軌道衡數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案探討

陳瀚鳴 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司科研所

1 引言

動態(tài)軌道衡作為鐵路稱重衡器，特點(diǎn)是對行進(jìn)中的火車進(jìn)行動態(tài)稱量。隨著現(xiàn)代自動化技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)的革新，軌道衡、汽車衡等大型衡器得到了大量應(yīng)用。它們的出現(xiàn)既提高了貨物運(yùn)輸?shù)男剩直Ｕ狭素浳镞\(yùn)輸過程中的準(zhǔn)確性。但隨著時(shí)代的發(fā)展，僅僅采用以往的靜態(tài)軌道衡已經(jīng)無法滿足現(xiàn)在快速測量的要求，動態(tài)軌道衡應(yīng)運(yùn)而生。動態(tài)軌道衡憑借著計(jì)量速度及時(shí)、計(jì)量范圍大、準(zhǔn)確度較高、性能優(yōu)秀等優(yōu)點(diǎn)，廣泛運(yùn)用各企業(yè)。但是軌道衡從靜到動的轉(zhuǎn)變過程中，動態(tài)軌道衡始終存在一大弊病：精度低。因此本文從動態(tài)軌道衡數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕嵌龋馕霰容^如何優(yōu)化，能夠提高動態(tài)軌道衡數(shù)據(jù)采集中的精度。

2 軌道衡數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)介紹

動態(tài)軌道衡上過車時(shí)，車速以低速（5 km/h-20 km/h）通過稱臺時(shí)，每節(jié)車廂的轉(zhuǎn)向架會按順序作用在稱臺臺面，產(chǎn)生重量信號通過稱體傳輸給傳感器，傳感器會將被測車輛的質(zhì)量和車軸變化信息作為模擬電壓信號輸出。采集系統(tǒng)則將重力傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字信號，然后再通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出數(shù)據(jù)，如圖1所示。

圖1 軌道衡信號傳輸示意圖

本文將著重分析圖2中的數(shù)據(jù)采集傳輸過程，研究傳輸過程中的硬件設(shè)施配置、相關(guān)電路優(yōu)化、配套軟件升級。

圖2 軌道衡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

3 放大電路

在動態(tài)軌道衡中，傳感器輸出的信號很小，之后的處理都要用到放大電路。放大電路一般采用儀表放大器完成。儀表放大器是一種精密的差分電壓放大器，它是運(yùn)算放大器的改良版。儀表放大器會把關(guān)鍵的元件集成在放大器內(nèi)部，所以具有高的共模抑制比，高輸入阻抗，低噪聲，低線性誤差，低失調(diào)漂移等有點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于數(shù)據(jù)采集中。常見的儀表放大器有差動放大器、雙運(yùn)放儀表放大器、三運(yùn)放儀表放大器等。

3.1 差動放大器

差動放大器的結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 常見差動放大器基本結(jié)構(gòu)

它是由兩個(gè)原件完全相同的共射級放大電路組成，電位器RP是用來調(diào)節(jié)T1，T2管的靜態(tài)工作點(diǎn)，使輸入信號UI=0時(shí)，雙端輸出電壓U0=0。RB是兩管共用的射級電阻，它對差模信號無影響但對共模信號有很強(qiáng)的負(fù)反饋?zhàn)饔茫梢砸种屏泓c(diǎn)漂移，穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。

該電路的傳遞函數(shù)為:

該放大器顯而易見，結(jié)構(gòu)簡單，僅使用一個(gè)運(yùn)放即可完成信號放大，但缺點(diǎn)也很明顯，輸入阻抗低。輸出增益僅由RC和RE的比值決定，高增益的同時(shí)輸入阻抗就會降低。而且，這種電路噪聲性能也并不優(yōu)秀，提高輸入阻抗就要增加電阻阻值，這樣容易產(chǎn)生更大的噪聲信號。最后，此電路共模信號比會得到抑制，除非再增加運(yùn)放級聯(lián)引入增益，否則并不是很適合軌道衡如此高精度的信號處理。

雙運(yùn)放儀表放大器的結(jié)構(gòu)如圖4：

圖4 雙運(yùn)放儀表放大器

3.2 雙運(yùn)放儀表放大器

雙運(yùn)放儀表放大器的輸入阻抗較高，直流共模抑制性能會受到R1/R2和R1’/R2’的匹配限制。這種結(jié)構(gòu)的共模抑制比對電阻器阻值變化的靈敏度比差分放大器要略大一些。由于兩個(gè)通路不平衡，同相通路信號的頻率響應(yīng)與反相通路信號不同。由于反相通路要通過兩級電路而不是一級電路，因此在反相通路中出現(xiàn)了一個(gè)相位延遲，并且壓擺率和帶寬特性也會不同，其噪聲性能也會差一些。

動態(tài)軌道衡中可以使用雙運(yùn)放儀表放大器。以AD廠家的AD627為例（圖5）：

圖5 AD627簡化示意圖

AD627是一款完整的微功耗儀表放大器，提供軌到軌輸出擺幅，采用單電源供電。AD627提供出色的交流與直流性能，工作時(shí)的最大功耗僅為85μA。

AD627是使用兩個(gè)反饋環(huán)路構(gòu)成的真正儀表放大器。它的通用特性類似于那些傳統(tǒng)的雙運(yùn)放儀表放大器，并且可認(rèn)為是雙運(yùn)放儀表放大器，但是其內(nèi)部細(xì)節(jié)有些不同。

AD627采用改進(jìn)的電流反饋電路，與內(nèi)級前饋頻率補(bǔ)償電路耦合，因而在DC以上（特別是50 Hz～60 Hz電源頻率）的頻率條件下具有比其它低功耗儀表放大器更好的共模抑制比（CMRR）。

如圖5所示，A1與V1和R5連接構(gòu)成一個(gè)完整的反饋環(huán)路，迫使流過Q1集電極電流恒定。假設(shè)此時(shí)不連接增益設(shè)置電阻器（RG）。電阻器R2和R1完成環(huán)路并且迫使A1的輸出電壓等于具有1.25（幾乎精確）增益的反向端電壓。由A2構(gòu)成的幾乎相同的反饋環(huán)路迫使一個(gè)電流流過Q2，它本質(zhì)上與流過Q1的電流相同，并且A2也提供輸出電壓。當(dāng)兩個(gè)環(huán)路都平衡時(shí)，從同向端到VOUT的增益等于5，而從A1的輸出到VOUT的增益等于－4。A1的反向端增益（1.25）乘以A2的增益（－4）使反向端和同向端的增益相等。

軌道衡放大電路采用AD627有以下優(yōu)點(diǎn)：

單電源條件下輸出，電源壓力小；

雙電源條件下仍然擁有優(yōu)良性能；

增益通過外接電阻調(diào)節(jié)，G最大可達(dá)1 000；

共模抑制比會隨著G增大而增大，減小誤差；

低功耗，寬電源電壓，線性、穩(wěn)定性、可靠性好；

較寬的共模輸入范圍；

高精度直流、交流性能。

3.3 三運(yùn)放儀表放大器

三運(yùn)放儀表放大器的結(jié)構(gòu)如圖6：

圖6 三運(yùn)放儀表放大器基本電路

第一級電路讓共模信號有效地通過，沒有任何放大或衰減，第二級差動放大器將共模信號去除。由于額外提升了差分增益，雖然電阻器的匹配狀況并沒有改善，但是系統(tǒng)的有效共模抑制能力卻得到了增強(qiáng)。在實(shí)際應(yīng)用中需要注意：

（1）必須在第一級提供增益；

（2）系統(tǒng)的共模抑制不是由前兩個(gè)放大器的共模抑制比性能決定的，而是取決于兩個(gè)共模抑制的匹配程度。然而雙運(yùn)算放大器從來不會給出這一指標(biāo)，因此選擇時(shí)必須要求CMRR性能指標(biāo)比需要的目標(biāo)性能指標(biāo)至少好6 dB；

（3）如果電阻器有某些對地的泄露通路，CMRR指標(biāo)就會降低；

（4）儀表放大器前面的元件要盡可能設(shè)計(jì)得平衡。如果儀表放大器同相通路中低通濾波器和反相通路中低通濾波器具有不同截止頻率，系統(tǒng)的CMRR特性將會隨著頻率的升高而降低。

對于儀表放大器的第一級，每個(gè)運(yùn)算放大器都要保持其兩個(gè)電壓輸入端的電壓相同。圖4中R4兩端的差分電壓應(yīng)當(dāng)和兩個(gè)輸入端的電壓相同，這個(gè)電壓產(chǎn)生一個(gè)電流，流過電阻器R3并產(chǎn)生了放大器的增益。

目前軌道衡放大電路較多地采用的是AD公司的三運(yùn)放儀表放大器，或者是TI公司的INA系列。三運(yùn)放儀表放大器相較于雙運(yùn)放儀表放大器相比，結(jié)構(gòu)性能高，噪聲和CMRR性能會隨著增益的增加而改善，高頻性能好，很適用于軌道衡。圖7以AD公司的AD625為例：

圖7 AD625的芯片結(jié)構(gòu)

通過外接電阻R1,R2,R3控制增益，可以控制1-10000倍的增益放大范圍。RF為反饋電阻。在軌道衡電路中，一般將RF設(shè)置成20Ω。為使輸入信號放大后幅值在3/4滿度附近，圖示電路中將R1,R2設(shè)置到20Ω，R2,RG設(shè)置到100Ω，通過公式:

可得G=401。在具體軌道衡運(yùn)用中，既可以調(diào)節(jié)增益電阻RG，也可以固定AD625的放大倍數(shù)，在濾波電路處理后再次進(jìn)行二次放大，調(diào)節(jié)二次方大電路的反饋電阻阻值進(jìn)行輸出增益控制。

4 濾波電路

濾波一般才用普通的RC濾波電路，一級二級均可。RC濾波電路相比LC濾波電路，體積小，成本低，且適用于低頻信號濾波；自動軌道衡過車多為貨車，擺動與振動頻率較大，高頻信號很多，RC低通濾波電路在消除高頻信號中表現(xiàn)優(yōu)于LC濾波電路，更適用于自動軌道衡（圖8）。

圖8 一階有源RC低通濾波電路圖

5 A/D轉(zhuǎn)換器

自動軌道衡中，終端接收來自線路上的模擬信號并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，所以A/D轉(zhuǎn)換電路通常采用D/A模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，一般的四測區(qū)稱重模塊需要有四路采樣通道，16位單極模數(shù)轉(zhuǎn)換。以AD公司的7655為例（圖9）：

圖9 AD7655外部引腳圖

輸入范圍±5 V和±3 V，由35號CNVST引腳啟動。當(dāng)接收到CNVST脈沖時(shí)，此芯片內(nèi)部會將滿足模擬輸入范圍的輸入電壓信號經(jīng)過采樣-保持-放大器轉(zhuǎn)換，放大至0 V～3 V范圍，然后送至ADC輸入端。

軌道衡中的DA轉(zhuǎn)換器主要要注意一下幾個(gè)指標(biāo)：

分辨率：是DA轉(zhuǎn)換的精度。軌道衡模數(shù)轉(zhuǎn)換精度要求不是太高，選用分辨率一般的（如電壓輸出型或電流輸出的TLC系列）即可。

建立時(shí)間：電流輸出型較短，電壓輸出型較長。自動軌道衡對建立時(shí)間要求不高，因此選用電壓型或乘算型（如AD7553）即可。

轉(zhuǎn)化精度：如AD7655，采用一個(gè)二極管在輸入端做ESD保護(hù)，當(dāng)輸入超出范圍時(shí)，會形成正向偏壓，保護(hù)短路電流；采用差動輸入，減少小信號共同輸入，因此有良好的轉(zhuǎn)化精度。

6 結(jié)束語

自動軌道衡數(shù)據(jù)傳輸主要由以上幾個(gè)部分組成，其中濾波電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路選擇比較隨意，放大電路的選擇較多，也是數(shù)據(jù)處理流程中比較重要的一環(huán)，需要對比優(yōu)劣，選擇最適合的放大電路元器件。關(guān)于數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)軟件計(jì)算機(jī)部分和終端部分內(nèi)容較多，在此不做展開，希望本文能夠拋磚引玉，幫助大家對軌道衡的數(shù)據(jù)傳輸有一個(gè)更直觀的了解。