基于PC104的放線車檢測系統硬件設計

姜和泰

（中國空空導彈研究院 河南 洛陽 471009）

在高速電氣化鐵路建設過程中，鐵路接觸網的設計施工技術標準提高，恒張力放線的作用就是以恒定的張力將承力鎖索和接觸線進行架設，使接觸線少產生扭面，硬點，給電力列車提供穩定的電流[1]。因此，恒張力放線在施工中被廣泛采用。

目前，國外設計生產恒張力放線車的廠家主要是從奧地利的普拉賽、意大利的吉斯瑪、歐瑪克、太斯米克、德國的ZECK[2]，但是這些進口放線車都是按照其本國的施工條件來進行設計制造的，其機械性能和配套設施等方面不能完全滿足我國的的實際施工條件，而且造價很高。因此，研發生產有自主知識產權的，符合我國實際國情需要的恒張力放線設備具有十分重要的意義。本檢測系統即為我國自行設計的恒張力放線架的配套檢測裝置，對施工過程中的放線車的液壓系統、氣壓系統、放線張力以及放線車行走速度等進行實施監測。

1 總體方案設計

本系統在設計過程中面臨著設計周期短、可靠性要求高等問題，所以在設計過程中選擇了基于PC104總線的嵌入式工控機為硬件平臺。其主要特點包括：小尺寸結構，堆棧式針孔連接，有很好的抗震性；6 mA總線驅動使模塊正常工作，低功耗，減少元件數量；自我堆棧式連接，無須母板[3]。

系統中需要采集調理的傳感器輸出信號包括：4路放線張力傳感器信號、2路基準汽缸傳感器信號、2路放線盤角度傳感器信號、4路液壓傳感器信號、1路進氣氣壓傳感器信號、2路放線速度傳感器信號。由于電流信號在傳輸過程中比電壓信號有更強的抗干擾能力，所以張力傳感器、基準汽缸氣壓傳感器、角度傳感器、液壓傳感器、進氣氣壓傳感器在選型過程中均選擇4～20 mA的標準輸出信號。轉速傳感器選擇非接觸式測量，0～5 V脈沖輸出的傳感器。

信號采集調理系統如圖1所示。由FPGA控制多路選擇器選擇1路4～20 mA的電流信號進行I/V轉換后送入A/D進行模數轉換，0～5 V的轉速傳感器脈沖信號通過光耦和遲滯比較電路整形為規則的方波信號，在FPGA內用Verilog HDL語言實現測速邏輯，最后通過PC104總線采集模塊將數據送入嵌入式工控機。

圖1 系統結構圖Fig.1 System structure diagram

2 關鍵硬件電路設計

在多路選擇開關的選擇中，為了降低系統誤差應該選擇低導通電阻，低泄漏電流的器件，這里選擇MAX4638。A/D模數轉換芯片選擇高性價比的AD1674，AD1674為12位的AD轉換芯片，其采用逐次比較方式工作，轉換速率可達100 KSPS，其片內集成了采樣保持器，簡化了電路設計。

2.1 I/V轉換電路設計

為了把模擬的電流信號轉化為工控機可識別的數字信號需要先把電流信號轉化為電壓信號，本系統中將4～20 mA電流轉化為0～10 V的電壓信號。I/V轉換常用的有兩種轉換電路：1）使用專用的 I/V轉換芯片設計電路，如RCV420；2）使用集成運算放大器設計轉換電路。使用第一種方法電路設計簡單，但增加了成本和系統功耗，第二種方法電路也比較簡單也能實現較好的線性度。這里選用第二種方法實現，電路如圖2所示。

圖2 I/V轉換電路Fig.2 I/V converter circuit

電路中取電阻 R2=R3，R7=R6，R4，R5應該取相對較小的電阻，以降低傳感器的驅動和電路的測量誤差，電路的放大倍數為R7/R2。在信號輸出端添加RC濾波器濾除系統中引入的干擾信號，增強采集信號的穩定性。

2.2 遲滯比較電路設計

由于系統工作在較復雜的外部環境當中，在實際運行過程中轉速傳感器可能受到各種干擾，在輸出信號中包含毛刺信號。使用遲滯比較電路可以有效的消去干擾毛刺，將不規則的信號整形為規則的方波信號。原理電路如圖3所示。

圖3 遲滯比較電路及傳輸特性Fig.3 Comparing circuit with hysteresis and output characteristics

設運放理想并利用疊加定理可求出上門限電壓Vt+和下門限電壓VT-分別為[4]：

3 放線速度的測量邏輯設計

恒張力放線車在放線過程中，導線必須經過張力設定盤，因此可以通過測量張力盤的轉速來確定實際的放線速度。張力設定盤轉速的測量通過非接觸式脈沖傳感器采集轉速信號。轉速測量主要有兩種方法，分別為：1）測頻法：記錄在確定時間Tc內待測信號的脈沖個數M，則待測頻率F=M/TC；2）測周法：在待測信號的一個周期TX內，記錄標準頻率信號的變化次數M，則待測信號的頻率F=M/TX[6]。測周法在待測信號頻率較低時測量誤差較小。張力放線車在施工過程中放線速度小于10 km/h，大于1 km/h，張力設定盤每轉一圈轉速傳感器輸出6個脈沖信號，故本系統采用測周法。以10 M的晶振經FPGA內部邏輯分頻后產生100 K的方波信號為標準的頻率信號。

4 系統誤差分析

4.1 傳感器輸出4～20 mA電流信號的測量精度

根據系統要求，在實驗室中搭建了實驗校準平臺。向采集調理板中分別輸入 4 mA、8 mA、12 mA、16 mA、20 mA 的模擬傳感器信號，工控機采集到的數據如表1所示。

表1 采集調理電路誤差分析Tab.1 Error analysis of acquisition and conditioning circuit

ΔA為測量范圍內允許的絕對誤差，YFS為滿量程輸出值。由表1可以看出測量精度誤差最大的是第4組，測量相對誤差為0.015%，遠小于系統測量精度不大于1%的要求，硬件部分具有良好的線性度。

4.2 轉速傳感器脈沖信號的測量精度

轉速脈沖采用測周法測量轉速，根據其測量原理，測量誤差主要來自于基準頻率信號，測量邏輯產生的基準頻率信號的誤差小于3個基準信號周期，可以通過提高基準頻率的方法降低測量誤差。當放線速度10 km/h，基準頻率100 kHz時，測量相對誤差=誤差基準信號周期個數/1個被測信號周期內基準頻率信號計數個數。被測信號周期最小約為0.38 s，一個周期內基準頻率信號計數值約為3.8×104，測量誤差≈7.9×10-3%。遠小于測試精度要求。

由公式I=VK1+K0代入輸入電流I和實測電壓V的第一組和第五組數據計算出K0，K1。根據系統要求取測試設備精確度為系統測量精度指標，這個數值是傳感器和測量儀表在規定條件下允許的最大絕對誤差值相對于其測量范圍的百分數，它可以用下式表示[6]：

5 結 論

文中所研究的恒張力放線車綜合檢測系統硬件部分是一種基于PC104模塊設計的高可靠性的、多參數測量的綜合檢測裝置。基于PC104總線模塊的設計使系統結構緊湊，可靠性高，簡化了系統設計。本系統中，使用簡單的電路設計，選擇使用廣泛、性價比高的元器件很好的實現了設計要求，節約了成本，保證了可靠性。

[1]葉永欽.提高恒張力放線車防線精度的分析與探討[J].科技信息，2011（16）：722-723.

YE Yong-qin.Analysisand discussion on thepay-off precision of pay-off train with constant tension[J].Science&Technology Information，2011（16）:722-723.

[2]安玉濤.淺析接觸網恒張力放線車結構與功能的基本要求[J].石家莊鐵路職業技術學院學報，2007（6）：61-63.

AN Yu-tao.Analysis on the basic requirement of structure and function of overhead contact line pay-off train with constant tension[J].Journal of Shijiazhuang Institute of Railway Technology，2007（6）:61-63.

[3]王紅宣，杜壁秀，余毅，等.一種PC104總線多功能模塊設計[J].機電工程技術，2005，34（7）：17-19.

WANG Hong-xuan，DU Bi-xiu，YU Yi，et al.The design of PC104 multifunctional module[J].Machine Development，2005，34（7）:17-19.

[4]康華光.電子技術基礎-模擬部分[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

[5]古天翔，王厚軍，習友寶.電子測量原理[M].北京：機械工業出版社，2004.

[6]張佳薇，張麗萍，宋文龍.傳感器原理與應用[M].哈爾濱：東北林業大學出版社，2003.