鄭 平

（南昌鐵路局 福州機(jī)務(wù)段，福建福州350014）

目前我國(guó)鐵路機(jī)車上使用的速度傳感器主要有光電轉(zhuǎn)速傳感器、霍爾式速度傳感器和磁電式速度傳感器3種，其中使用最多的是光電轉(zhuǎn)速傳感器（以下簡(jiǎn)稱光電傳感器）。在機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)下，光電傳感器為輪緣涂油器、電阻制動(dòng)裝置等機(jī)車電氣提供速度信號(hào)。對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)下的機(jī)車進(jìn)行檢修時(shí)，安裝在車輪轉(zhuǎn)軸上的光電傳感器沒有速度信號(hào)輸出，這樣就很難對(duì)需要速度信號(hào)才能工作的機(jī)車電氣進(jìn)行檢修。為了對(duì)這些機(jī)車電氣進(jìn)行檢修，需要能模仿光電傳感器輸出信號(hào)的裝置。有時(shí)為了隨車檢測(cè)機(jī)車電氣工作狀態(tài)，也需要準(zhǔn)確地測(cè)量光電傳感器輸出信號(hào)反映的速度與機(jī)車實(shí)際運(yùn)行速度的差異。為此研制了基于單片機(jī)的機(jī)車速度信號(hào)模擬與測(cè)量裝置（以下簡(jiǎn)稱模擬裝置）。

1 硬件結(jié)構(gòu)

模擬裝置主要由模擬信號(hào)發(fā)生器、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)高電平電壓測(cè)量、機(jī)車輪對(duì)直徑設(shè)置、LED數(shù)碼管顯示及單片機(jī)最小系統(tǒng)等電路組成。

1.1 模擬信號(hào)發(fā)生器

模擬信號(hào)發(fā)生器電路如圖1所示，主要由可調(diào)精密電壓基準(zhǔn)LM431、多圈電位器、電壓頻率轉(zhuǎn)換器AD654、六反相器CD4069、光電耦合器及一些電阻電容等組成。

AD654第1腳為方波信號(hào)輸出端，第2腳為邏輯地，第3腳與地之間接定時(shí)電阻R，第4腳為同相電壓輸入端，第6、7腳為定時(shí)電容C輸入端，第8、5腳為正、負(fù)電源輸入端。本電路采用單電源供電，第2腳與第5腳接電源負(fù)端。輸入電壓U量程由定時(shí)電阻R決定，即U／R=1mA。本電路U=0～2V，取用R=2kΩ。輸出頻率f由C決定，f=1／10C（f單位為kHz，C單位為μF）。本電路C=0.0 2μF，輸出頻率范圍為0～5kHz，調(diào)節(jié)多圈電位器W1可改變輸出的模擬信號(hào)頻率。

圖1 模擬信號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)、電壓測(cè)量電路

模擬信號(hào)發(fā)生器中的光電耦合電路元件取自因機(jī)械故障報(bào)廢的光電傳感器。機(jī)車上的光電耦合電路發(fā)光二極管由15V直流電驅(qū)動(dòng)發(fā)光，光柵盤在車輪轉(zhuǎn)軸的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，利用光柵盤遮擋作用使光源變?yōu)閿嗬m(xù)光，在斷續(xù)光的作用下光敏三極管通、斷交替切換而產(chǎn)生方波信號(hào)。在模擬信號(hào)發(fā)生器中改由方波驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管產(chǎn)生斷續(xù)光，因此從5芯插座第5腳輸出的模擬信號(hào)波形與負(fù)載能力幾乎與光電傳感器輸出信號(hào)一樣。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器

標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器電路如圖1右上方所示，主要由14級(jí)二進(jìn)制分頻器／振蕩器CD4060、32 768Hz石英晶體振蕩器、反相器及一些電阻電容組成。CD4060產(chǎn)生方波信號(hào)經(jīng)反相器、限流電阻、穩(wěn)壓管后，輸出頻率為1 024Hz、高電平電壓為10V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)用于模擬裝置自校，也可作為第2路模擬速度信號(hào)使用。

1.3 信號(hào)高電平電壓測(cè)量

信號(hào)高電平電壓測(cè)量電路如圖1左上方所示，由AD654、二極管及一些電阻電容組成。模擬裝置或光電傳感器輸出的方波信號(hào)經(jīng)峰值保存與分壓后進(jìn)入電壓頻率轉(zhuǎn)換電路，這樣方波信號(hào)高電平電壓就被轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，頻率信號(hào)送往單片機(jī)測(cè)頻，所測(cè)頻率值除100即為信號(hào)高電平電壓，通過(guò)調(diào)節(jié)1kΩ精密多圈電位器對(duì)信號(hào)高電平電壓測(cè)量值進(jìn)行標(biāo)定。

1.4 機(jī)車輪對(duì)直徑設(shè)置

機(jī)車輪對(duì)直徑設(shè)置電路如圖2左側(cè)所示，由反相器、多圈電位器、電容及電阻組成。輪對(duì)直徑設(shè)置電路利用CD4069中的兩級(jí)反相器和R、C元件構(gòu)成阻容振蕩器，振蕩器產(chǎn)生的方波信號(hào)送往單片機(jī)測(cè)量頻率，頻率測(cè)量值即為機(jī)車輪對(duì)直徑，調(diào)節(jié)多圈電位器W3即可改變機(jī)車輪對(duì)直徑設(shè)置。

圖2 輪徑設(shè)置、單片機(jī)系統(tǒng)、數(shù)碼管顯示

1.5 LED數(shù)碼管顯示

LED數(shù)碼管顯示電路如圖2右側(cè)所示，由8個(gè)共陽(yáng)極LED數(shù)碼管、8個(gè)9012三極管及一些電阻組成。

1.6 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2左側(cè)所示，由89C52單片機(jī)、時(shí)鐘電路、自動(dòng)復(fù)位電路組成。系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為12 MHz，89C52單片機(jī)內(nèi)8K可電擦除存儲(chǔ)器用于存放測(cè)量程序。

1.7 工作電源

模擬裝置工作電源采用內(nèi)置4節(jié)3.7V鋰電池，鋰電池經(jīng)過(guò)二極管為模擬與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器電路供電，通過(guò)LM7805為其他電路提供5V電源。鋰電池可持續(xù)工作十幾個(gè)小時(shí)，鋰電池虧電時(shí)可外接穩(wěn)壓電源充電。

2 測(cè)速原理

假設(shè)機(jī)車速度為v（km／h）、輪 對(duì)轉(zhuǎn) 速為n（r／min）、機(jī)車輪對(duì)直徑為D（mm）、模擬裝置或光電傳感器輸出信號(hào)頻率為f、輪對(duì)每轉(zhuǎn)光電傳感器輸出脈沖數(shù)為P（目前國(guó)內(nèi)機(jī)車P為200），那么機(jī)車速度v可用式（1）表示。

模擬裝置采用單片機(jī)多周期同步測(cè)頻法測(cè)量速度信號(hào)頻率，多周期同步測(cè)頻法原理如圖3所示。

圖3 多周期同步測(cè)頻法原理

從a點(diǎn)開始，單片機(jī)外部中斷口INT0收到速度信號(hào)下降沿時(shí)，INT0中斷服務(wù)程序通過(guò)軟件觸發(fā)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器T0開始對(duì)計(jì)時(shí)脈沖m的計(jì)數(shù)（計(jì)時(shí)脈沖頻率為單片機(jī)時(shí)鐘頻率的1／12，單片機(jī)時(shí)鐘為12MHz，每個(gè)計(jì)時(shí)脈沖時(shí)間為10-6s），同時(shí)開啟對(duì)速度信號(hào)脈沖M的計(jì)數(shù)。之后速度信號(hào)脈沖每個(gè)下降沿到來(lái)時(shí)，INT0中斷服務(wù)程序在計(jì)數(shù)的同時(shí)還要查詢T0計(jì)時(shí)時(shí)間是否已超過(guò)預(yù)定的測(cè)頻時(shí)間t0（t0為1s）。當(dāng)計(jì)時(shí)時(shí)間超過(guò)t0時(shí)，單片機(jī)就停止T0的計(jì)時(shí)，同時(shí)也停止對(duì)速度信號(hào)脈沖的計(jì)數(shù)。這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)速度信號(hào)脈沖與計(jì)時(shí)脈沖的同步計(jì)數(shù)，所以f與M、t、m之間的關(guān)系可用式（2）表示。

將（2）式代入（1）式就得到v與D、M、m之間的關(guān)系如式（3）：

3 測(cè)量程序簡(jiǎn)介

測(cè)量程序主要有主程序、INT0中斷服務(wù)程序、T0中斷服務(wù)程序、顯示程序等。

3.1 主程序

主程序完成系統(tǒng)初始化及顯示測(cè)量結(jié)果的任務(wù)。系統(tǒng)初始化主要包括設(shè)置堆棧指針地址，內(nèi)部RAM存儲(chǔ)器清零，設(shè)置T0為16位定時(shí)器、T1為16位計(jì)數(shù)器、并預(yù)置T0與T1的初值，設(shè)置INT0、INT1為脈沖下降沿觸發(fā)方式，設(shè)置INT0為中斷優(yōu)先級(jí)，設(shè)置允許INT0、INT1與T0中斷等。

系統(tǒng)初始化結(jié)束后主程序通過(guò)不斷調(diào)用顯示程序的方法來(lái)顯示測(cè)量結(jié)果。

3.2 INT0中斷服務(wù)程序

INT0中斷服務(wù)程序用于對(duì)速度信號(hào)計(jì)數(shù)及控制T0、T1的運(yùn)行。當(dāng)INT0第一次收到速度信號(hào)下降沿時(shí)將T0、T1運(yùn)行控制位置1，這樣T0開始計(jì)時(shí)、T1開始計(jì)數(shù)，然后返回主程序。INT0隨后再中斷時(shí)將記錄速度信號(hào)脈沖數(shù)的RAM內(nèi)存單元加1，同時(shí)查詢標(biāo)志1s時(shí)間到的RAM內(nèi)存單元是否為1。查詢結(jié)果為0時(shí)馬上返回主程序，查詢結(jié)果為1表明計(jì)時(shí)時(shí)間已到，此時(shí)就停止T0計(jì)時(shí)，并且禁止一切中斷。隨后讀入T0計(jì)時(shí)與T1計(jì)數(shù)結(jié)果、讀入機(jī)車輪對(duì)直徑設(shè)置值D，按公式（3）計(jì)算獲得機(jī)車速度，再將速度計(jì)算結(jié)果與代表信號(hào)高電平電壓的T1計(jì)數(shù)值送往RAM內(nèi)存顯示單元供顯示程序使用。最后T0與T1重新置初值、將相關(guān)RAM內(nèi)存單元清0、開中斷后返回主程序。

3.3 T0中斷服務(wù)程序

T0的作用是控制速度信號(hào)與高電平電壓信號(hào)的采樣時(shí)間。由于時(shí)鐘頻率為12MHz時(shí)提供給定時(shí)器的脈沖時(shí)間間隔是1μs，16位定時(shí)器最長(zhǎng)定時(shí)時(shí)間只有65.536ms，因此必須采取多次計(jì)時(shí)的方法實(shí)現(xiàn)1s的定時(shí)時(shí)間。本程序采用每次定時(shí)62.5ms，16次完成1 s的定時(shí)任務(wù)。當(dāng)62.5ms定時(shí)時(shí)間到的時(shí)候執(zhí)行T0中斷服務(wù)程序，中斷服務(wù)程序先重新預(yù)置T0初值，然后將記錄T0中斷次數(shù)的RAM內(nèi)存單元加1，接著返回主程序。如果是第16次中斷還要將標(biāo)志1s時(shí)間到的RAM內(nèi)存單元置1并停止T1計(jì)數(shù)，然后返回主程序。

3.4 顯示程序

顯示程序的主要任務(wù)是將測(cè)量結(jié)果顯示出來(lái)，8位LED數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)掃描顯示方式。顯示程序先將要顯示的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為8位十進(jìn)制數(shù)，然后查表獲得某位十進(jìn)制數(shù)的段代碼（包括小數(shù)點(diǎn)），通過(guò)P0口輸出到每個(gè)數(shù)碼管。接著通過(guò)P1口輸送該位十進(jìn)制數(shù)所對(duì)應(yīng)數(shù)碼管的選通信號(hào)，使該位數(shù)碼管共陽(yáng)極端為高電平，并通過(guò)軟件延時(shí)保持一段時(shí)間，在這一段時(shí)間里只有該位數(shù)碼管亮，其余數(shù)碼管都不亮。該位數(shù)碼管顯示結(jié)束后再顯示另1位，如此8位不斷循環(huán)。由于每秒循環(huán)次數(shù)較多，人眼不會(huì)感覺閃爍。8位數(shù)碼管中的4位用于顯示機(jī)車速度，另外4位數(shù)碼管自動(dòng)輪流顯示機(jī)車輪對(duì)直徑與信號(hào)高電平電壓。

4 應(yīng)用

4.1 測(cè)量誤差

模擬裝置速度測(cè)量誤差主要來(lái)自單片機(jī)時(shí)鐘頻率穩(wěn)定度及頻率誤差。由于模擬裝置對(duì)速度信號(hào)頻率測(cè)量采用了測(cè)量精度較高的多周期同步測(cè)頻法，同時(shí)通過(guò)軟件修正單片機(jī)時(shí)鐘頻率誤差，因此模擬裝置速度測(cè)量誤差還是比較小的。模擬裝置在自制過(guò)程中用高精度信號(hào)發(fā)生器對(duì)其誤差進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)結(jié)果表明模擬裝置速度測(cè)量誤差為±（0.1%+0.1），完全能滿足機(jī)車檢修工作的需要。

為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，模擬裝置采用了較簡(jiǎn)單的信號(hào)高電平電壓測(cè)量電路，電壓測(cè)量誤差約為±（2%+0.1）。由于模擬裝置測(cè)量信號(hào)高電平電壓的目的是為了檢查機(jī)車電氣能識(shí)別的速度信號(hào)高電平電壓，其測(cè)量誤差不會(huì)對(duì)識(shí)別結(jié)果有實(shí)質(zhì)性的影響。

4.2 自校方法

自校時(shí)將圖1所示的模擬／測(cè)量開關(guān)K撥向測(cè)量位、將5芯插座第1腳與第4腳連接，此時(shí)開關(guān)K斷開、1 024Hz的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)就被用于自校，1 024Hz標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)高電平電壓被穩(wěn)壓管控制在10V。由于AD654構(gòu)成的電壓頻率（V／F）轉(zhuǎn)換電路有較好的線性，同時(shí)多周期同步測(cè)頻法能在較寬的頻率范圍內(nèi)獲得高精度的測(cè)量結(jié)果，所以只要用一個(gè)穩(wěn)定幅值與頻率的方波信號(hào)自校就能達(dá)到對(duì)模擬裝置測(cè)量精度進(jìn)行檢驗(yàn)的目的。

自校顯示的速度值要根據(jù)公式（1）計(jì)算，當(dāng)機(jī)車輪對(duì)直徑為1000mm時(shí)顯示值應(yīng)為57.9±0.2（km／h），信號(hào)高電平電壓自校顯示值應(yīng)為10±0.3（V）。

4.3 應(yīng)用情況

2010年試制了樣機(jī)在福州機(jī)務(wù)段福州檢修車間與邵武整備車間試用，2011年根據(jù)試用情況改進(jìn)后又自制了幾臺(tái)投入使用。

模擬／測(cè)量開關(guān)K在模擬位時(shí)，通過(guò)向靜止?fàn)顟B(tài)下的機(jī)車輸送模擬速度信號(hào)使相關(guān)電氣處于工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車電氣的動(dòng)態(tài)檢測(cè)。

模擬裝置5芯插座第4腳能輸出1路速度與高電平電壓可調(diào)的模擬速度信號(hào)，該信號(hào)可以通過(guò)機(jī)車上的接線端子輸送到輪緣涂油器、內(nèi)燃機(jī)車過(guò)渡裝置、電阻制動(dòng)裝置等機(jī)車電氣，調(diào)節(jié)電位器W1與W2改變模擬信號(hào)的速度與高電平電壓，觀察機(jī)車電氣動(dòng)作情況可判斷機(jī)車電氣的工作狀態(tài)。

模擬裝置通過(guò)5芯插座第1腳可以輸出1路頻率固定為1 024Hz的信號(hào)，該信號(hào)配合第4腳輸出的可調(diào)速模擬信號(hào)用于電力機(jī)車空轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的檢測(cè)。

模擬裝置還可以通過(guò)5芯插座第5腳及帶有輸出插頭的專用連接線代替光電傳感器向機(jī)車電氣輸送模擬速度信號(hào)。調(diào)節(jié)模擬信號(hào)速度，觀察機(jī)車電氣動(dòng)作情況可判斷該電氣的工作狀態(tài)、該電氣與機(jī)車車體外的光電傳感器之間的連接線路是否正常，此時(shí)為了判斷光電傳感器插座供電狀態(tài)，模擬裝置電源開關(guān)放置在關(guān)機(jī)位，15V工作電源從光電傳感器插座獲取。

模擬／測(cè)量開關(guān)K在測(cè)量位時(shí)，可以隨車檢測(cè)從5芯插座第4腳輸入的光電傳感器信號(hào)所反映的機(jī)車速度，也同時(shí)檢測(cè)光電傳感器輸出信號(hào)的高電平電壓。

5 結(jié)束語(yǔ)

為了能在機(jī)車靜止?fàn)顟B(tài)下對(duì)需要速度信號(hào)才能工作的機(jī)車電氣進(jìn)行檢修，機(jī)車速度信號(hào)模擬裝置是機(jī)車檢修工作中必需的檢測(cè)儀器。目前路內(nèi)也有單位制作了類似的檢測(cè)儀器，與同類檢測(cè)儀器相比模擬裝置有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

（1）采用獨(dú)特的方式設(shè)置機(jī)車輪對(duì)直徑，能在不卸下光電傳感器的情況下向機(jī)車電氣輸送模擬速度信號(hào)，使用方便。

（2）采用了與光電傳感器一樣的信號(hào)輸出電路，能準(zhǔn)確地模仿機(jī)車運(yùn)行中光電傳感器輸出的信號(hào)，有利于機(jī)車電氣故障的診斷。

（3）在機(jī)車運(yùn)行中，能快速與準(zhǔn)確地測(cè)量光電傳感器輸出信號(hào)所反映的機(jī)車速度，通過(guò)與機(jī)車實(shí)際運(yùn)行速度的比較可判斷相關(guān)電氣的工作狀態(tài)。

（4）具有速度信號(hào)高電平電壓測(cè)量顯示功能，通過(guò)測(cè)量機(jī)車電氣能識(shí)別的速度信號(hào)高電平電壓值有助于判斷其性能。

［1］TB／T2760.1-2010.機(jī)車轉(zhuǎn)速傳感器（第1部分）：光電轉(zhuǎn)速傳感器［S］.

［2］孫育才.MCS-51系列單片微型計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用［M］.南京：南京大學(xué)出版社，1992.

［3］張雪平.單片機(jī)多周期同步法提高測(cè)頻準(zhǔn)確度［J］，電子測(cè)量技術(shù)，2004，（3）：60-61.