袁開鴻

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 株洲 412001）

基于ATmega32的便攜式車門壓力測(cè)試儀的研制

袁開鴻

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 株洲 412001）

車門壓力測(cè)試儀為便攜手持式結(jié)構(gòu)，采用專用壓力測(cè)試傳感器和測(cè)試管理系統(tǒng)組成，專門用于檢測(cè)地鐵車輛客室車門關(guān)緊力、最小障礙物探測(cè)，及車門防夾保護(hù)功能檢測(cè)。設(shè)備能夠設(shè)置和記錄開關(guān)門次數(shù)、時(shí)間、試驗(yàn)項(xiàng)目，系統(tǒng)可以自動(dòng)有效的完成試驗(yàn)要求并自動(dòng)記錄試驗(yàn)結(jié)果生成報(bào)表。

機(jī)車車門壓力；AVR單片機(jī)；控制系統(tǒng)；滑動(dòng)濾波

車輛車門尤其是列車等高速運(yùn)行車輛的車門是一個(gè)安全性能要求較高的產(chǎn)品，其各項(xiàng)性能指標(biāo)必須保持在一個(gè)相對(duì)安全的取值范圍內(nèi)，以保證車輛的安全運(yùn)行。這不僅要求制造廠家在產(chǎn)品制造過程中需要測(cè)試這些參數(shù)，同時(shí)在產(chǎn)品投入使用后的檢修保養(yǎng)過程中也需要檢測(cè)這些參數(shù)，做為產(chǎn)品的安全使用提供必要的參考信息[1-2]；長(zhǎng)期以來，由于我國(guó)對(duì)檢測(cè)儀器的研制重視不夠，通常的檢測(cè)手段主要是靠檢測(cè)人員借助多種手工工具輔助進(jìn)行。

目前對(duì)于車門壓力的檢測(cè)方式多靠檢測(cè)人員借助手工工具進(jìn)行檢測(cè)，這種檢測(cè)方式的主要缺陷是：1）測(cè)試裝置笨重，攜帶及操作不便；2）測(cè)試數(shù)據(jù)必須手動(dòng)記錄，信息的交流不便；3）測(cè)試適靠人工憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，測(cè)試精度沒有保障；4）安全性差；5）測(cè)試的效率低。

本文研制的便攜式車門壓力檢測(cè)儀，采用專用壓力測(cè)試傳感器和測(cè)試管理系統(tǒng)組成，專門用于檢測(cè)地鐵車輛客室車門關(guān)緊力、最小障礙物探測(cè)，及車門防夾保護(hù)功能檢測(cè)。設(shè)備能夠設(shè)置和記錄開關(guān)門次數(shù)、時(shí)間、試驗(yàn)項(xiàng)目，系統(tǒng)可以自動(dòng)有效的完成試驗(yàn)要求并自動(dòng)記錄試驗(yàn)結(jié)果生成報(bào)表。設(shè)備采用USB方式作業(yè)轉(zhuǎn)存接口[3-4]。

1 總體方案

本系統(tǒng)由ATmega32作為主控板的主控芯片。設(shè)計(jì)包括壓力采集系統(tǒng)、控制接口與顯示系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊、以及異常報(bào)警模塊[5-7]。其主系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 主系統(tǒng)框圖Fig.1 Diagram of system

2 ATmega32簡(jiǎn)介

Atmega32單片機(jī)是一款基于AVR R ISC、低功耗COMS的8位單片機(jī)，由于在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令，Atmega32單片機(jī)可以達(dá)到接近16M IPS/MHz的性能.它的主要性能如下:

1）高性能，低功耗的8位AVR微控制器；

2）先進(jìn)的R ISC精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)，130條功能強(qiáng)大的指令，大部分在單時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行，片內(nèi)帶有執(zhí)行時(shí)間為兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器；

3）片內(nèi)帶32K字節(jié)的在線自編程 FLASH（擦寫次數(shù)1 000次），1024個(gè)字節(jié)的EEPROM （擦寫次數(shù)100 000次），2K字節(jié)內(nèi)部SRAM，并具有程序加密功能；

4）兩個(gè)帶預(yù)分頻器和一種比較模式的8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)帶預(yù)分頻器和比較模式，捕獲模式的16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，具有計(jì)數(shù)功能，且有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘 （RTC）；4路PWM通道；8通道的A/D轉(zhuǎn)換器，其中包括:6路10位轉(zhuǎn)換精度的通道，2路8位轉(zhuǎn)換精度的通道；帶片內(nèi)晶振的可編程看門狗定時(shí)器；片內(nèi)模擬比較器；

5）典型的微控制器特性:上電復(fù)位和可編程的欠電壓檢測(cè)；在內(nèi)部可校準(zhǔn)的RC振蕩器；外部和內(nèi)部的中斷源共18個(gè)；

6）高速超低功耗。

在ATMEL公司的單片機(jī)家族中，ATmega32是一個(gè)非常特殊的單片機(jī)，它采用Harvard結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)部集成了較大容量的存儲(chǔ)器和豐富強(qiáng)大的硬件接口電路，高速低功耗，低成本，非常適合用來設(shè)計(jì)便攜式車門壓力檢測(cè)儀裝置.

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 傳感器介紹

壓力傳感器采用量程500N的電阻應(yīng)變式壓力傳感器，該傳感器采用S型彈性元件結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的自然性，精度高，抗偏載側(cè)向能力強(qiáng)；

3.2 硬件電路設(shè)計(jì)

3 .2 .1 信號(hào)調(diào)理電路

采集系統(tǒng)主要是采集車門壓力信息，把車門壓力值經(jīng)過信號(hào)處理放大后送入MCU數(shù)字化，以供作為判斷壓力是否屬于安全壓力范圍和異常報(bào)警依據(jù)。信號(hào)調(diào)理電路如圖2。

圖2 信號(hào)調(diào)理電路Fig.2 Signal conditioning circuit

3 .2 .2 電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)主要是為各個(gè)系統(tǒng)供電，裝置主要需要5 V、3.3 V等電源，均采用模塊化的DC-DC開關(guān)電源，DC-DC開關(guān)電源具有極寬的輸入范圍。所有電源均設(shè)計(jì)有保護(hù)電路。這樣的設(shè)計(jì)有助于提高系統(tǒng)的可靠性。

3 .2 .3 人機(jī)交互界面

采用3.5寸彩色液晶屏，該顯示器采用TFT總線型，具有全硬件實(shí)現(xiàn)。 不死機(jī)，穩(wěn)定可靠。其液晶模塊圖如圖3所示。

3 .2 .4 存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)采用24C32（32K Bit存儲(chǔ)容量），在優(yōu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式后可以保存數(shù)據(jù)1 000組，滿足現(xiàn)場(chǎng)使用的需求。存儲(chǔ)器采用IIC兩線制接口，節(jié)省單片機(jī)資源。如圖4所示。

圖3 液晶模塊Fig.3 LCD module

圖4 存儲(chǔ)器電路Fig.4 Memory circuit

3.3 軟件設(shè)計(jì)

ATmega32在軟件上能有效支持C語(yǔ)言及匯編語(yǔ)言。C語(yǔ)言目前已成為設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言，它既有普通高級(jí)語(yǔ)言結(jié)構(gòu)化編程、可讀性好、維護(hù)方便的特點(diǎn)，又具有匯編等低級(jí)語(yǔ)言對(duì)硬件訪問方便、代碼效率高的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)是用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)的，具有很好的可移植性，其程序流程圖如圖5所示。

圖5 軟件設(shè)計(jì)流程Fig.5 Flow of software design

車門壓力測(cè)試儀最重要的數(shù)據(jù)來源就是車門壓力。車門壓力通過專用的車門壓力傳感器，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為弱電信號(hào)。單片機(jī)對(duì)弱電信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)的采樣隨著車門的壓力波動(dòng)很大，這時(shí)濾波程序設(shè)計(jì)的好壞就非常重要。下面介紹下程序里的濾波部分：

濾波的方法有很多種，幾種嵌入式常用的濾波方法為：中位值濾波，算術(shù)平均濾波，滑動(dòng)濾波等。

在試過了幾種濾波算法的效果之后，我們采用了滑動(dòng)濾波，程序代碼如下：

程序思路為：先將采樣數(shù)據(jù)放置到 gu32First數(shù)組里，在根據(jù)菜單的配置選擇gu32First的數(shù)組濾波的個(gè)數(shù)，每8個(gè)一組。選的組數(shù)越多濾波越大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)越慢。所以可以根據(jù)使用情況對(duì)濾波進(jìn)行調(diào)整。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于ATmega32單片機(jī)的便攜式車門壓力測(cè)試儀具有響應(yīng)速度快、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，并且減少了外圍接口器件，提高了系統(tǒng)工作可靠性。

在實(shí)際應(yīng)用中能實(shí)時(shí)測(cè)試各種常用車門的性能指標(biāo)，具有使用簡(jiǎn)單、可靠、維修方便、容易、操作安全、靈活等多種優(yōu)點(diǎn)，具有輸出拉力直接顯示，和數(shù)據(jù)保存功能。方便后期的數(shù)據(jù)分析，為各種機(jī)車車門的設(shè)計(jì)提供了重要的測(cè)試數(shù)據(jù)。

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Development of portable door pressure testing instrument based on ATmega32

YUAN Kai-hong
（Hunan Railway Professional Technology College， Zhuzhou 412001， China）

The pressure tester for portable hand-held structure，composed of the special pressure testing sensor and test management system，Specifically for the detection of metro vehicle passenger compartment door shutting force，minimum obstacle， and door anti-pinch protection function detection， Equipment can be set and record the door number， time， test items，the system can automatically achieve testing requirements and automatically record the test results report generation.

Locomotive door pressure；AVR MCU；control system；Sliding filter

TN710

A

1674-6236（2014）02-0191-03

2013-06-09 稿件編號(hào)：201306068

袁開鴻（1964—），男，湖南株洲人，講師。研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用、應(yīng)用電子技術(shù)。