁等) ，在通讯时将 攘警售怠发森出去。集书报警嚣熬通邋采瘸频移键控( s k ) 蕊零牙逶 诫方式，多螽报警器窝一螽记录伎鞫成一个分毒式的逶讯弼络f 3 h 。 记录仪的电源模块，通讯模块等电路环节和报警器类似，这魑不再 赘述，另外，记录仪增加了与其配合用的大容量轴濑i c 卡口”。大容量轴 鼹i c 卡应魁了目翦最先避的集成芯片。其容量为2 0 ( 辆车) 2 0 0 0 ( 次) 爱常辘瀣数撵，1 0 次蘩个辘溢豢警数舞，每次记袋都包捃霹溺、车俸 编号、车辆顺位号p “。i e 卡数据总容爨为4 m 位，以正常l o 分钟谶一次 数掘。i c 卡汜满数据后以自动先进先出的原则循环记录【l 。 2 。3 系统设计框图 系统设计分两个大部分：轴溢报警瓣翔轴澄稔测记录仪，箕簇蓬框 图如图2 1 所示 其中轴漩报警器包括以下几个组成部分： 开关电源模块：由输入的4 5 6 5 v 踅流电源转轶戏5 v 和1 0 、7 直流 邀源，班绘缀警器其毽罄分提供龟源。 恒流源：用以产生恒定3 0 蛳a 的电流，加到p n 结传感器上。 传感器接口模块：完成两种温度传感器与微处理器之间的接口。对 予p n 结传感器需要进行a 廊采集，然爝褥由单片机处理。对于数字式传 感嚣，剩妻接送入单冀橇避霉楚理。 徽处理嚣：传感器类凝识别，信号处理、报警、存储、通僚 液晶显示：显示时间、轴位、温度 日历时钟：产生准确的年、月、f = 1 、时、分、秒信号供显示 毒 通讯模块：轴温报警器与记录仪之问数据传输。 4 8 v 0 5 a 日历和时钟 显示器 l 歼戈电源摸块 蜂鸣器 微控制器 ( 8 何单片机) 5 v 2 a 1 0 v ，o 5 a 轴温i cp | 报警器卜一通讯模块 日历时钟i液晶显示器ii 通讯模块 蜂鸣器 传感器接口模块 传感器 微控制器 ( 8 位单片机) 5 v ，2 a 开关电源模块 o v 05 a 3 0 毗a 恒流源 l4 8 v o 5 a 幽2 1 轴温数据监测报警系统的原理框图 轴温数据监测记录仪的结构组成如下： 开关电源模块：出输入的4 0 6 5 v ( 典型值为4 8 v ) 直流电源转换成5 v 和1 0 v 直流电源，以给轴温数据监测记录仪其他部分提供电源。 液晶显示：显示时间、轴位、温度。 日历时钟：产生准确的年、月、r 、时、分、秒信号供显示。 通信模块：报警器与记录仪之| 、日j 数据传输。 轴温i c 卡：定时存储各报警器的轴温数据。 2 4 本瘴小结 零章楚攀分缓了铁爨客车轴湿缀繁显示系统懿系统设计要求，跨辘 溢报警显示系统豹控翻系统戆总露遴静了设诗，将辘溢擐警控制系统分 成两个部分，描述了该控制系统的耜；架结构，并对设计方案各个部分做 了简要介绍，确定了整个系统的设计思路。 6 第三肇轴温报警器的设计 3 。 溢凌传感器及箕芏俸嚣i 璎 3 1 1 传感器的选择 常见的濑度传感器有两类，即模拟式温度传感器和数字式溆腹传感 嚣。 在模羧筑澄度传感嚣中常委的商蹒萃孛，分襄为熬魄谯、镶电辍酾n t c 热敏电阻，p n 结传感器p j 。 热电偶由两个焊接在一起的异金属导线( 以形成两个结点) 所缎域。结 点之间的湛簇会在疆搌导线之间产生热嫩势( 即电压) 。通过将参考结点保 持在已躲滠魔上并嚣蠢该魄压，使霹藩旗密检爨终杰静湿度。热魄滔戆 优点是工作濑度范围非常窝，而且体积小。不过，落们也存在整输出电 压小、容易遒受来自导线朔：路的噪声影响以及漂移较高的缺陷【l ”。 铂电阻的主要优点怒物理化学性能稳定，并具有良好的工1 艺性，但 楚宅熬滠度系数小。 nt e 热敏电阻由垒蓠鬣纯物璃瓷缝畿，是低成本、灵敏度最菇瀚湿 度传感器。间时，它工作温度范围窄，且输出非线性。 p n 结传感器同上述几种温度传感器相比，最大的优点是输出特性呈 线性，虽测激精度寓“。 数字式滋菠簧感器驻荚莓d a l a s 半导钵公镤稳d s l s 2 0 豢为攀 觉，继d s l 8 2 0 之后，该公司又新推如了一种改进毽智能温度传感器 d s l 8 8 2 0 。与传统的热敏电阻相比，d s l 8 8 2 0 能够巍接读出被测温度， 并且可根据实际要求通过简单的编程爽现9 1 2 位的数字值读数方式， 爵班分别在9 3 。筇矗拈和”o 璎s 内产垒9 经帮1 2 位豹数字塞，势拦滨窭 绒写入d s 8 8 2 0 簿詹怠仪需要一稼嗣线( 单线接嗣) 使可完成。滠度交 换功率来源予数据总线，总线本身也可以向所挂接的d s l 8 8 2 0 供电，而 无需额外电源。无论在测瀛精度、转换时间、传输距离、分辨率镩方面 较d s l 3 8 2 0 荫了缀犬的改进，且饺用d s l 昭鞠使系统臻构更趋予篾单 纯，可靠毪獠疫撵赛，这给雳户带来了筻方倭静嫠瘸帮雯令又瀵豢豹效 果【旧l m 。 综上所述，设计中选择p n 结传感器及d s l 8 8 2 0 数字传感器。 首先我们把数字传感器d s l 8 8 2 0 朔p n 结传感器的优缺点进行介绍。 l ，数字式滠度黄戆卷d s 8 8 2 0 数字式湓度传感器豢接输出数字游度值，健褥仪器电路设计露省 去了模数转换环节，从而电路简洁，外围电路成本低； 并联特性比p n 结传感器强： 7 数据可以采用软件校验，传感器一般不会因损坏或受到电气干扰 两误报； 毫瀑辩，功耗较大，读数容易爨镫： 温度德输出时位数多( 一次性移出多达7 2 个脉冲数据，其中如有 一位出错，校验码就会不对) ，读数时间长。即使采用校验，有然传感器 还是会出域很长时间内温度读不出采( 或读不正确) 的现象，因而存在 潺掇瓣危黢，这也是嚣耱数字簧感嚣德阕中遇裂熊较楚多觅戆鹚越。 判凝健感器爵环霰瘸专用仪器，检溯不倭。 传感嚣一旦更换型号，互换性麓。 2 p n 缡传感器 测温遴度快，一秒钝3 次以上； 爨懑蕊鋈窕( 一5 0 狰9 ) ： 互换憾好： 便于维修； 因速度快，容易聚煞到脉冲干扰信号： 因等效阻抗较裹，赦若联特攫较差 姿传薅器因松动袋线路酸损造成碰线( 短路) 辩，输出僚号大幅 度跳变。 基于以上原因，需骚对模拟传感器产生误报现粮进行充分研究，找 燃其规律，从仪器的电路设计和软 牛设诗上有针对馕地躬决其缺照，将 溪掇熬霹辍燃簿至最小。 3 1 2 传感器的工作原璎 1 p n 络温度传感器 该传感黪采矮双p n 络串联。p n 缨熬铰安特瞧隧滠度变纯翅潮3 1 耩示。当滠璇毽定露，绘p k 结热毽定电瀛。刘p k 结两端褥弱个 确定的电压。当温度升高时，伏安特性曲线左穆。若而不变，则 减小。由此可见，当给p n 结施加以憾流，通过检测其两端电压降， 则可计算出p n 结所处的激度 1 4 j l ”】。 考虑瑟零系统孛要求辨辩p k 缝激发转感器露数字式滠瘦谩戆器， 黉求传感器的输出电压与逻辑高电平隧别开来，所以恒流源电流不能太 大，为了信号转换的准确性，要求传感器输出信号在a d 转换中有合适的 动态范围，脚此，恒流源的选择不能太小。考虑到不同的p n 绪其伏安 特性瞧不翳，铁挺疆，飘2 2 69 l 中溉定掰臻捷感器浆性戆参数褥套公式 ( 3 1 ) ： 8 胪：1 2 3 5 m v 4 3 6 r 误差为躺1 3 6 耐 l 式中：卜传感器两漆静电压( 辨v ) 卜温度( ) 选择矗) _ 3 0 0 a 士2 。 i 口 因此，不是所有p n 结都能用予 该议器，嚣楚霉要按蔑强1 ) 严辏萝蠹逡 后才能糯。从式( 3 1 ) 鹩条 牛可以看蹴 对传感器所供电流的憾定值要求并不 ( 3 1 ) 9 翻3 2d s 8 8 2 0 、锲i 溢骧理翻 爝子修正减法计数器麓颥餐售，只要计鼗门仍泰荚游就重复上述遗程， 直至温度寄存器值达到被测温度值，测量结果存入漱度寄存器中。 d s l 8 8 2 0 传感器在执行完温度转换后，温度值分别与下限温度报警 触发寄存器( 死) 及上限温度报警触发器( 珏) 避行比较，其中报警触 发毒存嚣张及琵蘩7 继( s 篷) 荧蟹学位，热巢设定瓣瀣度蔻委瓣潮， 如果设定鹩报警温度为负姗p l 。靠和瓦分剐存储在高速存储器的2 、3 字节上。漱度数据位的第4 位到第7 位与珀和n ，进行比较，如槊测量 的温度低于戏等于死或糟测量的温度高于珀时，d s l 8 8 2 0 内部的报警 妖态曼位，：嫠慰系统主橇发爨告警搜素禽令骰出酾磁，系统主瓿鄹爆告 警援素命令郄可援索裂派在报警酶器传，并读篷箕产燕号。 在1 2 能有效情况下标准温度下传感器的数据输出见表3 一l ： 表3 1 漱度数据与传感器输出数据的比较 d s l 8 8 2 0 单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念。因此 l o 系统对d s l 8 8 2 0 的各种操作必须按协议进行。操作协议为：铆始化 d s l8 8 2 0 ( 发复位脉冲) 一发r o m 功能命令一发撵储器操作命令一处 毽数餐。 3 2 轴温报警器的硬件设计 该仪器的以a t 8 9 c 5 2 单片机为核心，外围电路幽传感器接口模块， 遵讯援块，开关电源模块魏液鑫显示换块等见部分缀残 1 2 l 。 3 2 1 传惑器接口模块 传感器接口模块的 乍用是识别传感器的类型，对传感器进行梭测和 判别，根据梭测到的类型谯c p u 控制下将温度传感嚣反映的温度值进行 鲶理。内帮躲睦主要分模羧帮数字嚣潞势。模援部分怠菇遽溅源，多路 模叛开关。a d 转按器及嘏压基准几个部分，数字部分包括驱动甑路等。 传感器模拟电路模块的结构如图3 3 所示。 围3 3 传感器模块电路结构翻 ( 1 ) 传感器的判别。在进行传感器信号处理以前，需要对传感器类 型判裂爱才躲送行褶应斡越理。黄感嚣炭型豹粼澍魄爨如强3 。4 蹶示。 传感嚣匏判涮可班有两释方式：第一释方式，开穰i 上电复住蠢受将 a t 8 9 c 5 2 的p 2 7 口和8 9 c 2 0 5 1 的p 1 2 阳置高，然后将恒流源通过c d 4 0 6 7 分别送给备个传感器，因为通过p n 结传感器后的电聪值均小于l s o o m v ， 逻辑上都属予低电平，聪对于数字传感嚣则有高低啦平输出。所以判断 伎感器爱怼液各翟毫孚戆糍低，就霹剃鞭出善黉感嚣荧鼗字瀑震健感器 还是p n 结濑度传感器。藏中，低电平必p n 结温度健感器，高f 趣平为数 字式温度传感器。第二种方式，开机上电复位后，在软件上将所宵传感 嚣按照读数字传感器的时序读一次，能读出数据或谢商低电平变化的将 其定义为数字传感器，熊余传感器定义为p n 结温艨传感器。由于第二 静方式的判凝较为省对，所以在实际j 燕用中我们选择了第二种方式。如 祭p n 结瀑凌俦感鑫经a 羚转挨熬龟嚣壤小于3 撙v ，定义燕愆爨；龟 匿值大予1 5 0 沏定义为开路“。在硬件上，将模锨部分电路和数字部 分电路通过c p u 拼接在起就构成数模兼容接口电路。在读取数字式温 度传感器时，将数字传感器测试部分使能，读取数字温度值。反之，使 戆p n 结漫度传感器测试部分，读取p n 结湿度黄感器温度篮”h ”。 图3 4 传感瓣的判别电路 ( 2 ) 挺滚滚 囱p n 缡溢菠铸感嚣供篷静餐流澈鞭瑾甏冕鹜3 7 。密子运舞放大器 其有输入阻抗极大，开环敞大倍数趋于：j 匠穷大，即虬一矿的特性，所以基 准电压源t 1 4 3 1 为电位器缈提供了2 5 v 稳定电压。 t l 4 3 l 的衙介 薅翔蔽嚣公司( 彳1 ) 生产煞t 疆3 l 是一令枣建斑瓣熟稳定羧髓魏三 端可调分流旗准源，它的输出电压用两个电阻就可以任意地设鬣f 从 2 5 v 到3 6 v 范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0 2 q ，在很多 应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压淡，运放电路、可调 援电源，开荚电源等等。 甏3 5 怒下l 4 3 l 的符号。3 个弓l 瓣分裂为：稿辍( e 朋暖o d e ) 、鬻 极( a n o d e ) 和参考端( r e f ) 。t l 4 3 1 的具体功能可以用如图3 6 的功 能模块示意。 1 2 由图3 8 可以看到，h 是一个内部的2 5 v 基澈源，接在运放的反相 输入端。幽运放的特性w 知，只有当灶f 端( 同捆端) 的电压嚣常接 # f 。l 一。 h 聪 嘲3 s t l 4 3 1 的符号 剖3 ，6 t l 4 3 1 内郝结构图 近致( 2 。5 v ) 霹，三援襞孛劣会有一个稳定豹 # 熄葶瑟奄滚逶过，褥豆夔 着r e f 淌魄压的微小变化，通过三极管的电流将从l 到 聃a 变化。 当然，该阁绝不是t l 4 3 l 的实际内部结构，所以不能简单地用谴种组合 来代替它。但如果在设计、分析应用t l 4 3 l 的电路时，这个模块图对开 窟愚路，疆鳃电路郝是缀鸯帮助翦，本文豹一些分掇也将基予挖模块丽 震开。 t 1 0 3 l 在开关电源上的应用 在过搬的普通开关电源设计中，通常采用将输出电压经过谈差放大 詹直接反馈到输入端的模式。这种电臌控制的模式在某些虚用中也能较 菇连发簿撵矮，毽疆羞鼓零豹发震，溺今瞧暴熬奄滚翻造整大多基采瘸 一种有类似拓扑结构的方案。此类结构的开关电源肖以下特点：输出经 过t l 4 3 1 ( 霸丁控分流基准) 反馈并将误麓放大，t l 4 3 l 的沉流端驱动个光 耦的发光部分，而处在电源高压主边的光耦感光部分得到的反馈电压， 爝来调整一个电漉模式嬲p w m 控制嚣躲开关对趣，鼹嚣褥到一个稳定 鼢直流毫蓬输出( 套潦摸块审藏采嗣了托器俘实现这静功簸) 。 而硌矿= 琚一h ；时，满足： 蜘一地= 玮一蚝 筵辩，粼枣 如= ( 玮一甄) ，磁一3 0 翰a 于是窬，o = 如= 3 0 蛳a ，而且可通过调节来调节咋。幽此可 见，只要月2 有较好的温殿稳定性，该恒流源完全可以满足温度传感器的 要求。 如果选辑恐为常数( 4 7 女q ) ，则圪一矿为电位嚣从稳压管两端取 得懿毫莲，驻然毒 y 窄b v v + 踅3 7 恒漉潦潦遴鹫 咋一= 厶霄2 = o 3 4 7 = 1 4 1 v 当m 1 0 v ，r l = 5 1 0 q ，= 2 k 时，可满足t l 4 3 1 正常工作。只 要稳压管的健戆好，两的攥浚控转载好。这墨稳延管采瘸了t l 4 3 中2 。5 v 基准奄歪。该遽流滚在环壤湿度一2 0 痰至5 0 度，受载( 帮簧戆器) 毫 阻从o q 到4 5 七q 变化范围内恒流的谖夔 1 吼 ( 3 ) 多路模拟开关 由于仪器要检测9 路p n 结温度传感器的信号，薅电路设鼹路恒 浚滚，褒跌竣溺鹱一路终戆器湛凄嫠警，裁零要绘嬲潞铸惑爨鸯# 蠖滚 源，因诧设计中采雳了举片机控制下的模拟开关电鼹，这样可以由单片 机控制对哪一路温度传感器进行检测。这里选用了1 6 选l 的模拟开关芯 片c d 4 0 6 7 ，其控制电路如图3 4 所示。这样，c d 4 0 6 7 的通道潦择信号 由单片嘏提供。恒浚源蠛j 妻模拟开关擞剿俦感器上，出予接感爨输出售 号在模熬开必与传感器浚缓点廷迸行嘏疆检溅及a d 转换，掰激模按蠢： 关的在线阻抗对温度信母采集的准确蚀没有影响。 c d 4 0 6 7 是数字控制模拟开关，具有低导通阻抗，低截止漏电流和内 郏地址译碣的特征。另外，在整个输入信号范围内，导通电阻保持粳对 稳定。e 戳0 6 7 是1 6 逶邋嚣美，毒医令二迸裁赣入壤矗0 矗3 _ 秘羟裁溃 e ，输入的侵戆一个组合w 选择一路开荚。c = l 时，关闭所有的通道。 2 5 的典烈r o n 为4 0 0 q ，5 v 供电时传输延时时间( 导通) 为6 4 0 n s ，传 输延时时问( 截止) 为4 4 0 n s 。响应时间符台系统的要求“”。 ( 4 ) a d 转换器 对予数譬式抟感器d s l 8 8 2 0 ，它本身可以产生数字信号给单片机进 行筵臻。焉蹲子掰蘩传惑器，臻巍睡鬟是摸敷惑漾信号，嚣嚣转换残 数字量才能送到单片枫遴行处理。a d 转换器的体隔是将传感器的模拟 量转换成数华量供单片机读取，其原璎图如图3 8 所示。本设计中所使 用的1 0 位a d 转换器为孔c 1 5 4 3 ，它支持串行的地址，数据输入输出， 大大节省了攀片援熬i o 题数量。出予p n 结传感嚣豹竣密电疆为3 掰v 和1 5 辨v 之瓣，正努褒疑1 5 毒3 的转换藏匿内，麓弦不需要浅学放大 处理而直按进行转换，转换结果可幽单片机进行处理。 圈3 ，8a ，d 转换器电路原理 a d 转换的结果通过8 9 c 2 0 5 1 处理后送显示缓冲区显示，同时对把 攫警数据逶过毪c 惑线遴到8 9 c 5 2 ，缝予愈努发送数据。 ( 5 ) 滚惩萋准 a d 转羧过程中，为了保证转换的精度，需要稳定、准确的嗽压基 准，本论文中用t l 4 3 】设计了电压基准电路。首先介绍下t i 。4 3 1 的特 性及盥用。 终楚a d 转换器熬参考邀嚣，群搂零骞裹蕊壤蹙，又要求蠢定豹 带载麓力，本论文书设诗的基准电压源也采用了礼4 3 】，其曦鼹原理 图如图3 9 所示。t l 4 3 l 慰温度补偿的高精度并联稳压器，其稳定电压 范围2 5 3 6 v 可调。l 脚和2 脚之间怒稳定的2 5 v 基准电压，袁l 是i k a 黪跟滚电阻。选取嚣i 疆镶的骧剐是，强输入电基致竣小毽对，必须僳证 l 搬a g 诞 o 转嘏a ，葭霞俊t 秘3 l 憨正鬻工雩# 。耀戳4 3 l 骰静毫疆罄准毫 路如图3 9 ( a ) 所示，输出v o 有以下公式： 、b = ( 1 + r l ，r 2 ) v r 郎试中v r e f = 2 5 v f；lj，fl 弘 阪 教 蛾箦 图3 9 由t l 4 3 1 做的电压基准源 当且仅当r 广o 时，v 0 = v r e f = 2 5 v 这时t l 4 3 1 用作恒压元件，如图3 9 ( b ) 所示电路，这样就做成了 一个2 5 v 基准电压源。 数字传感器的检测原理和p n 结传感器有所不同，关于它的工作原理， 已经在3 1 2 节对传感器工作原理部分做了介绍，这里不再赘述。这里只 介绍数字传感器接口原理设计，其电路原理如图3 1 0 所示。 图3 1 0 数字部分电路原理图 由于本系统对数字式温度传感器采用寄生电源供电方式，为保证在 有效的d s l 8 8 2 0 时钟周期内能够提供足够的电流，采用由两个p n p 三 极管和8 9 c 5 2 的p o 口及8 9 c 2 0 5 l 的p 1 口为数字传感器的总线上拉。c p u 通过8 9 c 5 2 的p o 口和8 9 c 2 0 5 1 的p 1 o 口读取数字传感器的数据。其工 作过程如下：当判定所接为数字传感器后，p o 口延时发复位命令，得到 响应后发r o m 忽略命令，启动转换命令，延时段时间传感器进入转 6 换状态，此时禁止一切操作，2 秒后c p u 再发复位信号、r o m 忽略、 读数据命令，按顺序读取7 2 位数掘，经检验正确后存入内部r a m 。由 于d s l 8 8 2 0 单线通信功能是分时完成的，遵循严格的时隙概念，因此， 系统对d s l 8 8 2 0 的各种操作必须严格按协议进行。 3 2 2 通讯模块 轴温报警器放在每一节车厢的体息室中，采集到的信息是分散的， 需要把分散的信号传输到总控制室以便列检员进行故障处理。这里就是 通过通讯模块把各个车厢各个轴位的温度信号传输到记录仪p 副i 2 。 通讯模块是集中报警传输数据的主要电路单元，通讯模块选用的通 信芯片为专用电力线载波芯片s t 7 5 3 7 。s t 7 5 3 7 采用模拟c m o s 构造， 在半双工模式下以1 3 2 4 5 鼬 z 的载波频率，最高1 2 0 0 b p s 的速度发送和 接收数据。它遵守欧洲的c e n e l e ce n5 0 0 6 5 标准和u sf c c 规范。这 种芯片具有抗干扰的f s k 调制，解调功能，产生的干扰辐射很小，数据 波特率为1 2 0 0 b p s ，发送数据为高电平时输出1 3 1 8 5 k h z 的正弦波，低 电平时为1 3 3 0 5 k h z 。下面重点介绍通讯模块的几个功能i j 。 ( 1 ) 上电复位及看门狗电路在仪器接通电源后，模块会输出一高 电平有效的复位信号，为其他芯片提供复位。同时模块还有一位看门狗 信号输入端，当该端无信号输入时，复位信号输出端每隔1 4 秒会输出 一次复位信号，如果在1 4 秒内有一次低电平输入它将重新计算复位时 间间隔( 即从低电平开始有1 4 秒复位) 如果定时一直由低电平脉冲输 入则一直不输出复位信号。在该仪器的设计中用此功能可有效的防止死 机现象的出现，具体实现办法，在主程序中定时送出看门狗信号，保证 模块不输出复位信号，一旦出现死机( 主程序不执行) 过1 4 秒后一起 会重新复位恢复正常。 ( 2 ) 掉电保护电路当仪器5 v 电源电压低于4 6 3 v 时，复位信号 输出端输出高电平使c p u 进入复位状态，防止低电压下仪器运行异常。 ( 3 ) 工作频率输出模块为主c p u 提供1 1 0 5 9 2 m h z 的振荡频率信 号。 ( 4 ) 通讯功能模块有3 位控制器，收( r ) 、发( t ) 和收发控制 ( i c ) ，分别与主c p u 的l u ( d ( 1 0 ) 端、t x d ( 1 1 端) 、a 1 4 相连。当收 发控制端( r t c ) 被主c p u 置为高电平时，通信模块处于接受状态，通 信线上的f s k 信号经调制解调器转换为1 | 2 k b 的数字信号传输到主c p u 的鼢( d 端，主c p u 采用串行中断的方式将他车的轴温数据接收进来。 当收发控制端( r ，c ) 被主c p u 置为低电平时，通讯模块处于发送状态， 主c p u 通过t x d 将轴温数据发送给通讯模块，通讯模块通过调制解调 器将其转换为1 3 3 k h z 的f s k 信号经输出放大送到通讯线上。 另外，通讯线路接法用专用线式，如图3 1 1 所示。 嘲3 1 l 通信模姨电路框图 通信协议采用分布戏，在任何情况下，每台报警器按车厢顺序号依 次发送本事的全部信息，网络中其它车厢的报警器均同时接收信息，因 筵饪一纹嚣繇哥鞋硷测熬爨辘涅，当遮藏线路在蘩楚颧嚣，裂嫒秀兹瑟 边自成系统。 数据采用按车厢顺位号顺序发送的方式，车厢顺位号为l 。2 0 ，2 1 号 固定为记泶仪。 ( 1 ) 缀警器玎极对，发送数摄熬秘始黠勰为：6 s + 车媛蹶攮号 麓0 m s 。翔鬃歼橇轰接收不到任莳信垮时，戳以时阕车厢颓位号2 4 0 m s 为间隔，适续发5 次数掇后，停止发送数据。一土土收到正常数掘后，则 进入正常邋讯模式。 ( 2 ) 镣台报警器发送数据分配的对间为2 4 0 m s ，如果该报警器没有 发送数据袋没有筵车嚣号爨占2 4 鲰s 辩舞。凝毒车发完一转敬瓣闷麦 o 2 4 s 2 l s ，0 4 s ，即任报警器发送的时间周期为5 0 4 s 。 ( 3 ) 在正常通讯模式中，如果浆台报警器未收到任何信号，则以 5 0 4 s 的间隔，连续发5 次后，停止发送数据。 数攥 专竣方式鲡烈3 1 2 瑟示。 i 射3 1 2 轴漏报臀勰的数据传输j 式 通信模块的原理图如图3 、1 3 所示。 l s 图3 ，1 3 中，为了改善输出信号的振幅，必须对电感值进行调整，一种既 能滤除噪声电压又能降低电感在输出频率的阻抗的方法是使用1 0 川h ( o 8 q ) 的电感它在1 3 2 4 5 k h z 时等效阻抗为8 q 。线驱动器要求增强 s t 7 5 3 7 的输出信号。首先，由两个双极性三极管q 4 ( 2 n 2 2 2 2 ) 和q 3 ( 2 n 2 9 0 7 ) 组成一个推拉式驱动器，电阻r 4 、r 5 、r 1 0 和r 1 2 通过降低q 5 、q 4 、q 1 、 q 3 的发射极输出来定义输出支路偏置移电流，这个偏置电流不受晶体管 匹配与否的影响。它的推拉由q 1 ( 2 n 2 2 2 2 ) 和q 5 ( 2 n 2 9 0 7 ) 组成的集电极 放大器分为两极。至于电阻r 7 和r 1 1 的值是为了获得最合适的放大性能 而选定的，从而确定了系统的偏移电流。由于s t 7 5 3 7 输出信号p a b c 和 p a b c 遵从r x t x 双极性三极管q 2 ( 2 n 2 2 2 2 ) 和q 6 ( 2 n 2 9 0 7 ) 在接收模式下 用来切断功率放大器。为了使线驱动器适应专用线，需要用到变压器， 变压器的初级线圈用来产生一个带通滤波器，谐振频率由c 4 设置为发射 频率。r l 在专用线断开后用来对c l 放电。 1 9 图3 】3 通信模块原理图 3 2 3 电源模块 由于车辆段只能提供4 8 v 的直流电压，而系统中用的是1 0 v 和5 v 直流电压，所以需要把直流4 8 v 转换成直流1 0 v 和5 v 电压。由于开关 电源体积小，效率高，适合用在仪表中。本论文就是用开关电源模块完 成这种电压转换的。 开关电源模块采用了u c 3 8 4 3 作为控制芯片。u c 3 8 4 3 是美国 u n i 仃o d e 公司生产的电流型单端输出脉宽调制器( p w m ) ，具有管脚数量 少、外围电路简单、安装与调试简便、性能优良、价格低廉等优点。能 通过高频变压器与电网隔离，适于构成无工频变压器的2 0 一5 0 w 小功率 开关电源。 稳压性能好，其电压调整率可达0 0 1 ，v ，除具有输入端 过压保护与输出端过流保护电路之外，还设有欠压锁定电路，使工作稳定 可靠【1 9 l 【2 0 1 。 ( 1 ) u c 3 8 4 3 的工作原理 u c 3 8 4 3 采用d i p 8 封装，其中的k 、k 、g n d 端分别接输入电压、 输出电压、地。v r e f 为内部5 o v 基准电压引出端。脚c t 是外接定时电 阻、定时电容的公共端。 u c 3 8 4 3 的内部框图如图3 1 4 所示。主要包括：5 0 v 基准电压源、 t 豆t v - ， 鼻f i c 过t 量 一 图3 1 4u c 3 8 4 3 的内部框图 振荡器、误差放大器、过流检测电压比较器、p w m 锁存器、输入欠压 锁定电路、门电路、输出级、3 4 y 稳压管。 内部基准电压源产生5 o 矿基准电压，作为u c 3 8 4 3 内部电源，经衰 减得2 5 y 电压作为比较放大器基准，并可作为向外电路输出5 v ，5 0 m a 的电源。振荡器产生方波振荡，振荡频率取决于外接定时元件，局接在 4 脚和8 脚之间，c t 接在4 脚到地，振荡频率为厂= 1 8 ，研c t 。反馈电压 u f b 由2 脚接误差放大器反相端。l 脚外接r 、c 网络改变误差放大器闭 环增益和频率特性；第6 脚输出驱动开关管的方波，为图腾柱式输出， 适用于驱动v m 0 s 开关管，输出电流可达2 0 0 m a 。3 脚为电流检测端， 用于检测开关管电流，当u 3 兰l v 时，可关闭输出脉冲，保护开关管不致 过流损坏。u c 3 8 4 3 包括过压、欠压保护电路，当电源电压超过8 5 v 或 低于7 6 v 时，集成电路停止工作。 ( 2 ) 采用u c 3 8 4 3 的开关电源电路 采用以p w m 集成电路u c 3 8 4 3 为核心设计的高频率开关电源电路 如图3 1 5 所示。设计的1 = 5 v 、，o 严2 a ，= 1 0 v 、如= o 5 a ，输出功 率1 5 肌该电路属于单端反激式变换器，所谓单端，是指高频变压器的 磁芯仅工作在磁滞回线的一侧，并且只有一个输出端。所谓反激，是指 m o s 开关功率管导通时，整流二极管d 6 截止，电能就储存在高频变压器 丁的初级电感线圈l 中；当m o s 功率管关断时，d 6 导通，l 上储存的 电能传输给次级绕组n 2 ，并经过d 3 、上l 、c c 1 2 整流滤波后向负载供 电。单端反激变换器适于制作1 0 0 以下的小功率开关电源。4 8 v 直流 电源经过飓降压后加至u c 3 8 4 3 的7 脚，利用c 9 的充电过程使v c c 逐 渐升至+ 8 5 v 以上，u c 3 8 4 3 有输出，使m o s 开关9 ( i r f 8 4 0 ) 导通，也 就实现了软启动。一旦开关功率管转入正常工作状态，自馈线圈n 3 上所 建立的高频电压经d 2 、c 9 整流滤波后，就作为芯片的工作电压。至此， 启动过程结束。能量存储在变压器乃中，此时，由于二次侧各整流二极 管反向偏置，故能量不能传输到n 的二次侧月l l 检测并与u c 3 8 4 3 内部 提供的l 矿基准电压进行比较，当达到这一电平时，q 1 关断，所有变压 器的绕组极性反向。输出整流二极管正向偏置，存储在乃中的能量传输 到输出电容器中f 捌f 2 3 】。次级绕组胍的输出电压经过整流，取样电压分压 后，回送到u c 3 8 4 3 的误差放大器的反相端( 2 脚) ，作为比较电压。当电 网电压升高或负载阻值变大导致输出电压也升高时，2 脚电压随之升高， 误差放大器输出降低，进而使输出脉冲宽度变窄，缩短m o s 功率管的导 通时问。于是传输到次级线圈和自馈线圈的电能减小，使输出电压 降低，反之亦然。总的效果是令保持恒定，不受电网电压或负载变化 的影晌1 2 1 1 。 根据图中给定的定时元件的数值，u c 3 8 4 3 的工作频率为2 0 0 h z 。 r l 】为电流检测电阻，经低通滤波后