基于单片机的轨道压力测试仪的实现

轨道电路是信号联锁的室外重要设备，起着保证行车和调车作业安全的作用。它能监督检查某一固定区段内的线路（包括站线）是否有列车运行、调车作业或车辆占用的情况，并能显示该区段内的钢轨是否完整。它是以钢轨为导线，轨缝间用接续线连续起来，一端接电源，另一端连接受电器，通过轨道电流来工作。

轨道电路能否正常工作直接影响到列车的安全行驶，因此，对轨道电路的检测尤为重要，目前市场上的检测设备还很少，而且普遍存在功耗大，价格昂贵，体积大等不足。为此，本文通过对轨道电路分析研究，设计一种高精度的压力测试仪器来模拟火车对轨道的压力，从而验证轨道电路的性能。

系统的组成及其工作原理
本系统以PIC16F876A单片机为核心，通过软件编程实现其对数据处理、系统实时控制。系统框图如图1所示，由主控MCU模块、A/D采样模块、电源管理模块、显示模块和传感器组成。

图1 系统结构图

本系统各部分的主要功能是：电源管理主要负责对电池电压进行检测和升压稳压，当电压低于3V，系统停止工作，并进行欠压报警。主控MCU负责对采集来的压力信号进行数学计算，将电压信号转换为压力值，在数码管上显示，并可以进行手动调零及满量程调整。系统精度要求是±0.1kN；可以进行超量程报警和未接传感器报警。为了达到低功耗的目的，在软件中做了休眠和关机的功能。

系统硬件设计
1 电源管理电路设计
电源管理主要是对电池电压进行升压和稳压，同时还能够进行过压保护和低压报警功能。采用TPS60230芯片组成升压电路，TPS60230是TI公司生产的一种新型电荷泵DC/DC转换器。其应用原理如图2所示。电池的电压2～5.4V接入TPS60230输入脚IN，图中C1、C2为电荷泵电容，采用等效电阻小的电容。R1、R2分压来确定低电压报警门限，当低于R1、R2的分压值时，LBO输出低电平，单片机查询到有低电平后就控制模拟开关切断后续电路电源；输出5V接后面的模拟开关和单片机。

图2 电源管理电路

2 单片机与采样电路设计
根据精度要求，本系统采用ADI公司的16位A/D芯片AD7705，AD7705芯片将放大、滤波和A／D转换单元集于一体，是一种低成本、宽动态范围、高分辨率的A／D转换芯片。AD7705与单片机通过SPI进行数据通信，连接如图3所示，其中，CH1和CH2为差模输入通道，REF为满量程电平，通过调节RP1来设置满量程电平。单片机作为主机，通过四线（CS、SCLK、DI、DO）SPI与AD7705相连，DRDY为数据转换完成信号，低电平有效，与单片机RC2口相连，单片机查询到RC2口有低电平时，就开始向AD7705发读寄存器指令来获取AD值。CH1+和CH1-为来自压力传感器的压力信号，CH2+和CH2-为调零电位器送来的信号。

图3 采样电路

3 显示与报警电路设计
显示与报警电路如图4所示，显示部分采用7段4位数码管显示，PORTB口连接数码管的段码，RC0、RC1、RC6、RC7口经过三极管驱动放大控制数码管的选择端。当单片机检测到RA1口有低电平信号后，控制模拟开关切断后续电路的电源，与此同时，D1和蜂鸣器B发出报警信号。当压力超过系统量程时，D2和蜂鸣器报警。为了区分低压报警和超量程报警，D1和D2采用不同的颜色，蜂鸣器在等间隔内响的次数不同。

图4 显示与报警电路

系统软件设计
1 采样和数据处理
 ①AD7705的读写时序
AD7705通过四线SPI与单片机通信，其读写时序图如图5(a)、(b)所示，读写过程中串行数据高位在前，低位在后。DRDY为低电平说明A/D已经转换完毕，数据已准备好，可以启动读写指令。任何时候要对AD7705进行读写操作都须检查DRDY是否为低。

图5 AD7705读写时序图

②AD7705的寄存器
第一个是通信寄存器(communication Register)，选择采集通道、下一次操作是读还是写，以及下一次读写哪一个寄存器。
第二个是设置寄存器（Setup Register），决定校准模式、增益设置、极性设置以及缓冲模式。
第三个是时钟寄存器(CLOCK Register)，设置滤波器记忆时钟控制位。
软件编程思路也是按这个顺序写的，先设置通信寄存器，其次写设置寄存器，最后设置时钟寄存器。设置完之后，只要检测到DRDY为低电平，就可以启动时钟来读取AD7705数据寄存器中已转换好的数据。
2 数据处理算法思路
数据处理主要是将电压信号转换成压力值，将采集来的数据进行转换。已知：传感器的参数为10mV对应的是30kN，A/D的满量程电压为1.5V，设采集的A/D值为K，设换算后的压力为X，10mV对应的A/D值为D，增益为64，则由以上参数可求出：
  (1)
        (2)
式(2)就是转换后的压力值和采集的A/D值的关系。
因为单片机不支持浮点运算，为了能精确的显示结果，用软件模拟浮点除法运算，其主要思想是：定义一整型变量INTD，将除的结果存入INTD中，因为是整型变量，所以除法的结果只取了整数部分，例如5/4=1，模拟除法的算法主要依据这一特性。
第一步，如果采集来的值K大于932，K/932存入整型变量中即可得到整数部分。
第二步，用K对932取余得到R，显然R小于932，然后得到小数点后第一位，再用R×10对932取余得到R1，小数点后第二位,以此类推，得到小数点后第三位dec3。
第三步，如果采集来的值K小于932，直接进行第二步操作。
第四步，与逻辑零点进行比较，得到理论压力值，并进行BCD转换在数码管上显示。

图6 软件流程图

3 程序编程思路及流程图
系统软件编程采用状态机机制，上电之后进行各个模块的初始化，包括I/O口初始化、定时器初始化、SPI初始化等。初始化完后进入系统循环，在循环体中根据任务标志位进行任务处理，主要任务有：欠压处理、数据采集、睡眠、关机等。在数据处理时，先采集通道2的值，然后采集通道1，如果传感器未接，则采集来的值为零或者近似零，系统报警等待。如果采集来的值大于零，则参与运算。求出理论值显示。