基于STM的軌道超偏載數據采集系統的硬件設計

浙江東方職業技術學院 余 偉

基于STM的軌道超偏載數據采集系統的硬件設計

浙江東方職業技術學院 余 偉

軌道超偏載數據采集系統的硬件是軌道超偏載的重要組成部分。在實際工程中直接影響數據的精度，本系統采用STM32F10作為處理器,傳感器選用HBM60T，用放大器AD620完成。由數據采集儀對傳感器的模擬信號進行采樣，通過濾波、放大、再通過A/D轉換，然后把信號通過MOXA卡接口傳給工控機處理數據。

STM32；數據采集；動態軌道衡

隨著現代微電子技術的發展，傳統的數據采集系統有了很大的改進和提高，對軌道超偏載數據采集系統做了深入的研究。全國生產軌道超偏載儀的公司有很多：武漢利德測控技術有限公司，承德五岳測控技術有限公司，北京東方瑞威科技發展有限公司等，這些公司軌道超偏載儀的產品有個共同點：都是在動態電子軌道衡的基礎上改進而來的。利用多種傳感器測量火車車廂的超載、偏載等問題，提供數據。

1　軌道超偏載系統總體方案設計

通過對軌道超偏載的實際使用分析，我們確定總體方案需要兩大部件：硬件部分和軟件部分。軌道超偏載系統如圖1所示。

圖1　軌道超偏載系統

硬件部分主要有四大部分構成：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據采集儀主板供電,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轉換電路構成等；主控制器則為工控機部分，一般采購工業控制計算機，保證工作可靠性，降低差錯率等要求；輸出模塊負責數據的顯示、報警、數據的分析、數據的傳輸等綜合業務處理功能。可以根據功能需要不斷改變和升級。

2　軌道超偏載數據采集硬件設計

數據采集儀在系統整體中具有重要地位。數據采集儀的好壞直接影響產品質量。軌道超偏載系統的硬件結構框圖如圖2所示。

圖2　軌道超偏載系統的硬件結構框圖

軌道超偏載系統的結構設計主要包括以下幾個部分：

1)電源系統電路。直接采購符合要求的電源。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）。滿足對傳感器、放大電路、濾波電路、A/D轉換電路、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室外軌道平臺的兩端，利用二力合成的原理計算測量的重量信息、列車的方向信息、超載偏載的信息等，是整個系統的關鍵部件之一，本系統采用的重力傳感器為德國HBM60T型,剪力傳感器采用意大利AEP FT1型。

3)放大電路。由于實際工程中傳感器輸出的信號非常微弱,需要將傳感器輸出信號進行放大處理后才能信號處理。

4)A/D轉換電路。放大電路把信號放大濾波處理之后給A/D轉換電路處理。因為計算機處理的數據需要是數字信號，而傳感器信號通過放大濾波處理之后是模擬信號，只有把模擬信號轉換為數字信號之后，才能計算機軟件處理。A/D轉換器芯片的位數影響處理精度，一般采用16位的A/D轉換芯片。

5)微處理器。傳感器采集數據時間非常短,只有幾百個毫秒,需要采用處理頻率高，速度快的芯片。本系統采用STM32F103系列芯片。

6)串口電路。本系統中有兩個串口,RS485接口和RS232接口。RS485傳輸距離遠，抗干擾強主要用于下位機與上位機之間的通信；RS232傳輸距離短主要是負責與GPRS模塊進行通信。

2.1微處理器相關電路設計

微處理器作為整個系統的核心,決定了系統的準確度和穩定性,是系統的大腦。本系統采用STM32F103微處理器。此微處理器是意法半導體集團的產品，它高性能、低成本、低功耗，內核：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　電源結構圖

2.2電源系統設計

電源系統可根據要求采購或自行制作。本數據采集系統需要的直流電壓等級多，而且精度高，波動小。開關電源輸入為市電220V交流，輸出為12VDC,然后濾波處理電路只有給AD620供電，同時又斬波電路把12VDC轉5VDC,12VDC轉10VDC,其中5VDC給芯片供電，需要降噪電路，把5VDC轉2.5VDC和3VDC。其電源結構圖如圖3所示。

2.3放大電路設計

本系統釆用AD620實現放大功能。AD620是一款低成本、高精度儀表放大器，使用方便，僅需使用一個外部電阻即可設置增益。其放大倍數為1-1000。AD620的內部結構如圖4所示。

圖4　AD620的內部結構

2.4A/D轉換電路

本數據采集系統采用四路重力傳感器和四路剪力傳感器信號測量,A/D轉換器采用AD公司生產的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模數轉換器，采用5V單電源供電。該器件內置兩個低噪聲、寬帶寬、可同步采樣的采樣保持放大器、一個16位高速采樣ADC、一個內部轉換時鐘、糾錯電路以及串行和并行系統接口端口。每個采樣保持放大器前方都含一個多路復用器，以提供4通道輸入ADC。A0多路復用器控制輸入允許選擇同步采樣輸入對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），用于低功耗應用，其功耗與吞吐量呈比例關系。工作溫度范圍為40°C至+85°C。

3　結束語

基于STM的軌道超載偏載數據采集系統中從整體方案上優化了數據采集功能，在數據采集儀的設計上采用了微處理器、電源、放大電路、A/D轉換芯片等，實現了對列車貨物的檢測，可以實現軌道超載偏載的檢測處理，同時可以檢測出列車的運行速度，從而保證鐵路運輸的安全。由于本設計使用的項目不多，在實際使用的項目中產品的精度和穩定性不錯，值得軌道超載偏載系統開發者借鑒和進一步改進。

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余偉，講師，現供職于浙江東方職業技術學院，研究方向：電力電子技術，數據采集處理，計算機控制。