劉衛(wèi)華

摘要：為了解決對(duì)地鐵機(jī)車速度傳感器的檢測(cè)校驗(yàn)問題，本文介紹了便攜式機(jī)車速度傳感器檢測(cè)儀的研制原理和研制過程。本文設(shè)計(jì)了一種基于PWM控制技術(shù)的直流伺服電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，及相關(guān)信號(hào)檢測(cè)控制系統(tǒng)。

中圖分類號(hào)：TL81文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791(2012)04(a)-0000-00

1 引言

在地鐵機(jī)車的運(yùn)行過程之中，對(duì)機(jī)車速度進(jìn)行檢測(cè)和控制是整個(gè)地鐵運(yùn)行過程之中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。通過將速度傳感器裝在機(jī)車的輪對(duì)上面，可以方便地獲取機(jī)車在運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)速度數(shù)據(jù)。機(jī)車的速度是關(guān)系行車安全以及確保列車正常行駛的重要參數(shù)，更是對(duì)機(jī)車的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控記錄基礎(chǔ)。

2系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)的思路如圖2-1：創(chuàng)建一套轉(zhuǎn)動(dòng)裝置并通過電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，讓速度傳感器在該驅(qū)動(dòng)裝置的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)起來，從而使傳感器進(jìn)入正常的工作狀態(tài)之中，對(duì)機(jī)車的速度進(jìn)行檢測(cè)監(jiān)控。該驅(qū)動(dòng)部分務(wù)必要保證可以在要求的范圍之內(nèi)對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，還要能夠在一定的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定下來，保證傳感器在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)下工作。同時(shí)，還要求實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速檢測(cè)結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示，以便工作人員能快速直觀地觀察數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，還必須具有存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、上傳數(shù)據(jù)至上位機(jī)等功能。在確保裝置的可行性的基本前提下，在各方應(yīng)該考慮儀器體積較小、重量較輕輕的方案，這樣可以讓裝置具有良好的便攜性，方便使用。

因?yàn)榈罔F機(jī)車用電全部是110V的直流電，所以系統(tǒng)中電機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分采用的是110V的直流伺服電機(jī)。該電機(jī)的速度調(diào)節(jié)范圍較廣且方式簡(jiǎn)單易操作、硬特性良好，可以方便地在需要進(jìn)行調(diào)速的場(chǎng)合應(yīng)用。

2.2PWM技術(shù)原理

PWM技術(shù)的原理是通過導(dǎo)通和斷開大功率的半導(dǎo)體部件，將直流電壓轉(zhuǎn)換為電壓脈沖的序列，并利用對(duì)電壓脈沖的寬度或者周期的控制來實(shí)現(xiàn)變壓，或者是利用對(duì)電壓脈沖的寬度以及脈沖列周期的控制，來實(shí)現(xiàn)變頻變壓的一項(xiàng)控制技術(shù)。通過對(duì)脈沖序列周期進(jìn)行控制就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖頻率的控制，通過控制在1個(gè)周期內(nèi)脈沖的寬度（占空比），就可以將輸出的電壓平均值改變，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓功能。

由于被控制的對(duì)象為直流電機(jī)，因此對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制也就意味著對(duì)電樞電壓進(jìn)行控制。 所以PWM的控制任務(wù)就簡(jiǎn)化為對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)又不用進(jìn)行調(diào)頻。雖然在實(shí)際的應(yīng)用中沒有調(diào)頻任務(wù)，但是PWM信號(hào)工作的頻率是一定要確定的，頻率過低會(huì)出現(xiàn)電壓波動(dòng)并導(dǎo)致直流電機(jī)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象[1]。理論上，頻率越高的電機(jī)其轉(zhuǎn)動(dòng)越平穩(wěn)，然而由于受到半導(dǎo)體部件工作頻率的限制，加之當(dāng)工作頻率到達(dá)某一個(gè)適當(dāng)值的時(shí)候，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)就已經(jīng)非常好了，如果再增加頻率也沒多大意義，而且加大頻率也加重了半導(dǎo)體部件的開關(guān)的損耗，對(duì)電路本身也是一種負(fù)擔(dān)。實(shí)際的工作頻率通常設(shè)定為2KHz。

3硬件設(shè)計(jì)

3.1電機(jī)部分

從技術(shù)角度來看，對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試的關(guān)鍵是標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，也就是調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的問題。本系統(tǒng)選擇PWM技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速控制。給定速度的環(huán)節(jié)由旋轉(zhuǎn)式的電位器來人為給定，而轉(zhuǎn)速的負(fù)反饋的回路中，用微積分電路來構(gòu)成速度調(diào)節(jié)器（ASR），用以對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。用電流調(diào)節(jié)器（ACR）來處理電流的負(fù)反饋信號(hào)和ASR電路的輸出信號(hào)，控制PWM輸入電壓的信號(hào)。電流的負(fù)反饋信號(hào)用串于電機(jī)電樞的回路里的電流傳感器來測(cè)量的電壓信號(hào)，電機(jī)的工作電流和它成正比關(guān)系。實(shí)際上ACR型電路也屬于個(gè)微積分型電路。SG3525是專門用于生成PWM波的芯片，它可以產(chǎn)生一定頻率的且占空比受控于輸入電壓的脈寬調(diào)制（PYVM）信號(hào)，將該信號(hào)輸入IGBT專用的控制驅(qū)動(dòng)芯片M57962內(nèi)， M57962可以產(chǎn)生PWM信號(hào)并且直接驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的回路中串接的IGBT，它在驅(qū)動(dòng)電機(jī)之中的工作原理其實(shí)相當(dāng)于用三極管來實(shí)現(xiàn)通斷作用的功能，利用IGBT進(jìn)行通斷來改變電機(jī)兩端的電樞電壓，從而達(dá)到讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的目的[2]。

電機(jī)主軸上安裝有同軸的光柵盤，通過這個(gè)光柵盤的轉(zhuǎn)動(dòng)可以讓和它連接的光電開關(guān)（M0C70T4）開始工作，產(chǎn)生脈沖信號(hào)，信號(hào)的轉(zhuǎn)速與頻率成正比關(guān)系。該信號(hào)經(jīng)由可將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的LN12907轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)亦即轉(zhuǎn)速反饋的信號(hào)。

3.2單片機(jī)部分

在該系統(tǒng)中單片機(jī)起到了非常關(guān)鍵的作用，一方面，單片機(jī)在信號(hào)的采集與數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等工作中提供解決了控制核心的問題，另一方面，單片機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)創(chuàng)造出非常友好的工作界面。在系統(tǒng)中單片機(jī)的主要作用有以下幾個(gè)方面:

? 對(duì)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制和啟動(dòng)、停止、暫?？刂疲?/p>

? 采集并計(jì)算被檢測(cè)到的電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)與待檢測(cè)的速度傳感器發(fā)送的信號(hào)；

? 將檢測(cè)結(jié)果顯示在單色的圖形點(diǎn)陣LCD上；

? 和上位機(jī)進(jìn)行串行通信并傳輸檢測(cè)數(shù)據(jù)；

? 接收系統(tǒng)中由控制開關(guān)發(fā)出的命令，進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換；

本文的設(shè)計(jì)所采用的單片機(jī)，其型號(hào)為MCS-51系列的AT-89C-52型單片機(jī)。之所以選擇該型號(hào)的單片機(jī)，其原因主要是因?yàn)樵搯纹瑱C(jī)內(nèi)部的RAM的總量是256比特，相比之下，89C-51型單片機(jī)中的RAM的總量?jī)H有128比特，串行數(shù)據(jù)的傳輸過程必將使用到一定數(shù)量的內(nèi)存，52型單片機(jī)可以很好地滿足這一要求。

3.38253芯片

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速的脈沖信號(hào)與來自傳感器的4路脈沖一共5路脈沖信號(hào)的同時(shí)計(jì)數(shù)，僅僅依靠52型單片機(jī)其自身攜帶的三只計(jì)數(shù)器是不可能達(dá)到要求的。為此，系統(tǒng)使用兩個(gè)M8253-2型可編程的計(jì)數(shù)芯片來充當(dāng)計(jì)數(shù)器，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)前面提及的多達(dá)5路的脈沖信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的功能。該器件共包含了3個(gè)16位的獨(dú)立計(jì)數(shù)器，每一個(gè)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)速率都是2MHz。全部工作方式都可以通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)。8253型計(jì)數(shù)芯片被廣泛地應(yīng)用與工業(yè)控制領(lǐng)域。

8253-2型計(jì)數(shù)芯片屬于Intel微機(jī)部件，它的連接方式和系統(tǒng)中其他所有的外圍器件一樣，系統(tǒng)將它作為一系列的外圍的1/O口。其中的3個(gè)口為計(jì)數(shù)器，第4個(gè)口是針為工作方式的編程提供的控制寄存器。選擇不同的輸入端A0或 Al，用以對(duì)口進(jìn)行選擇。當(dāng)選擇輸入端為A0時(shí), Al就連接到中央處理器上的A0、Al的地址總線，可以利用現(xiàn)選法將CS信號(hào)直接和地址總線連接，或者是和譯碼器輸出端連接。各控制指令字與計(jì)數(shù)初始值以及計(jì)數(shù)的輸出值，都是經(jīng)由D7-DO數(shù)據(jù)端口和單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)連接的[3]。8253-2型計(jì)數(shù)芯片的所有功能都通過系統(tǒng)的編程來確定，中央處理器必須發(fā)送1組控制字，將計(jì)數(shù)芯片的每1個(gè)計(jì)數(shù)器都預(yù)置為系統(tǒng)要求的數(shù)值和形式。在預(yù)置以前，所有計(jì)數(shù)器其工作方式與計(jì)數(shù)值以及輸出都是未確定的。

4軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)中的軟件是由兩部分組成的，分別是上位機(jī)檢測(cè)數(shù)據(jù)的接收程序與下位機(jī)單片機(jī)的控制程序，上位機(jī)檢測(cè)數(shù)據(jù)接收程序的功能，是采用VB構(gòu)建一個(gè)圖形操作界面，接收來自下位機(jī)發(fā)的數(shù)據(jù)并用報(bào)表顯示出來，同時(shí)保存成EXECEL的文件格式，用于對(duì)傳感器的性能進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)和分析。下位機(jī)控制程序的功能，是利用單片機(jī)系統(tǒng)硬件平臺(tái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果顯示在LCD上并將數(shù)據(jù)保存，完成和上位機(jī)的串行通信并接收控制要求，響應(yīng)要求并完成控制動(dòng)作。

4.1單片機(jī)控制程序[4]

實(shí)際上，單片機(jī)的全部程序就是一個(gè)持續(xù)的循環(huán)的過程，大循環(huán)中包含查詢與判斷以及跳轉(zhuǎn)指令，利用這些指令用來查詢、判斷控制開關(guān)工作狀態(tài)，在查詢到了相應(yīng)狀態(tài)以后，利用跳轉(zhuǎn)指令跳轉(zhuǎn)程序指令到相應(yīng)子程序的入口處，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)某一特定功能。單片機(jī)的控制系統(tǒng)的硬件是進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，對(duì)于特定硬件需要編寫具體軟件操作。比如，針對(duì)特定的芯片的工作原理、口地址、操作模式等為其編寫相應(yīng)的軟件。

主程序是一個(gè)持續(xù)進(jìn)行的循環(huán)判斷過程，大循環(huán)周期就是一個(gè)不斷地進(jìn)行定時(shí)中斷，不斷地循環(huán)判斷是否有換向操作，不斷地循環(huán)判斷定時(shí)1s有沒有到來，然后不斷地將定時(shí)清除，再次置零循環(huán)，開定時(shí)中斷的循環(huán)過程。在主程序中，主要是進(jìn)行LCD初始化的處理，判斷輪徑值并顯示，判斷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)并，調(diào)用電機(jī)的正反轉(zhuǎn)的子程序的循環(huán)過程。所采集的數(shù)據(jù)的顯示和保存過程，其實(shí)是由定時(shí)中斷的子程序完成，LCD上實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)顯示，也是在由子程序完成數(shù)據(jù)采集以后，再進(jìn)行1次LCD顯示的寫操作才實(shí)現(xiàn)的。

4.2上位機(jī)程序

PC機(jī)采用VB編程，具有簡(jiǎn)單易學(xué)、高效且功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。利用VB可以進(jìn)行面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)，事件驅(qū)動(dòng)的編程模式具有良好的結(jié)構(gòu)性，而且支持控件的無限擴(kuò)增，可以實(shí)現(xiàn)非常友好的人機(jī)界面。而對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)串口通信，支持使用功能強(qiáng)大的MSComm通信控件。該通信控件支持設(shè)置串行通信數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，可以進(jìn)行對(duì)串口通信信息格式與串口狀態(tài)以及協(xié)議的設(shè)置。該通信屬于標(biāo)準(zhǔn)的10位串口通信，其中有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)8位、1位數(shù)據(jù)起始位、1位停止位。一個(gè)通信控件和一個(gè)串口對(duì)應(yīng)，能夠設(shè)計(jì)若干通信控件用來訪問若干通信口。該系統(tǒng)采用VB語言編寫的上位機(jī)的數(shù)據(jù)接收的軟件，可以有效地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和文檔保存等功能。在進(jìn)入初始化的界面后，進(jìn)入到接收主界面，單擊“建立連接”后，上位機(jī)將握手信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)，雙方完成數(shù)據(jù)通信的連接后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。完成數(shù)據(jù)接收后以報(bào)表打印和文件保存兩種形式將數(shù)據(jù)長(zhǎng)久保存。

5 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了研制地鐵機(jī)車速度傳感器檢測(cè)儀的過程，對(duì)檢測(cè)儀的結(jié)構(gòu)、功能、原理、實(shí)現(xiàn)的依據(jù)等方面做了詳細(xì)介紹?，F(xiàn)在，基于本論文設(shè)計(jì)的機(jī)車速度傳感器校驗(yàn)儀已進(jìn)入生產(chǎn)階段，并已應(yīng)用到國內(nèi)的地鐵線路上。

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