基于STM的軌道超偏載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

浙江東方職業(yè)技術(shù)學(xué)院 余 偉

基于STM的軌道超偏載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

浙江東方職業(yè)技術(shù)學(xué)院 余 偉

軌道超偏載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件是軌道超偏載的重要組成部分。在實(shí)際工程中直接影響數(shù)據(jù)的精度，本系統(tǒng)采用STM32F10作為處理器,傳感器選用HBM60T，用放大器AD620完成。由數(shù)據(jù)采集儀對(duì)傳感器的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，通過(guò)濾波、放大、再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，然后把信號(hào)通過(guò)MOXA卡接口傳給工控機(jī)處理數(shù)據(jù)。

STM32；數(shù)據(jù)采集；動(dòng)態(tài)軌道衡

隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有了很大的改進(jìn)和提高，對(duì)軌道超偏載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)做了深入的研究。全國(guó)生產(chǎn)軌道超偏載儀的公司有很多：武漢利德測(cè)控技術(shù)有限公司，承德五岳測(cè)控技術(shù)有限公司，北京東方瑞威科技發(fā)展有限公司等，這些公司軌道超偏載儀的產(chǎn)品有個(gè)共同點(diǎn)：都是在動(dòng)態(tài)電子軌道衡的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的。利用多種傳感器測(cè)量火車車廂的超載、偏載等問(wèn)題，提供數(shù)據(jù)。

1　軌道超偏載系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)軌道超偏載的實(shí)際使用分析，我們確定總體方案需要兩大部件：硬件部分和軟件部分。軌道超偏載系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　軌道超偏載系統(tǒng)

硬件部分主要有四大部分構(gòu)成：電源模塊,采樣模塊,輸出模塊和主控制器等。電源模塊一方面給數(shù)據(jù)采集儀主板供電,另一方面提供足夠精度的參考電壓；采樣模塊主要為放大濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成等；主控制器則為工控機(jī)部分，一般采購(gòu)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，保證工作可靠性，降低差錯(cuò)率等要求；輸出模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的顯示、報(bào)警、數(shù)據(jù)的分析、數(shù)據(jù)的傳輸?shù)染C合業(yè)務(wù)處理功能?？梢愿鶕?jù)功能需要不斷改變和升級(jí)。

2　軌道超偏載數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集儀在系統(tǒng)整體中具有重要地位。數(shù)據(jù)采集儀的好壞直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。軌道超偏載系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2　軌道超偏載系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

軌道超偏載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)部分：

1)電源系統(tǒng)電路。直接采購(gòu)符合要求的電源。電源輸入要求為220V交流，輸出要滿足多種直流電壓（±10V,±12V,±5V,±3V等）。滿足對(duì)傳感器、放大電路、濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、微處理器和接口電路的供電。

2)傳感器。傳感器的選擇很重要,它直接決定測(cè)量的精度，傳感器有兩種類型：重力傳感器和剪力傳感器，兩種傳感器各四只，分別在軌道超偏載系統(tǒng)室外軌道平臺(tái)的兩端，利用二力合成的原理計(jì)算測(cè)量的重量信息、列車的方向信息、超載偏載的信息等，是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，本系統(tǒng)采用的重力傳感器為德國(guó)HBM60T型,剪力傳感器采用意大利AEP FT1型。

3)放大電路。由于實(shí)際工程中傳感器輸出的信號(hào)非常微弱,需要將傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行放大處理后才能信號(hào)處理。

4)A/D轉(zhuǎn)換電路。放大電路把信號(hào)放大濾波處理之后給A/D轉(zhuǎn)換電路處理。因?yàn)橛?jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)需要是數(shù)字信號(hào)，而傳感器信號(hào)通過(guò)放大濾波處理之后是模擬信號(hào)，只有把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)之后，才能計(jì)算機(jī)軟件處理。A/D轉(zhuǎn)換器芯片的位數(shù)影響處理精度，一般采用16位的A/D轉(zhuǎn)換芯片。

5)微處理器。傳感器采集數(shù)據(jù)時(shí)間非常短,只有幾百個(gè)毫秒,需要采用處理頻率高，速度快的芯片。本系統(tǒng)采用STM32F103系列芯片。

6)串口電路。本系統(tǒng)中有兩個(gè)串口,RS485接口和RS232接口。RS485傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾強(qiáng)主要用于下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信；RS232傳輸距離短主要是負(fù)責(zé)與GPRS模塊進(jìn)行通信。

2.1微處理器相關(guān)電路設(shè)計(jì)

微處理器作為整個(gè)系統(tǒng)的核心,決定了系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性,是系統(tǒng)的大腦。本系統(tǒng)采用STM32F103微處理器。此微處理器是意法半導(dǎo)體集團(tuán)的產(chǎn)品，它高性能、低成本、低功耗，內(nèi)核：ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作頻率72MHz，1.25DMIPS/ MHz。單周期乘法和硬件除法。

圖3　電源結(jié)構(gòu)圖

2.2電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電源系統(tǒng)可根據(jù)要求采購(gòu)或自行制作。本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要的直流電壓等級(jí)多，而且精度高，波動(dòng)小。開(kāi)關(guān)電源輸入為市電220V交流，輸出為12VDC,然后濾波處理電路只有給AD620供電，同時(shí)又?jǐn)夭娐钒?2VDC轉(zhuǎn)5VDC,12VDC轉(zhuǎn)10VDC,其中5VDC給芯片供電，需要降噪電路，把5VDC轉(zhuǎn)2.5VDC和3VDC。其電源結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2.3放大電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)釆用AD620實(shí)現(xiàn)放大功能。AD620是一款低成本、高精度儀表放大器，使用方便，僅需使用一個(gè)外部電阻即可設(shè)置增益。其放大倍數(shù)為1-1000。AD620的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　AD620的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.4A/D轉(zhuǎn)換電路

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用四路重力傳感器和四路剪力傳感器信號(hào)測(cè)量,A/D轉(zhuǎn)換器采用AD公司生產(chǎn)的AD7655芯片。AD7655是一款低成本、同步采樣、雙通道、16位、電荷再分配SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用5V單電源供電。該器件內(nèi)置兩個(gè)低噪聲、寬帶寬、可同步采樣的采樣保持放大器、一個(gè)16位高速采樣ADC、一個(gè)內(nèi)部轉(zhuǎn)換時(shí)鐘、糾錯(cuò)電路以及串行和并行系統(tǒng)接口端口。每個(gè)采樣保持放大器前方都含一個(gè)多路復(fù)用器，以提供4通道輸入ADC。A0多路復(fù)用器控制輸入允許選擇同步采樣輸入對(duì)INA1/INB1（A0=低）或INA2/INB2（A0=高）。該器件具有兩種采樣模式：一種是極高采樣速率模式（正常模式）；一種是低功耗模式（脈沖模式），用于低功耗應(yīng)用，其功耗與吞吐量呈比例關(guān)系。工作溫度范圍為40°C至+85°C。

3　結(jié)束語(yǔ)

基于STM的軌道超載偏載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中從整體方案上優(yōu)化了數(shù)據(jù)采集功能，在數(shù)據(jù)采集儀的設(shè)計(jì)上采用了微處理器、電源、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換芯片等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)列車貨物的檢測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)軌道超載偏載的檢測(cè)處理，同時(shí)可以檢測(cè)出列車的運(yùn)行速度，從而保證鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩?。由于本設(shè)計(jì)使用的項(xiàng)目不多，在實(shí)際使用的項(xiàng)目中產(chǎn)品的精度和穩(wěn)定性不錯(cuò)，值得軌道超載偏載系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者借鑒和進(jìn)一步改進(jìn)。

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余偉，講師，現(xiàn)供職于浙江東方職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：電力電子技術(shù)，數(shù)據(jù)采集處理，計(jì)算機(jī)控制。