（模式识别与智能系统专业论文）货运列车超偏载监测系统的研究与应用.pdf

内蒙古大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。除本文已经注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得内墓直太堂及其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日期： 指导教师签名：壑兰丝 日期：型受：7 在学期间研究成果使用承诺书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：内蒙古大学有权将 学位论文的全部内容或部分保留并向国家有关机构、部门送交学位论文的复印件和磁盘，允 许编入有关数据库进行检索，也可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编学位论文。 为保护学院和导师的知识产权，作者在学期间取得的研究成果属于内蒙古大学。作者今后使 用涉及在学期间主要研究内容或研究成果，须征得内蒙古大学就读期间导师的同意；若用于 发表论文，版权单位必须署名为内蒙古大学方可投稿或公开发表。 学位论文作者签名： 日 指黝f 撇办指导教师签名：左 竺 内蒙古大学硕士学位论文 货运列车超偏载监测系统的研究与应用 摘要 近年来，随着列车速度不断提升，列车事故频频发生，铁道部对事故原因 进行分析后，认为列车的超偏载是引发列车脱轨的主要因素，对列车超偏载的 监测工作必须加强。然而，传统的轨道衡超偏载监测只能在装车后到固定地点 进行监测，存在一定的局限性和滞后性。如果出现超偏载问题，必须处理完后 列车才能继续运行，在造成经济损失的同时也极大地影响了工作效率。因此研 究一种便捷的轨道车辆动态实时称重设备具有重要的应用价值。 本文提出了一种新型的货运列车超偏载监测系统，将传感器安装在车厢下 的减震弹簧上，采用新华龙公司推出的c 8 0 5 1 f 3 5 0 单片机对传感器信号进行数 据采集，通过串口将采集的数据写进射频卡的电子标签，读卡器自动检测有效 范围内的电子标签并读取其有效数据。上位机从读卡器中读回数据并实现显示、 打印、存储等功能。本系统实现了在装车过程中对超偏载情况进行监测，大大 缩短了超偏载监测时间，同时具有体积小、重量轻、安装维护方便等优点。 本文在对国内外货运列车超偏载监测系统综述的基础上，论述了这种新型 货运列车超偏载监测系统的总体方案，详细阐述了系统硬件、软件的设计及开 发。主要内容包括以下几部分：传感器的选型；电源低功耗管理；数据采集板 的设计及采集精度调整；无线数据传输；基于v b 的上位数据库应用程序设计； 基于m a t l a b 的最小二乘法数据曲线拟合。 关键词：超偏载监测，低功耗，无线数据传输，数据库应用程序，最小二乘法； 内蒙古大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n o ff r e i g h tt r a i n o r l o a d 玳ga n du n b a l a n c e dl o a d i n g d e t e c t i n gs y s t e m a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t r a i na c c i d e n t so c c u r r e df r e q u e n t l yw i t ht h er i s i n gs p e e do f t r a i n a f t e rt h ea n a l y s i so fa c c i d e n t s ，m i n i s t r yo fr a i l w a y st h i n kt h a to v e r l o a d i n ga n d u n b a l a n c e dl o a d i n gi st h em a i nr e a s o no ft r a i nd e r a i l m e n t h o w e v e r ，b e c a u s eo f t r a d i t i o n a lr a i lw e i g h i n go v e r l o a d i n ga n du n b a l a n c e dl o a d i n gd e t e c t i o nw h i c hi so n l y f i tf o r t h ef i x e dl o c a t i o nd e t e c t i o na f t e rl o a d i n gh a sc e r t a i nl i m i t a t i o n sa n d b a c k w a r d n e s s ，i tn e e d st o b er e i n f o r c e d i ft h e p r o b l e m s o f o v e r l o a d i n g a n d u n b a l a n c e dl o a d i n ge x i s t ，i tm u s tb eh a n d l e db e f o r ed e p a r t u r e s t h u s ，t h e r ew i l lb e e c o n o m i cl o s sa n dg r e a ti n f l u e n c eo nw o r k i n ge f f i c i e n c y a sar e s u l t ，i tw i l lb e v a l u a b l et h a tac o n v e n i e n tr e a lt i m ed y n a m i cw e i g h t i n gd e v i c ef o rr a i l c a ri s d e s i g n e d i nt h i ss y s t e m ，t h es e n s o r sw e r ei n s t a l l e do nt r a i nd a m p i n gs p r i n gt h a tu n d e rt h e b o g y ，a n ds e n s o r sd a t ai sc o l l e c t e db yc 8 0 5 1 f 3 5 0s c m ( s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r ) w h i c hr e l e a s e db ys i l i c o nl a b s t h e n ，t h ec o l l e c t e dd a t aw i l lb ew r i t t e ni n t oe l e c t r o n i c 内蒙古大学帧士学位论又 t a g sw h i c h w o u l db ed e t e c t e da u t o m a t i c a l l ya n d t h ev a l i dd a t aw o u l db er e a db yc a r d r e a d e r f i n a l l y ，t h ev a l i dd a t ai sr e a db a c kb yh o s tc o m p u t e r ( u p p e rc o m p u t e r ) f r o m c a r dr e a d e ra n ds o m ef u n c t i o n sa r ei m p l e m e n t e d ，s u c ha sd i s p l a y ，p r i n t i n g ，s t o r a g e a n ds oo n i nt h ep a p e r ，1 1 1 eo v e r a l ls c h e m ao ft h en e wf r e i g h tt r a i no v e r l o a d i n ga n d u n b a l a n c e dd e t e c t i n g s y s t e m i sd i s c u s s e d ，w h i c hi sb a s e do nt h es i t u a t i o nb o t h d o m e s t i ca n do v e r s e a sf r e i g h tt r a i no v e r l o a d i n ga n du n b a l a n c e dl o a d i n gd e t e c t i n g s y s t e m 功ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei nt h i ss y s t e ma r e d e t a i l e di n t r o d u c e d ，s u c ha s ：t h et y p eo fs e n s o r ，1 1 1 em a n a g e m e n to fl o wp o w e r c o n s u m p t i o n ，1 1 1 ed e s i g n o fd a t aa c q u i s i t i o nb o a r da n dt h ea d j u s t m e n to f d a t a p r e c i s i o n ，w i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o n ，n ed e s i g no fd a t a b a s ea p p l i c a t i o nb a s e do i l v i s u a lb a s i c6 0 ，1 1 1 ed a t a sw e r ef i t t e dt oc u r v e sb ym e a n so f t h el e a s t - s q u a r em e t h o d b a s e do nm a t l a b a b o v ea l l ，t h e r ea r et h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e r k e y w o r d s ：o v e r l o a d i n ga n du n b a l a n c e dl o a d i n g ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ， w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，d a t a b a s ea p p l i c a t i o n ，t h el e a s t - s q u a r em e t h o d 2 。1 2 硬件设计指标6 2 2 系统结构框架6 2 3 核心单片机c 8 0 51 f 3 5 0 7 2 4 1 传感器选型9 2 4 2 电源低功耗管理。1 1 2 4 3 无线数传模块。1 2 2 4 4 读卡器与上位机通讯协议14 2 4 5 数据库应用程序开发15 2 5 本章小结。1 7 第三章系统数据采集模块硬件电路设计。18 3 1 硬件设计原则1 8 3 2 电源模块1 8 内蒙古大学硕士学位论文 3 2 15 v 电源1 9 3 2 23 3 v 电源2 0 3 3 数据采集模块。2 1 3 4 本章小结2 1 第四章系统数据采集模块软件设计2 2 4 1 软件设计原则与编程方法。2 2 4 1 1 软件设计原则2 2 4 1 2 软件编程方法2 2 4 2 系统初始化2 3 4 2 1 系统时钟初始化2 3 4 2 2 端口初始化2 4 4 2 3a d c 0 初始化2 5 4 2 。4u a r t 0 初始化2 6 4 3c 8 0 5 1 f 3 5 0 单片机a d c 精度分析2 7 4 4 系统主程序流程图2 9 4 5 本章小结3 0 第五章数据库应用程序设计与开发31 5 1 数据库概述3 l 5 1 1 数据库的基本概念3l 5 1 2 数据库、数据库管理系统和数据库系统。3 2 5 1 3 数据库发展阶段3 3 5 2 基于v b 6 0 的数据库应用程序3 4 5 2 1 数据库应用程序用户界面及其功能3 4 5 2 2 数据库应用程序结构3 5 5 3 数据库应用程序与读卡器的通讯3 7 5 3 1 串口通讯简介。3 7 5 3 2 实现串口通讯的m s c o m m 控件3 9 5 3 3 利用m s c o m m 控件实现串口通信4 3 5 4 最小二乘法曲线拟合在v b 中的实现4 4 塑鍪查奎兰堡主堂垡堡茎 5 4 1 最小二乘法曲线拟合在数据库应用程序中的操作过程4 4 5 4 2 最小二乘法曲线拟合的算法研究4 6 5 5 数据库应用程序其他功能的实现4 6 5 4 2 查询4 7 5 4 3d a t a r e p o r t 报表4 8 5 5 本章小结5 0 第六章数据转化算法研究5l 6 1 弹簧特性曲线一51 6 2 数据的曲线拟合5 2 6 2 1 数据曲线拟合的最小二乘法5 3 6 3 最小二乘法曲线拟合在m a t l a b 中的实现5 4 6 3 1 曲线拟合工具箱简介5 4 6 3 2 最小二乘法曲线拟合的实现5 5 6 4 本章小结5 8 第七章结论5 9 参考文献6 0 致谢6 2 攻读学位期间参加的科研项目6 2 内蒙古大学硕士学位论文 第一章引言 铁路行车安全是铁路运输工作的重中之重。货运列车因为超偏载而引起断轴、切轴、爬 轨和列车颠覆等事故时有发生，引起的事故骇人听闻，极大地影响着铁路运输的安全和铁路 的整体形象。超偏载近年来成为影响铁路行车安全的重要因素。如果能方便、准确、有效、 及时地检测列车超偏载问题，便可极大限度地预防此类事故的发生，因此铁路车辆超、偏载 检测对铁路运输有着极其重大的意义。货运车辆超载偏载检测系统通过动态测定车辆的重量， 来判别车辆是否存在超过额定载重以及装载不平衡现象。从国内外发展现状来看，目前常用 的超偏载监测方法依然是电子轨道衡监测方法。 1 1 动态电子轨道衡及其发展 1 1 1 我国动态电子轨道衡及其发展 轨道衡是设置在铁道线路上，用以称量铁路车辆装载的散装货物重量的大型衡器。轨道 衡计量是国民经济中的一项重要的基础性技术工作，是随着工农业生产、铁路运输的发展和 国内外贸易的发展需要而建立和发展的。大多数轨道衡用于在商品交换中称量散装货物的重 量，属于强制检定计量器具。另一些轨道衡计量工厂内工艺流程中的物料重量、货物列车超 载和偏载的情况，少数轨道衡称量铁路机车、车辆的轮重、轴重和整车的重量，这些称量设 备不涉及贸易往来可视为计量测试设备。一般轨道衡最大称量到1 0 0 吨一1 5 0 吨，特殊的轨 道衡最大称量可达6 0 0 吨。 早期轨道衡大多数是机械的、静态测量的轨道衡，这类轨道衡的一般工作原理都是通过 杠杆原理，用已知质量的祛码去平衡被测物体的质量。这种质量对质量的比较与地球的引力 无关，因此，此类轨道衡移到不同的地方不必重新校准。但这类轨道衡机械部分结构庞大、 响应速度慢、效率低。 6 0 年代中期，我国开始研制动态电子轨道衡，到了7 0 年代末已有化工部第四设计院、 武汉衡器厂、承德自动化计量仪器厂、天水红山材料试验机厂等单位生产，准确度为o 5 。 由于受当时国产传感器和电子元器件质量的制约，初期的动态电子轨道衡计量性能、稳定性 能均不够理想。 内蒙古大学硕士学位论文 进入8 0 年代，随着改革开放的深入发展，随着国外先进的电子技术的引进以及微机技术 的飞速发展，我国生产的动态电子轨道衡也在不断的改进、完善与提高。 首先，轨道衡的秤体结构，从初期的杠杆型、称台型的超大笨重秤体结构，逐渐演变成 精巧的机械结构、轻型浅基础秤台结构。 其次，动态称重仪表有了重大突破。其中，将高速模数转换装置的引入到轨道衡称重仪 表中，使其转换速度大大提升，同时其转换位数大多为1 4 位和1 6 位，给随机采样提供了满 足于动态称重要求的足够多的数据，又提供了保证称重精度的数据位数。而微型计算机的引 入则将使动态称重数据的处理方法拓宽，逻辑判断更加智能化，有很多硬件功能可通过软件 来实现。 在此期间，传感器技术也有了大幅度的提高，无论是进口传感器还是国产传感器技术都 有了突飞猛进的发展。从其技术性能到技术指标均能满足电子轨道衡的计量要求，它的非线 性、重复性、滞后指标、抗侧向力、抗偏载等力学指标，以及高温、低温零点和有些情况下 的温度指标均有了很大的提高，一批防水、防潮传感器也应用于轨道衡的特殊条件中，克服 了在此之前对传感器使用恒温处理装置的弊病，也克服了过去采用拉式传感器使秤体结构庞 大而且复杂的弊病。 到了8 0 年代末，我国动态电子轨道衡产品已形成系列，推出的产品有单台面、双台面、 深基坑、浅基坑、无基坑微机动态电子轨道衡。动态电子轨道衡是一种能在铁路车辆不停车、 不脱钩的情况下对车辆进行动态连续称量的现代化动态称量设备。它是一种集微机和传感器 于一体的数字式衡器，属于计算机测控系统，它与传统的杠杆式轨道衡系统相比具有如下优 点： d 随着微电子技术的发展，计算机性价比大幅度提高、计算机成本降低，使系统总成本 降低。 2 ) 计算机测控系统的体积小、可靠性好、结构简单、安装调试容易。 3 ) 随着计算机的广泛应用和与其兼容的软件系统变得很丰富。计算机测控系统更便于灵 活高效的进行程序设计和调试、更便于一般工程技术人员掌握和使用。 进入9 0 年代，随着国内电子技术的发展，动态电子轨道衡称重技术日益完善成熟。人们 从实践中摸索、从理论上探讨、冲破传统动态电子轨道衡的技术束缚，广开思路、大胆创新、 研制出大量不同种类、不同特点的动态电子轨道衡，诸如无基础轨道衡、无秤台轨道衡、不 断轨轨道衡、曲线轨道衡和公路、铁路两用衡等一系列新型动态电子轨道衡。 三十年来，我国动态轨道衡称重技术有了长足的发展。从6 0 年代、7 0 年代准确度低于 内蒙古大学硕士学位论文 1 的动态轨道衡到现在准确度高于0 5 级的动态轨道衡层出不穷；从二次仪表采用p z 8 表和 半导体二极管、三极管组成的逻辑控制电路，到如今采用微型计算机和工控机及模数转换装 置和模数转换板；从需恒温的箔式或柱式低精度传感器到性能优良又长期稳定的高精度传感 器；从庞大的机械称台到轻型浅基坑秤台，以至最终取消秤台。科学技术是无止境的，随着 科技的发展，更尖端的技术会不断地引入我国各个领域，也会引入我们的计量行业和动态轨 道衡的称重技术领域【2 1 。 1 1 2 国外动态电子轨道衡发展现状 与国内相比，国外动态电子轨道衡称量技术发展更为迅速。在1 9 9 0 年，德国多特蒙德某 公司研制成功了一种新型“称重钢轨”。这种新型“称重钢轨实现了钢轨和轨道衡的一体 化，已经在德国铁路安装使用。这种“称重钢轨 是一种轴计量式以剪力称重传感器为核心 构成的无基坑、无称台车辆称重系统。结构简单、价格低廉、安装维修方便，能适应不同的 线路条件。它的称重测量区长为l 米左右，称量速度( 即称重时允许列车行驶的速度) 高达 7 0 k m h ，而且不计量时不限速，具有可同时称量轮重、轴重、辆重及自动检测超重、不均衡 装载功能等优点，可作为高速动态超偏载检测设备使用。目前美国各大衡器制造公司也在加 紧研制与“称重钢轨类似的高速动态电子轨道衡，这些新型的高速动态电子轨道衡同样可 以作为高速动态超偏载检测设备使用【3 】。 1 2 1 按使用状态分类 1 2 轨道衡的分类 1 静态称量轨道衡 静态称量轨道衡是指车辆在轨道衡台面上处于静止状态下进行称量，轨道衡所受的力和 力矩处于平衡状态。因此，线路和车辆状态对轨道衡影响较小，称量准确度高。早期的机械 式轨道衡都是静态称量轨道衡。 2 动态称量轨道衡 动态称量是指称量运行中的铁路车辆的重量。这里的车辆可以是处在已经编组联挂的列 车中，也可以是单独一辆处于溜放中的车辆。后一种情况是指编组站驼峰线用来称量溜放车 辆的动态轨道衡，对于第一种情况下的动态称量，即用于对联挂车辆进行称量的轨道衡。这 种动态轨道衡主要用于各工矿企业进行商业核算。从力学的角度来看，动态称量是称量系统 内蒙古大学硕士学位论文 ( 包括被称车辆) 受力未达到平衡之前就进行称量，由于测量是在列车行动过程中完成的，而 计量要求又较高，因此必须考虑到整个系统的过渡过程误差。现在使用的轨道衡一般都是动 态称量轨道衡。 1 2 2 按计量原理分类 1 以力矩平衡为计量原理 此类轨道衡的工作原理为杠杆原理，当杠杆系统达到平衡时，就将力的计量转换了长度、 角度或小祛码的数量等机械计量，其常用的读数装置为游标尺游陀式、指针度盘式和数字显 示式。 2 以传感器的弹性变形为计量原理 此类轨道衡即所谓的电子轨道衡，它的主要原理是采用了应变式传感器，测量由被称量 车辆重量所引起的传感器的弹性变形，基本原理是把车辆重量转化为电压、电流等便于测量 的电学量，再通过测量这些电学量而得到车辆的重量值。 1 2 3 按计盘方式分类 1 车计量 被称量车辆的两个转向架同时位于轨道衡称重台面上进行计量。其轨道衡的台面形式往 往采用双台面或长台面结构。 2 转向架计量 一次称量一个转向架的重量，累计前后转向架即可得到整车重量。其轨道衡的台面长度 一般在3 6 m 至4 m 左右。 3 轴计量 每辆被称车辆分成四次称量，每次称量一个轴，四次累加得到整车重量。其轨道衡的台 面长度一般在1 4 m 左右【4 】。 1 3 1 课题的来源和意义 1 3 课题的来源和研究内容 随着我们对列车超偏载监测的关注度不断提高，我国的超偏载监测事业已经有了显著提 4 内蒙古大学硕士学位论文 高，但是由于传统的轨道衡超偏载监测方法存在着一定的缺陷，迫切需要我们在监测方法上 有所创新，研制一种新的高速动态监测系统已迫在眉睫。 目前，传统的超偏载监测方法具有一定的局限性和滞后性。在大部分货运站，如果在装 车过程中发生了超偏载现象，由于动态轨道衡称重只能在固定的位置测量，所以不能及时的 对超偏载现象实时监督。在经过动态轨道衡称重发现后，不仅要提交罚款，还必须将超载部 分卸掉后列车方可正常运行。这样不仅影响了工作效率，而且带来了较大经济损失。同时， 有些单位为了防止这一问题的发生，装车的时候总是不敢按列车满载标准装车，虽然有效的 防止了超偏载现象但是却极大的浪费了铁路的运输能力。因此，急需一种能在装车过程对超 偏载情况进行实时监测的超偏载监测方案，从而节省人力、物力、财力。 综上所述，本课题借助于传统超偏载监测技术发展及其存在的弊端，对超偏载监测方法 进行深入分析研究，是一项有理论意义及应用价值的研究选题，研究结果可以为高速动态超 偏载检测设备的研制提供参考。 1 3 2 论文结构安排 第一章主要介绍超偏载监测的基本情况及其发展的不同阶段，归类总结了国内外超偏载 监测的不同状况，为课题的进一步研究奠定基础。最后给出课题需要完成的工作及论文的结 构安排。 第二章主要分析超偏载监测系统的总体设计方案。首先介绍系统设计的原则和结构框 架，然后着重分析系统各模块的设计方案，并比较其优缺点，给出最终方案。 第三章详细阐述本课题的系统硬件设计方案。 第四章首先介绍系统数据采集的软件方法，然后分析系统软件流程及如何根据通信协议 通过串口输出采集到的数据，最后给出c 8 0 5 1 f 3 5 0 单片机a d c 精度的简要分析。 第五章主要详细说明本课题中数据库应用程序的设计思路、方法，以及如何使用 m s c o m m 控件与读卡器通讯。 第六章主要给出了传感器位移与车厢重量之间的数据转换算法，并使用m a t l a b 的数 据拟合工具箱对离散数据进行最d - - 乘法曲线拟合。 第七章主要对本课题的总结及展望。 内蒙古大学硕士学位论文 2 1 1 系统设计原则 第二章总体设计方案 2 1 系统设计原则及硬件设计指标 1 准确性。超偏载监测系统是一个实时监测系统，对采集的数据的准确性要求较高。特 别是当车厢重量在6 0 吨到8 0 吨这个范围时，要求测量误差小于8 0 k g 。 2 稳定性。传感器、数据采集板、无线网络传输、上位数据库应用程序都是保证系统稳 定工作的重要环节。 3 低功耗。由于现场坏境要求整个系统只能采用电池供电，所以对传感器电源、数据采 集模块电源、射频卡电源的低功耗处理也显得极为重要。 4 历史记录。将每一次采集的数据存入数据库，方便后期的查询、打印及其他处理。 5 可扩展性。方便系统的升级。 2 1 2 硬件设计指标 1 供电电源：7 2 v 2 a h 锂电池； 2 模拟输入电压范围：o 2 5 v ( p g a 增益= 1 ，单极性) ： 3 波特率：9 6 0 0 b p s ； 4 环境温度：一3 0 至4 5 ； 5 j t a g 接口。 2 2 系统结构框架 本课题设计的货运列车超偏载监测系统主要由核心单片机c 8 0 5 1 f 3 5 0 、电源模块、传感 器模块、无线传输模块和上位数据库应用程序组成。其中，由于现场没有交流电源，只能使 用电池供电，所有模块共用一个电源模块，电源模块分别提供3 v 、5 v 直流电；无线传输模 块由射频卡和读卡器组成；上位数据库应用程序开发平台采用微软公司提供v i s u a lb a s i c6 0 。 传感器将弹簧的位移变化情况转变为卜5 v 直流电压输出，但是根据传感器标定情况， 列车空载到满载的变化过程中，传感器输出电压约为0 至l j 2 5 v ，满足c 8 0 5 1 f 3 5 0 单片机输入要 6 内蒙古大学帧士学位论文 求。c 8 0 5 1 f 3 5 0 单片机通过a 1 n 0 a i n 3 采集四个传感器的电压信号并对其进行a d 转换，将转 换结果通过u a r t 0 发送并写入无线传输模块的射频卡，读卡器检测到电子标签的数据后通过 串口将数据送给上位机数据库应用程序进行数据处理。系统框图如图2 1 所示。 这里特别提出上位机的数据库应用程序的重要性。由于上位机接收到的数据是传感器的 位移值，而我们最终要得到的是车厢的重量值，这就需要我们经过多次的现场实验从而得到 一组与实际值尽量相符的二者对应关系，当然，所取得的数值是一组离散值。为了使数据库 应用程序能自动将读取的位移值转化为车厢重量，还需要对这组离散值进行曲线拟合，从而 得到车厢重量与传感器位移的函数关系，以方便数据库应用程序的开发。 电源 u p o u 1r1r 1 r u a r t o i m 3 0 0 射频卡 传感器组 吕 9 c 8 0 5l f 3 5 0 吕 s p i j i 屡霎 _ l z 位数据库 m 8 0 0 读每器 应用程序 图2 1 总体结构框图 f i g u r e 2 1m a c r 0 - d i a g r a mo f t l l es y s t e m 2 3 核心单片机c 8 0 51 f 3 5 0 c 8 0 5 1 f 3 5 0 器件是完全集成的混合信号片上系统型m c u 。下面列出了一些主要特性： 1 高速、流水线结构的8 0 5 1 兼容的c i p 5 1 内核( 可达5 0m d s ) ； 2 全速、非侵入式的在线系统调试接口( 片内) ； 3 2 4 或1 6 位单端差分a d c ，带模拟多路选择器； 4 两个8 位电流输出d a c ； 5 高精度可编程的2 4 5 m h z 内部振荡器； 6 8 k b 在片f l a s h 存储器； 内蒙古大学硕士学位论文 7 7 6 8 字节片内r a m ； 8 硬件实现的s m b u s 1 2 c 、增强型u a r t 和s p i 串行接口； 9 4 个通用的1 6 位定时器； 1 0 具有3 个捕捉i l l 较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器定时器阵列( p c a ) ； 1 1 片内上电复位、v d d 监视器和温度传感器； 1 2 片内电压比较器； 1 3 7 个端i i o ( 容许5 v 输入) 。 具有片内上电复位、v d d 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的c 8 0 5 1 f 3 5 0 是真正能独 立工作的片上系统。f l a s h 存储器还具有在线系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储， 并允许现场更新8 0 5 1 固件。用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有 外设以节省功耗。 c 8 0 51 f 3 5 0 内部有一个全差分2 4 位或1 6 位s i g m a - d e l t a 模数转换器( a d c ) ，该a d c 具 有在片校准功能。两个独立的抽取滤波器可被编程到1 k h z 的采样率。可以使用内部的电压基 准，也可以用差分外部基准进行比率测量。a d c 0 中包含一个可编程增益放大器，有8 种增益 设置，最大增益可达1 2 8 倍。模拟多路选择器将a d c 0 的差分输入与8 个外部引脚及内部温度传 感器相连。可以使用内部输入缓冲器为直接连接的变送器提供高输入阻抗。一个8 位的偏移 d a c 允许修正较大的输入偏移电压。a d c 0 功能框图如图2 2 所示【l l 】。 图2 2a d c 0 功能框图 f i g u r e 2 1t h ef u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a mo fa d c o 8 内蒙古大学硕士学位论文 2 4 1 传感器选型 2 4 设计方案的选定 货运列车底部安装环境较为复杂，首先非常重要的一点就是这里传感器的安装不像平时 用的传感器那样钻孔固定，同时由于北方冬季夏季温差较大，必须考虑到温度对传感器性能 的影响。经过现场考察分析，最终选择通过测量减震弹簧在装车过程中的位移变化来体现车 厢重量的变化。减震弹簧的参数为内径：5 2 m m ；空载高度：2 5 0 m m ；满载高度：1 8 0 m m ； 行程：0 - - - 7 0 m m 。 1 传感器精度分析 在本课题中，货运列车车厢额定满载为8 0 吨，客户要求在6 0 吨到8 0 吨这个范围内误差 小于8 0 k g 。因此，从这一指标上讲本课题对传感器的精度要求非常高，需要选择一个线性精 度在千分之一左右的传感器。综合比较传感器的精度和寿命，最终选择了北京一航华科科技 有限公司的y h l 型精密拉绳位移传感器。此传感器已经在东北某些铁路线上应用。动态测量 中很难达到千分之一的精度，考虑到传感器的安装、现场的气候条件以及使用过程中钢绳刚 度变化等因素都会改最终的测量结果带来较大误差。因此，将误差控制在客户需求的范围内 很难实现，在后续工作中将根据系统误差情况对方案进行调整。但是，由于时间和水平限制， 目前暂时选用此传感器进行测试。 2 传感器的工作原理 将机械位移量转换成可计量的、成线性比例的电信号。被测物体产生位移时，拉动与其 相连接的钢绳，钢绳带动传感器传动机构和传感元件同步转动；当位移反向移动时，传感器 内部的弹簧回旋装置将自动收回绳索，并在绳索伸收过程中保持其张力不变，从而输出一个 与绳索移动量成正比例的电信号。 3 传感器主要特点 y h l 系列传感器的设计精密合理，采用高精密传感元件，传感器具有体积小、使用方便、 密封性好、测量精度高、温度误差小、寿命长等优点。该传感器不仅适宜于作直线运动的机 械物体位移测量，更适宜子机械物体作曲线运动的位移测量。 4 传感器技术参数 1 ) 位移有效测量范围：1 0 0 m m 量程： 2 ) 输入激励电压：+ 5 v d c ； 9 内蒙古大学硕士学位论文 3 ) 信号输出：o 至2 5 v d c ； 啼 4 ) 线性精度：士0 15 f s ； 5 ) 制造材料：合金金属； 6 ) 绳索材料：高柔性金属芯丝； 7 ) i 作温度：3 0 0 c 到5 0 0 c ； 5 传感器标定 任何一种传感器在装配完后都必须按设计指标进行全面严格的性能鉴定。使用一段时间 ( 中国计量法规定一般为一年) 或经过修理后，必须对主要技术指标进行校准试验，以确保 传感器的各项性能指标达到要求。根据系统的用途，输入可以是静态的也可以是动态的。因 此传感器的标定有静态和动态标定二种。 1 ) 传感器的静态标定 主要用于检测传感器的静态性能指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。传感器静 态标定的具体步骤如下： 将传感器测量范围分成若干等间距点； 根据传感器量程分点情况，输入量由小到大逐渐变化，并记录各输入输出值； 再将输入值由大到小慢慢减少，同时记录各输入输出值； 重复两步，对传感器进行正反行程多次重复测量，将得到的测量数据用表格列出 或绘制曲线； 进行测量数据处理，根据处理结果确定传感器的线性度、灵敏度、滞后性和重复性等 静态特性指标。 2 ) 传感器的动态标定 一些传感器除了静态特性必须满足要求外，其动态特性也需要满足要求。因此在进行静 态校准和标定后还需要进行动态标定，以便确定它们的动态灵敏度、固有频率和频率响应范 围等。传感器进行动态标定时，需有一标准信号对它激励，常用的标准信号有二类：一是周 期函数，如正弦波等；另一是瞬变函数，如阶跃波等。用标准信号激励后得到传感器的输出 信号，经分析计算、数据处理、便可决定其频率特性，即幅频特性、阻尼和动态灵敏度等。 本课题在对传感器进行标定时的测量结果数据表2 1 所示。从表2 1 可知，线性最大正偏 差为o 1 0 2 ，线性最大负偏差为0 0 3 2 。当拉线位移为0 r a m 时，电位计输出电阻并不是 0 f 2 ，而是2 0 9 q 。这是由于我们表中的0 m m 是从拉线初始位3 m m 处算起的。这样，在拉绳从 0 r a m 到1 0 0m l l 变化的过程中，电位计输出的电阻为2 0 9 q 到2 3 7 6 q 。传感器的工作电压为 堕鍪点查兰堡主兰垡丝茎 + 5 v 直流电压、电位计总电阻为4 9 9 4 f 2 。所以，根据欧姆定律可知，经过分压后电位计输出 电压最小值为2 0 9 m v ，最大值为2 3 7 9 m v 。这对数据采集程序的编写从而能得到正确的位移 数据有关键的作用。 2 4 2 电源低功耗管理 整个系统所需电源分别为单片机数据采集模块以及无线传输模块中的射频卡的3 3 v ，由 a s l l l 7 稳压输出。四个传感器所需的5 v ，由a z l 0 8 4 稳压输出。由于使用电池供电，所以 为了延长电池寿命，需要尽量降低系统各部分的功耗。 表2 1 传感器测量数据表 t a b l e2 11 1 l em e a s u r e m e n tr e s u l t so fs e n s o r 拉线位移( m m )测量值( o )理论值( q )误差( q )线性精度值( 跖) 02 0 92 0 90 0 00 0 0 0 1 04 2 5 4 2 5 70 7 0 0 0 3 2 2 06 4 26 4 2 40 4 00 0 1 8 3 08 5 78 5 9 12 1 00 0 9 7 4 01 0 7 41 0 7 5 81 8 00 0 8 3 5 01 2 9 21 2 9 2 5- 0 5 00 0 2 3 6 01 5 0 71 5 0 9 2- 2 2 00 1 0 2 7 01 7 2 51 7 2 5 90 9 00 0 4 2 8 01 9 4 31 9 4 2 60 4 00 0 1 8 9 02 1 6 02 1 5 9 30 7 00 0 3 2 1 0 0 2 3 7 62 3 7 6 00 0 0 0 0 0 0 c 9 0 5 1 f 3 5 x 系列器件使用s i l i c o nl a b s 的专利c i p 5 1 微控制器内核。c i p 5 1 与m c s 5 1 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 i p 5 1 有两种可软件编程的电源管理方式：空闲和停机。在空闲方式，c p u 停止运行， 而外设和时钟处于活动状态。在停机方式，c p u 停止运行，所有的中断和定时器( 时钟丢失 检测器除外) 都处于非活动状态，内部振荡器停止( 模拟外设保持在所选择的状态；外部振 荡器不受影响) 。由于在空闲方式下时钟仍然运行，所以功耗与进入空闲方式之前的系统时 钟频率和处于活动状态的外设数目有关。停机方式消耗最少的功率。 内蒙古大学硕士学位论文 虽然c i p 5 1 具有空闲和停机方式( 与任何标准8 0 5 1 结构一样) ，但通过使能和禁止外 设可以使整个m c u 的功耗最小。每个模拟外设在不用时都可以被禁止，使其进入低功耗方 式。像定时器、串行总线这样的数字外设在不使用时消耗很少的功率。关闭振荡器可以大大 降低消耗功率，但需要复位来重新启动m c u 。 2 4 3 无线数传模块 无线数传模块主要包括射频卡( 电子标签) 以及读卡器。c 8 0 5 1 f 3 5 0 单片机将采集并处 理后的传感器数据通过串口写进射频卡，读卡器能够快速识别有效范围内的射频卡并读出射 频卡上的数据。当读卡器接收到上位机发送的读取数据命令后，将2 0 个射频卡的有效数据以 字符的形式发送给上位机。 在使用过程中，每个车厢安装一个m l m 3 0 0 射频卡，c 8 0 5 1 f 3 5 0 通过串口将传感器测 量的位移值写入射频卡。由于站台长度约7 0 0 m ，而每个读卡器识别的半径是3 0 5 0 m ，这样， 为了能保证读取到所有射频卡数据，站台轨道上将安装至少七个读卡器。读卡器+ 9 v 直流电 源不需要本系统的电源模块提供。 1 m l m 3 0 0 射频卡( 电子标签) 1 ) m l m 3 0 0 主要特性忉如表2 2 和表2 3 所示： m l m 3 0 0 全向读写器是专用于r f i d 的识别和编程； 采用3 v 3 6 v 的供电可以同时识别2 0 0 张卡； 识别的距离是3 0 5 0 m ，具体要看环境而定。 能识别移动速度2 0 0 公里d , 时以内快速移动的电子标签： 识别的方式是全向的方式； 工作的频率在2 4 g h z 2 5 g h zi s m 微波段，1 2 5 个频道，频