（载运工具运用工程专业论文）轮轨力无线检测系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着我国高速列车的迅速发展，铁路运输不断向高速、重载、大运量和高 密度方向发展，对轮轨作用力测量的精度和速度提出了更高的要求。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。以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， 是所有轮轨力测量方法中精度最高的方法。测力轮对测量精度受到车轮均匀性、 贴片工艺、车轮转速、轮轨力作用点位置变化和外界干扰的影响，本文是基于 测力轮对优化贴片方案，设计了一套适用于测力轮对测试轮轨力的高精度的、 体积小的无线测试系统。 本文在介绍应变测量原理及桥路的交流调制及检波原理的基础上，对系统 的组成、硬件、软件工作原理和控制方法进行了详细的分析、说明和计算，并 在交流调制、检波及桥路输出调零等方面做了详细的说明和计算。在系统设计 中，没有采用将应变片传感器的应变电信号输出通过集流环传出来，再经过放 大器、模数转换、最后交由计算机处理的传统做法；而是将整个放大采集部分 都安装在测力轮对上，而将测试结果传送到无线数据发送节点，再将数据通过 无线节点传输到计算机，大大降低了系统的成本，减小了布线的难度，提高系 。的精度和抗干扰性能。在数据传输部分，设计中采用的是基于z i g b e e 协议的 cl 厶3 0 模块。z i g b e e 技术是近几年发展起来的短距离无线传输的一种新协议， 具有功耗低、成本低、方便使用的特点。最后对测试系统进行了实际测试验证， 分析其测试数据，达到系统测试要求。 关键词轮轨力；应变测试：交流调制检波；电桥调零；z i g b e e 技术； 西南交通大学硕士研究生学位论文。第1i 页 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h eh i g h s p e e dr a i l w a yc h i n a sr a i l w a y t r a n s p o r t a t i o ni s n o wd e v e l o p i n gt o w a r d sh i g hs p e e d ， o v e r l o a d i n g ， m a s s i v ec a r r ya n dh i g hd e n s i t y w h e e l r a i lf o r c et e s t i n gi st h ev e r y i m p o r t a n tt a c h eo fv e h i c l ed y n a m i c st h e o r ya n dp r a c t i c e ，i n s t r u m e n t w h e e l s e tt e c h n i q u ei st h em o s td i r e c ta n de f f i c i e n tm e t h o df o r m e a s u r e m e n to fw h e e l r a i lf o r c e s u s i n gi n s t r u m e n tw h e e l s e ta st h ef o r c e s e n s o rt ot e s tw h e e l r a i1f o r c eh a st h em a x i m a lp r e c is i o no f a l l w h e e l r a i lf o r c et e s t i n gm e a s u r e s u s i n gi n s t r u m e n tw h e e l s e ta st h ef o r c e s e n s o rt ot e s tw h e e l r a i lf o r c eh a st h em a x i m a lp r e c i s i o no fa 1 1 w h e e l r a i lf o r c et e s t i n gm e a s u r e s t h ea c c u r a n c eo f t h ei n s t r u m e n t e d w h e e l s e ti si n f l u e n c e db yt h ei n e q u a l i t yo ft h ew h e e l ，t h et e c h n i c so f s t i c k i n gt h es t r a i ng a g u e s ，r o t a t es p e e do f t h ew h e e l ，a n dt h ec h a n g e o fp o s i t i o no ft h ew h e e l r a i lc o n t a c tp o i n t t h ep a p e rb a s e do nt h e o p t i m a lc i r c u i tb r i d g ec o m b i n a t i o na n dt h eb e s tp o s i t i o no fs t i c ks t r a i n p i e c e ，d e s i g n e daa c c u r a t es m a l lc u b a g ew i r e l e s st e s ts y s t e m t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ef r a m e w o r k 、s o f t w a r e 、h a r d w a r ea n dc o n t r o l m e t h o do ft h et e s ts y s t e m ，a n dd e s c r i b e da n dc a l c u l a t et h eh a r d w a r e p a r a m e t e ro ft h ea cm o d u l a ti o na n dd e m o d u l a tio n 、a u t o - z e r o i nt h es y s t e m i n s t a l l e dt h ew h o l ea m p l i f i e ra n da ds a m p l ep r o c e s s i n go nt h ew h e e l s e t ， a n dt r a n s m i t t i n gt h ed a t ab yw i r e l e s s ，d o n t1 i k et h et r a d i t i o n a lm e t h o d o fs i g n a la c q u i s i t i o n 、t r a n s m i s s i o na n dp r o c e s s i n gu n i ti st r a n s m i t t i n g s t r a i ne l e c t r i c a ls i g n a lo u t p u to fs t r a i n 。g u a g et r a n s d u c e rw i t hm a n i f o l d r i n g i tr e d u c e dt h ec o s t 、e a s yt oc o n n e c t i o n 、i n c r e a s et h ea c c u r a c y t h ew i r e l e s sd a t at r a n s m it s y s t e mu s e dt h em o d u l ec c 2 4 3 0b yp r o t o c o l z i g b e e z i g b e ei san e wp r o t o c o lo fs h o r td i s t a n c ed a t at r a n s m i t ，t h i s t e c h n o l o g yh a sv e r yl o wc o m p l e x i t y ，l o w c o s t ，l o wc o n s u m p t i o na n dl o w r a t e s t e s tt h es y s t e mi np r a c t i c a lm e a s u r i n ga n da n a l y z e dt h ed a t a ，r e a c h t h es y s t e ma c c u r a c y k e yw o r d ：w h e e l r a i ll o a d s ：s t r e s st e s t ：a cm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n ： b r id g e a u t o z e r o ：z i g b e et e c h n o l o g y 西南交通大学曲南父迥大罕 学位论文版权使用授权书 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，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大 学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：稍穆 日期：砂譬。彳 指导老师签名：儡拟 日期：州订 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除 文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 本文主要讨论了应变力桥路测试原理，进一步对桥路采用了交流激励调制检波的原理 进行了详细的说明，对交流桥路调零的原理也进行了说明和推导估算。并以此根据实际测力 轮对测试需要确定了系统的测试要求，根据此要求设计了一套不同于传统测试方案的轮轨力 无线测试系统，其不同之处主要表现在，取消了传统的集流环传输方式，测试部分安装在测 力轮对上，将测试数据以无线方式传输出来。这样降低了系统的成本，减少了布线的麻烦， 提高了系统的抗干扰性能。 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 轮轨力测量意义 轮轨力是指列车运行过程中，车轮与轨道闾的相互作用力，分为纵向力、 横向力和垂向力。轮对与轨道间的相互作用力直接影响着铁路行车安全、轮轨 的磨损及维修，也是评价转向架性能、机车车辆运行品质必不可少的参数。轮 轨的实际作用力还是提高运输效率、解决机务工务，车辆和运输等一系列重大 课题所必须的基本参数i 。轮轨力测量是轨道检测项目之一，是用来评定车辆 运行品质的重要依据。能否精确地获得轮轨间作用力直接影响着蠕滑、波磨及 脱轨等的计算。 铁路运输不断向高速、重载、大运量和高密度方向发展。目前中国铁路担 负着全国6 0 以上的运输任务，我国从1 9 9 7 年至今已经进行了六次大规模提 速，特别是2 0 0 7 年4 月1 8 日的第六次大提速，我国高速列车正式投入运行， 有效地缓解了铁路运量与运能的矛盾。然而铁路交通安全形势却不乐观，无论 国内还是国外，列车事故都时有发生，列车的安全问题不断出现。 、 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。对理论研究来说， 测量轮轨力有助于研究脱轨机理。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【。为此为适应 现代铁路的运行状况，轮轨力的监测成为列车安全运行的必测项目之一，而测 力轮对是测量轮轨力最直接最准确的方法。 1 2 轮轨力测量测力轮对方法 在现行机车车辆动力学国家标准中，轮轨力的测量十分重要，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。虽然从准静态出发的评判指标在高速下的修正有待研究，但测试 方法的完善，将对今后的理论研究及实践产生重大影响。随着测试手段、方法的 进步，轮轨力的获得经历了间接反映到直接测量( 构架力测力轮对) 、相对到绝 对( 构架力测力轮对) 、间断到连续( 问断测力轮对到连续测力轮对) 的发展。虽 然连续测力轮对法在动力学理论方面比间接、相对的构架力法完善得多，但车轮 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的旋转、系数的交变使得设备复杂、处理困难，以致难以准确实施。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j 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备 提供的精确轮对转角信号、垂向力位置影响难以修正。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。 传统的轮对应变测试系统，是通过集流环输入电源及输出应变信号，这种 方法成本昂贵，布线麻烦；而且因为应变信号非常微弱，通过集流环传送干扰 较大，为此无法达到预定测试要求精度。目前国内外都有一些应变无线测试系 统，也有将其应用在轮轨力测量上的。比如例如德国的k m t 公司的旋转轴应变 测量的数字无线遥测系统p m x - - p c m ，这套系统可采用电池或感应传输供电、 固定的直流激励，能够自动调零和增益调节( 最大8 0 0 0 倍) ，无线传输距离为 1 0 米，系统精度为小于0 2 。但是其传输距离较近，应用起来具有一定的局限 性。在国内泰施w d a q l 0 0 x 应力应变信号数采无线网络系统全球首款基于z i g b e e 技术应变信号数采无线网络系统。网络容量：1 - 1 0 0 0 节点( 最大6 5 5 3 5 ) ；网络 覆盖范围：最大1 5 公里。系统精度：0 0 1 lu ( 2 4 位a d c ) ；供桥电压 ( d c ) ：2 5 v 。由于整个系统采用的是无线配置，难以实现桥路的同步测量； 而其2 4 位的a d c 是采用的是s i g m a - d e l t a 的转换方式，当增高采集速度，则会 降低采集的精度，只适合于静态应变测量。 目前国内外相应的应变测试系统，大部分采用直流激励，由于轮对力测试 现场干扰大，尤其列车的低频干扰存在，会给直流测试系统带来不小的干扰： 再者轮对力测试通常都在室外进行，而直流测试系统对温度的变化影响较大， 为此本测试系统采用交流激励应变测试系统，从根本上消除温度对测试的影响， 另外通过调制和检波提高系统的抗干扰能力。 另外现行的无线应变测试系统都是单通道单点无线测试传输，而轮对应变 的测试要求单轮对上的多组桥严格同步测试，现行的无线测试系统，很难以实 现多通道的同步测试。为此本设计取消了集流环的传输方法，采用无线和有线结合的 传输方法，往单个轮对上采川有线传输，以便实现同步测餐，而住轮对对外传输则使瑚无 线传输，降低了系统成本，减少布线 ：作，提高系统精度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 3 本文主要工作和研究内容 根据实际应用要求，需要设计一套精度较高，体积较小，抗干扰能力强的 无线应变采集系统。系统应该具有自动调零、放大倍数可调、滤波参数可变及 测试信号带宽不小于1 0 0 h z ，采样率可变且高于1 0 k 等特点。由于现场干扰较 大，系统采用的是交流调制检波方法测试应变，从交流调制的原理和桥路原理 来考虑，在本论文主要难点就在于交流调制检波、桥路调零和无线数据的可靠 传输三个问题。在检波方式上采用的是相敏整流检波，采用集成的检波器 a d 6 3 0 ；对于桥路调零，则采取电阻和电容共同调节的方法来进行调节，并在 第一级放大后加了第二级调零，保证调零不影响系统的测试量程；数据的无线 传输采用了z i g b e e 无线传输模块，在应用其简单协议的基础上增加了一些措施 来保证数据的可靠性。在参考国内外有关资料的基础上，重点从以下几个方面 展开论文工作： ( 1 )电桥的交流调制、调零、放大、滤波及检波信号通路的电路原理设计； ( 2 ) 数据采集部分及相应的单片机系统设计； ( 3 ) 数据传输设计：z i g b e e 节点数据传输，节点下的各通道数据传输； ( 4 ) 相应的电路板制作及系统调试； ( 5 ) 测试数据验证测试系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章应变测量原理 测力轮对测试轮轨力的方法就是以机车轮对作为力传感器来反映轮轨受 力状况，在测试中是将应变片贴在这个机车轮对幅板上受力形变较大的位置， 然后按照预定的组桥方法，将这些应变片组成电桥，通过测试桥路输出来得到 轮轨力，因此桥路应交片的贴片、组桥、标定及测试都是关系到轮轨力测量精 度的重点因素，在本论文中主要就是研究应变测量在轮轨力测试中的应用，下 面将就应变测量、桥路输出测试等方面作较为详细的介绍。 2 1 应变测量原理 目前比较通用的应变片有电阻应变片和半导体应变片，不过都是以将受力 应变转化为电阻变化输出。但是现行使用较多的应变片都是电阻应变片，电阻 应变片是由合金敏感栅贴在用有机树脂胶膜做成的基底上构成。应用时将电阻 应变计安装被测构件表面，构件受力形变时，敏感栅也随之产生相应变化，其 电阻值发生变化，用仪器测出电阻变化，就可得到相应构件的受力形变情况【2 。 安装好应变计后，需要将应变计组成测试电路以方便测试仪器测试。最通 用的测试电路，就是桥式测试电路，按应变计的接入方式分为单臂桥、半桥和 全桥。在测试系统中采用的全桥测试电路。按桥路激励又分为直流恒压、恒流 和交流电压激励。 以恒压激励来分析桥路输出，桥路不意图 2 一l 设r ，= r ：= r ，= = r ，各臂阻变化为 觇、蝇、皑、a r 4 e 则 a u ! 墨全墨! ! 墨竺2 二! 垦竺2 基墨塑2erq ( 2 r + a r i + a r 2 ) ( 2 r + a r 3 + a r ，) 。墨( 堡一生+ 些一些) _ 一- = 一o - - ；一- 4 、足r危尺4 7 。号k ( r 占： l - e 3 - - e 4 ) 图2 1 电桥示意图 从上面分析可看出可以通过仪器测量出桥路输出来得到构件的受力情况。 在本设计中激励采用的交流激励，同样可以通过测试输出得到构件的受力情况。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 2 2 交流电桥测量原理和优缺点 如上节所述按桥路激励又分为直流恒压电桥、直流恒流电桥和交流电压激 励电桥。其中直流电压激励电路最为简单，但抗干扰能力较差，尤其是无法消 除器件的温漂带来的误差，在干扰较大的场合难以实现高精度测量；恒流源激 励较为复杂，但线性度好并可以降低由于桥路引线及接触电阻引起的误差，同 样存在直流电压激励所有的各种温度漂移误差；交流电压激励电路最为复杂， 但是可以消除系统中器件带来的直流误差及温升带来的误差，同时可以通过带 通滤波和调制检波原理来消除大部分干扰，大大提高系统的精度，是前两种方 法不可比拟的：由于交流激励，使贴片和布线时产生杂散及寄生电容会给系统 带来影响，所以在布线时要注意不要太长，松散。 2 2 1 信号调制及解调原理 在精密测量中，进入测量电路的除了传感器输出的测量信号外，还往往有 各种噪声，而传感器的输出信号一般又很微弱，将测量信号从含有噪声的信号 中分离出来是测量电路的一项重要任务。为了便于区别信号与噪声，往往给测 量信号赋以一定特征，这就是调制的主要功用。调制就是用一个信号( 称为调 制信号) 去控制另一作为载体的信号( 称为载波信号) ，让后者的某一特征参数 按前者变化。在将测量信号调制，并将它和噪声分离，放大等处理后，还要从 已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号，这一过程称为解调。在信号 调制中常以个高频正弦信号作为载波信号。一个正弦信号有幅值、频率、相 位三个参数，可以对这三个参数进行调制，分别称为调幅、调频和调相。也可 以用脉冲信号作载波信号。可以对脉冲信号的不同特征参数作调制，最常用的 是对脉冲的宽度进行调制，称为脉冲调宽。 通过调制，对测量信号赋以一定的特征，使已调信号的频带在以载波信号 频率为中心的很窄的范围内，而噪声含有各种频率，即近乎于白噪声。这时可 以利用选频放大器、滤波器等，只让以载波频率为中心的一个很窄的频带内的 信号通过，就可以有效地抑制噪声。采用载波频率作为参考信号进行比较，也 可抑制远离参考频率的各种噪声，大大提高系统测试精度。因此在很多测试系 统中为了提高测量信号抗干扰能力，常要求从信号形成就已经是已调信号，因此 常常在传感器中进行调制。在本测试系统就是对桥路进行了调制。 信号经过调制、放大、滤波后，就要还原信号，也就是信号的解调。对于 调幅信号的解调通常采用包络检波、同步检波及相敏检波。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 幅值调制就是让已调信号的幅值随调制信号的值变化，因此调幅信号的包 络线形状与调制信号一致。只要能检出调幅信号的包络线即能实现解调。这种 方法称为包络检波。 同步检波就是将调制信号在与载波信号相乘则可。 相敏检波电路是能够鉴别调制信号相位的检波电路。包络检波有两个问题： 一是解调的主要过程是对调幅信号进行半波或全波整流，无法从检波器的输出 鉴别调制信号的相位。第二，包络检波电路本身不具有区分不同载波频率的信 号的能力。对于不同载波频率的信号它都以同样方式对它们整流，以恢复调制 信号，这就是说它不具有鉴别信号的能力。为了使检波电路具有判别信号相位 和频率的能力，提高抗干扰能力，需采用相敏检波电路。 信号的调制及解调的原理如下：信号调制过程 调 2 a f o t 载波 由傅立叶变换的卷积性质： x o ) y 0 ) x ( ，) 木y ( 厂) y ( t ) = c o sz 4 0 t * 墨( f 一厶) + o ( f + ，o ) z ( t ) c o s 乃吮f 营丢x ( 厂) 木o ( f f o ) + x i 厂) 半丢6 ( 厂+ 厶) = 吾砌一f o ) + ”匕3 一1 。涨附- l 二l 山 i 胁 调制信号、载波与已调制波幅值调制的频谱 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 g ( t ) - - x 崩c o s 2 项o t = x ( f ) 。c o s 2 v l f o t 。c o s 2 ：z f o t g o ) = 丢删+ 丢垧c 。s 喊矿 由傅立叶变化的卷积性质： - c o s 砷静丢附一f o ) + j 1 町+ f o ) 号 1 x q ) c o s 蛳铮三x ( 伽w - 2 o ) + x ( 加丢附+ 2 f o ) 2 言j ( 厂一2 厂0 ) + 云x ( 厂+ 2 厂0 111 g ( ，) = 吉x ( 厂) + 专x ( ，一2 ，o ) + 云x ( ，+ 2 厶) 在本测试中，信号在桥路中就进行了调制，解调采用的是a d 6 3 0 组成的相 敏整流解调，与上面分析比较，就是在解调时接入的为单位载波频率的方波后 整流，这是在实际应用最常见的方法。 2 2 2 桥路平衡原理 在贴好应变片连成桥路之后，会发现大部份桥路都有初始输出值，这个初 始值是需要调平的。而且在交流激励桥路中由于线路和应变片的原因，会有电 容存在，其等效桥路，如图2 - 3 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 得到：r 玛t 恐r电阻平衡 冠c ；胄。c 1电容平衡图2 - 3 桥路等效示意图 如此在调零时不仅要调节因为电阻不平衡带来的零点，还有电容带来的不 平衡。因为电容的存在，还会带来桥路输出与激励的相位差，若在桥路中采用 电阻法调平，只能调节桥路的输出幅值的不平，并不能调节其相位变化，但是 在测试系统中无需调节其相位变化，只需在后级的调零和检波信号也加入相应 的相位变化即可。 电阻调平法分为串联电阻法和并联电阻法，串联电阻法，需在桥路的臂中 串入电阻，不适合于已经配成桥路的电桥调平，而并联电阻法却无此限制，所 以测试系统中采用了并联电阻法。 对于电容引起的零点，其调节方法与 电阻调平法中的并联调法一致，只不过在 一般桥路中，电容调平都是作为调零微调 一 存在。其连接示意如图2 - 4 所示 其中矾是作为调节应变片电阻带来的桥 路不平；w 是用来调节线路桥路杂散及线 间电容带来的不平。在应用调节时，先将 w 。调节至合适位置，再来细调w 来得到精 确的零点输出。虽然不管是应变片还是线 路带来的输出不平都可以通过调零电路 来调节，但是调零的电路会在一定情况 下影响桥路输出的灵敏度，所以在阻桥布 倒2 - 4 凋零电路 线时，要选择初值相近的应变片；并在布好桥路后要注意固定片间连线，选择 合适的桥路输出引线，稳定桥路的零点输出。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 在多级放大系统中，零点的不平除了桥路不平，其他各级放大滤波都可能 产生输出零点不平。因此在第一级放大后，又加了调零电路，如前面所述中， 桥路输出与激励产生了相位差，所以在后级的交流调零电路需要注意调零信号 的相位要与第一级放大输出的相位一致，这样才能调平系统。 2 3 本章小结 本章介绍了应变测量原理，简要分析了各种桥路激励的优缺点，并且重点 从理论介绍了桥路交流激励调制和解调原理：另外论述了桥路平衡原理，并且 介绍了系统将要应用到的交流桥路调零方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 第3 章测试系统设计 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交流正弦激励电压，然后经过调零、放大、解调及 a d c 转换得到相应桥路的应变信号，通过单片机传出数据。每个幅板上( 或者 每个轮对上) 的的所有桥是通过r s 4 8 5 传给一个z i g b e e 数据传输节点，这样便 于每组桥的同步采集。z i g b e e 数据传输节点将数据无线传输给计算机，计算机 对采集的数据进行计算分析、显示及保存。 本设计的测试系统原理框图如图3 - 1 所示。 图3 - 1 系统组成框图 按照测力轮对的轮轨力的连续测量原理可以知道单组桥在轮对旋转一周得 到的受力图是其受力波形的一个周期，假设列车运行的速度是4 0 0 k m h 的话， 那么在恒定力作用下单组桥输出的受力波形的频率大约是4 0 h z 。按照平时的试 验结果，知道测试精度需要能够分辨1 个肛s ，最大输出大概是2 0 0 肛占，所以若系 统量程是5 0 0 麒，那系统的精度为o 2 。根据以前的测试结果可以确定设计参数，在本 测试系统中l 激励的频率设为5 k h z ，峰峰值为8 v ；根据前面应变测试原理可 以知道，输出与激励的大小及应变片的灵敏度系数有关，在本系统中一个应变 输出相当于1 v ；按照调制检波原理当载波为5 k h z 时，可以测试的输入频率 大约为5 0 0 h z ，满足系统4 0 h z 要求；带通滤波器的中心频率为5 k h z ，通带为 l k h z ，截止频率分别为1 2 k h z 和2 0 k h z ，截止带衰减为- - 7 5 d b ，通带的纹波 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 幅度小于一o 0 1d b 。放大倍数至少在1 0 0 0 0 倍以上，a d c 的位数是1 6 位。理 论上可以分辨的电压为4 n v 左右，但是由于器件的一些非理想特性以及干扰和 器件离散性的存在，系统精度会远远低于这个结果，但是可以满足系统测试要 求精度。为了系统通用，系统设计了可变的放大倍数。本设计的重点就在于信 号的调制、放大、滤波等，按照功能将此部分电路分为信号调制、调零、放大、 滤波、解调、a d c 转换主控制部分及电源七部分组成。由此测试系统的基本测试 电路的组成框图如图3 - 2 所示 l 罨蠢卜医墓雪一主癸h 霉曩卜一 解调 i 交流i 相移 电路 l 激励 电路 图3 2 测试电路框图 3 1a d c 转换主控制部分 在本测试系统中，整个测试系统的数据采集及数据处理部分都将固定在测 力轮对上，可用于固定电路板的位置空间狭小，测试系统应尽量选择集成度高 的元器件。同时，系统的激励信号的产生，调零，检波和数据检测处理都需要 m c u 的干预，因此必须选速度快的单片机。系统中，选择比标准的8 0 5 1 指令执 行速度更快且内部集成有系统所需要的大部分功能部件的c y g n a l 公司c 8 0 5 1 f 系列的单片机作为整个测试系统的核心控制单元。单片机在本测试系统中有以 下几个方面的作用： 接收从前端送来的模拟信号并将接其经a d 转换成数字信号 产生激励信号及调零信号 系统各种控制 将计算结果通过4 8 5 总线或i2 c 传送给z i g b e e 节点 3 1 1c 8 0 5 1f 高速s o c 单片机简介 刎。 c 8 0 5 1 f 系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片( s o c ) ，具有与m c s 一5 1 指令集完全兼容的全新c i p 一5 1 内核。它在一个芯片内集成了构成一个单片机数 据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其它功能部件。这些外 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 设或功能部件包括：a d c 、d a c 、可编程增益放大器、电压比较器、电压基准、温 度传感器、定时器、可编程计数器定时器阵列( p c a ) 、内部振荡器、看门狗定 时器、电源监视器、s m b u s i 2c ，u a r t 及s p i 等。这些外设部件的高度集成为 设计小体积、低功耗、高可靠性的测试系统提供了方便，也可使系统的整体成 本大大降低【6 】。c i p - 5 1 与m c s - 5 1 指令集完全兼容，因此可以使用标准m c s - 5 1 的汇编器、编译器及软件包进行软件开发。c 8 0 5 1 f 采用全新的c i p 一5 1 内核，指 令以时钟周期为运行单位，平均每个时钟可以执行1 条单周期指令。与最初的 8 0 5 1 单片机相比，在相同时钟下，单周期指令运行速度为原来的1 2 倍，全指令 集平均运行速度为原来的9 5 倍。现今许多种类微处理器的i o 端口大多是固 定为某个特殊功能服务的，这种固定方式的i o 端口，既占用过多引脚，配置 又不够灵活。而在c 8 0 5 1 f 中，则采用交叉开关网络以硬件方式实现i o 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，单片机外部为通用i o 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。 3 1 2g 8 0 5 1f 单片机型号选择 c 8 0 5 1 f 系列单片机型号众多，其中f o o x f o l x 系列m c u 在一个芯片内集成 了1 个l o o k s p s 的多通道a d c 子系统( 包括1 个可编程增益放大器p g a 和1 个模 拟多路选择器a m u x ) ，2 个电压输出d a c 、2 个电压比较器、电压基准、s m b u s i 2c 总线接口、u a r t ，s p i 总线接口、4 个通用1 6 位定时器、1 个具有5 个捕捉比 较模块的可编程计数器定时器阵列( p c a ) 、内部振荡器、4 个8 位通用数字i o 端口及3 2 k b 的f l a s h 程序存储器和与m c s - 5 1 兼容的高速微控制器内核c i p - 5 1 。 其中f 0 1 8 和f 0 1 9 可视为f 0 1 5 和f 0 1 6 的简化版，不包括p g a 和d a c ，而f l a s h 和x r a m 分别缩减到1 6 k b 和l k b 。f 0 2 x 系列m c u 与f o o x f o l x 系列不同的是在 一个芯片内集成了2 个多通道a d c 子系统( 每个子系统包括1 个可编程增益放大 器和1 个模拟多路选择器) 、8 个8 位通用数字i o 端口及6 4 k b 的f l a s h 程序存 储器。f 2 x x 系列m c u 与f o o x f o l x 系列不同的是在一个芯片内集成了3 个通用 1 6 位定时器、3 2 个或2 2 个通用数字i o 端口及8 k b 的f l a s h 程序存储器，但 不包括d a c 、电压基准、s m b u s i 2 c 总线接口及可编程计数器定时器阵列( p c a ) ， 其中f 2 3 x 系列不包括a d c 。 根据测试系统的需要，选择型号为c 8 0 5 1 f 0 6 0 。c 8 0 5 t f 0 6 0 的主要特点如下： 高速、流水线结构的与8 0 5 l 兼容的c - i p - 5 l 内核( 2 5 m i p s ) ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 双1 6 位i m s p s 的a d c ，有d m a 数据采集存储方式； 6 4 k b 可在系统编程的f l a s h 存储器，4 k 数据存储器； 硬件实现的s p i 、s m b u s i 2c 和两个u a r t 串行接口； 6 4 个i o 端口，均能耐受5 v 电压； 两路1 2 位的d a c 。 3 1 3f l a s h 存储器在线读写 c 8 0 5 1 f 系列单片机都支持在线f l a s h 的读写操作，可以用软件使用m o v x 指 令对f l a s h 存储器编程，象一般的操作数一样为m o v x 指令提供待编程的地址和 数据字节。在使用m o v x 指令对f l a s h 存储器写入之前，必须将程序存储写允许 位p s w e ( p s c t l o ) 设置为逻辑1 ，以允许f l a s h 写操作。这将使m o v x 指令 执行对f l a s h 的写操作而不是对x r a m 写入。在用软件清除之前p s w e 位一直保持 置位状态。为了避免对f l a s h 的误写，应在p s w e 为逻辑1 期间禁止中断。写 f l a s h 存储器可以清除数据位，但不能使数据位置1 ；只有擦除操作能将f l a s h 中的数据位置1 。所以在写入新值之前，必须先擦除待编程的字节地址。f l a s h 存储器是以5 1 2 字节的扇区为单位组织的。擦除操作作用于一个完整的f l a s h 页( 将页内所有字节置为o x f f ) 。 f l a s h 存储器除了用于存储程序代码之外还可以用于非易失性数据存储。 这就允许在程序运行时计算和存储类似标定系数这样的数据。数据写入使用 m o v x 指令，读出用m o v c 指令。f l a s h 存储器中有一个附加的1 2 8 字节的扇区， 用于非易失性数据存储。它较小的扇区规模使其特别适于作为通用的非易失性 临时存储器。尽管f l a s h 存储器可以每次写一个字节，但必须首先擦除整个扇 区。若要修改一个多字节数据集中的某一个字节，数据集必须被移动到临时存 储区。1 2 8 字节的扇区规模使数据更新更加容易，可以不浪费程序存储器或r a m 空间。这个1 2 8 字节的扇区在6 4 k b 的f l a s h 存储器中是双映射的，它们的地址 范围是o x 0 0 、o x 7 f 。要访问这个1 2 8 字节的扇区，p s c t l 寄存器中的s f l e 位 必须被设置为逻辑1 。这个1 2 8 字节的扇区不能用于存储程序代码。如此可 以在f l a s h 存储器中可以在存储校准好的信号数据和各种调零修正数据，并且不 会季d d m a 数据采集存储冲突。在系统原始程序中，将正弦调制信号值的满幅值写 入固定的f l a s h 中，在校准时为产生精确的幅值，会通过原始值计算出合适的 信号值，再将其写在固定的f l a s h 位置。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 3 1 4 可编程数字l o ；乖n 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 、l 、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 o 。这些端口i o 的工作情况与标 准8 0 5 1 相似，但有一些改进。每个端口i o 弓i 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。可能最独特的改进是引入了数字交叉开关。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至l j p o 、p 1 、p 2 和p 3 的端口i o s l 脚。与具有标准复用数字i 0 的微控制器不同，这种结构可支持所有的功能组合。 可通过设置交叉开关控制寄存器将片内的计数器定时器、串行总线、硬件中断、 a d c 转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其它数字信号配置为出现在 端口i o e i 脚。这一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 及模数转换，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 t0 s f r p a g e = c o n f i g _ p a g e ： x b r o= o x 0 4 ： x b r 2= 0 x 4 8 ： ) 3 1 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 1 f 1 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0 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 位麟肿宽度调制器。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蛰j m c u 的端口i o 引脚。 3 1 6 串行端口 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 c 8 0 5 1 f 1 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 - 5 1 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。在测试系统中可采用i 2c 和4 8 5 总线进行数据传输，4 8 5 总线是通过u a r t ) 接m a x 4 8 5 设计而得到的。其软件配置如下： v o i du a r t i i n i t ( v o i d ) c h a ro l ds f r p a g e = s f r p a g e ： s f r p a g e = u a r t i p a g e ： s f r p a g e= u a r t lp a g e ： s c o n l= o x 7 0 ： s f r p a g e = t i m e r oip a g e ： s f r p a g e= t i m e r 0 1 一p a g e ； t m o d= o x 2 1 ： t h i = o x 9 f ： t r i = i ： s f r p a g e = o lds f r p a g e ： ) s w it c ht ou a r t op a g e s w it c ht ot i m e r0 ip a g e 定时器1 产生u a r t l 的1 1 2 k 波特率 r e s t o r es f r p a g e 3 1 716 位模数转换器 c 8 0 5 1 f 0 6 0 有两个片内1 6 位s a ra d c ，该a d c 2 ：作在i m k s p s 的最大采样速率时 可提供真正的1 6 位精度，i n l 为0 7 5 l s b 。a d c 的电压基准可以在d a c o 输出和一 个外部v r e f 6 i 脚间选择，a d c o 有专用的v r e f o 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。 当采用高速数据采集时，可以通过a d c 控制寄存器将其设成d m a 采集存储模 式，采集的数据将自动存储在用户指定的数据存储器中。 在设计中采集方式可以通过指令，设成2 和3 两种方式。确保各个通道能够 同步采集。a d c o 用于数据采集，在系统可以通过外面同步信号或t 3 起动a d 转换： v o i da d c o i n i t ( v o i d ) c h a ro lds f r p a g e = s f r p a g e ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 i n ti ： s f r p a g e = a d c op a g e ：s w i t c ht oa d c op a g e a d c o c n = 0 x 4 4 ：a d cd is a b le d ，t