道岔電流功率測試儀的設(shè)計與應(yīng)用

摘 要：道岔電流功率測試儀是一種手持式便攜設(shè)備。文章介紹了道岔電流功率測試儀的系統(tǒng)構(gòu)成、模塊化程序設(shè)計方法和功能實現(xiàn)。現(xiàn)場試驗證明，這種測試儀方便可靠，極大地減輕鐵路工作人員檢修強度。

關(guān)鍵詞：道岔；鐵路微機監(jiān)測；數(shù)據(jù)采集

引言

目前鐵路部門是將轉(zhuǎn)轍機的電壓電流采集出來傳送至監(jiān)測機房，由監(jiān)測計算機顯示功率曲線。為了便于鐵路工程技術(shù)人員在設(shè)備檢修時能夠現(xiàn)場觀察道岔動作時電壓電流功率值，于是開發(fā)出了道岔電流功率測試儀。這種測試儀能解決實際問題，具有廣闊的市場前景。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個測試儀的系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。根據(jù)功能劃分，整個測試儀大致可分為信號采集部分、存儲顯示部分、電量管理部分和上位機程序。

信號采集部分MCU2使用Freescale公司的微控制器MCF51AC256作為主處理芯片，包括線性放大器，多路模擬開關(guān)，采樣保持器，A/D轉(zhuǎn)換器等信號調(diào)理電路。其中電流測量采用5A互感型電流鉗表。

顯示控制部分MCU1使用另一塊MCF51AC256作為核心單元，包括顯示屏、鍵盤、數(shù)據(jù)存儲器AT24C1024B和時間芯片DS1302等構(gòu)成。顯示器是上海朗睿科技公司的3.5英寸LCD，EEPROM存儲器AT24C1024B，可保存至少20條曲線，時鐘芯片采用DS1302用于提供保存曲線的時間依據(jù)。

電量管理部分由8.4V鋰電池、電量計IC DS2781、開關(guān)芯片LTC2950-2、電壓轉(zhuǎn)換芯片AOZ1016AI等構(gòu)成。

上位機程序采用RS232與測試儀通信，PC機操作程序發(fā)出命令讀取測試儀保存曲線數(shù)據(jù)，并在PC機上進行顯示。

2 應(yīng)用程序設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求，系統(tǒng)將應(yīng)用程序大致分為數(shù)據(jù)采集、UART通信、數(shù)據(jù)存儲和界面顯示等任務(wù)。

2.1 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

系統(tǒng)需要采集三路電壓和三路電流信號。在MCF51AC256中，AD模塊不能連續(xù)進行通道轉(zhuǎn)換，需要指定AD通道順序。初始化后，定時觸發(fā)高速A/D轉(zhuǎn)換器對其激活的某一個通道上的模擬信號進行采樣、保持，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，存儲在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。待轉(zhuǎn)換完成后，指定下一次轉(zhuǎn)換觸發(fā)時間和觸發(fā)通道。六路AD通道都轉(zhuǎn)換完成后，設(shè)定為數(shù)據(jù)采集一次。數(shù)據(jù)采集64次后，采用平均值來進行數(shù)字濾波，得到的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)存儲區(qū)中。

在數(shù)據(jù)采集的同時，判斷電流值是否大于某一固定值，若大于，將曲線準(zhǔn)備位置位，并將數(shù)據(jù)存放在曲線存儲區(qū)中，如曲線存儲區(qū)長度大于25，將曲線發(fā)送標(biāo)志位置位，MCU2可以向MCU1發(fā)送曲線數(shù)據(jù)；若曲線準(zhǔn)備位已經(jīng)置位，判斷電流值是否小于某一固定值，若小于，將曲線結(jié)束位置位。

2.2 UART通信程序設(shè)計

兩個MCU之間的采用UART通信交換數(shù)據(jù)。在設(shè)計中，UART通信均采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus_RTU協(xié)議。在兩個MCU通信中，MCU1設(shè)定為主機，MCU2設(shè)為從機。根據(jù)顯示屏顯示曲線界面的不同，主機向從機發(fā)送不同的查詢命令。從機回應(yīng)主機命令，并根據(jù)命令碼的不同向主機發(fā)送不同的曲線數(shù)據(jù)。

主機收到從機回應(yīng)信息，計算回應(yīng)信息的CRC校驗碼，校驗正確，將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；校驗錯誤，丟棄回應(yīng)信息[4]。主機通過定時器每500ms定時發(fā)送查詢命令，由于LCD實時值界面每1s刷新一次，可以認(rèn)為檢測、顯示具有較好的實時性。

2.3 存儲程序設(shè)計

MCU1收到MCU2回應(yīng)的數(shù)據(jù)后，判斷曲線準(zhǔn)備位是否為1，如為1，先將數(shù)據(jù)存順序放在緩沖區(qū)數(shù)組里，如果準(zhǔn)備位為0，這時查看曲線結(jié)束標(biāo)志位是否為1，若曲線結(jié)束位為1，說明曲線已結(jié)束，如果這時鍵盤上“保存”鍵被按下，保存標(biāo)志置位1，系統(tǒng)程序會將緩沖區(qū)數(shù)組里的全部數(shù)據(jù)保存在外部EEPROM芯片中。

2.4 界面顯示程序設(shè)計

液晶模塊在正常工作之前，需要系統(tǒng)初始化、寫入指令代碼、寫入數(shù)據(jù)三個步驟才能正常工作。在指令、數(shù)據(jù)寫入的過程中要注意時序問題，如果時序過短，會導(dǎo)致指令、數(shù)據(jù)無法正確寫入液晶模塊，而造成信息無法顯示或出現(xiàn)花屏現(xiàn)象。同時設(shè)計中利用內(nèi)存繪圖的技術(shù)。將需顯示的圖形繪制在內(nèi)存位圖中。然后再拷貝到屏幕上，這樣就很好地解決了屏幕閃爍的問題。

系統(tǒng)設(shè)置了三個曲線界面（總功率曲線界面、分功率曲線界面、電流曲線界面）、一個設(shè)置界面和一個實時值界面。

曲線界面以總功率曲線界面為例，首先設(shè)置坐標(biāo)軸與位移量，其中橫坐標(biāo)軸是曲線時間，每25個像素點1s，縱坐標(biāo)是功率值，默認(rèn)每一個像素點1W。當(dāng)曲線的時間大于11s或者功率值大于縱坐標(biāo)最大值時，界面會自動調(diào)整時間軸和功率軸，使坐標(biāo)軸與曲線值相匹配。

實時值界面包含時間、電池電量、實時電能值和矢量圖，通過功率值的正負(fù)和矢量圖的方向，可以很容易地幫助鐵路工程人員進行道岔交流電相位的判斷。

3 結(jié)束語

道岔電流功率測試儀的設(shè)計采用雙MCU結(jié)構(gòu)，采用LCD構(gòu)建良好的人機交互界。使用鋰電池供電便于操作人員通過鍵盤來采集道岔動作時電流功率數(shù)據(jù)，且通過運行曲線可以更直觀地掌握道岔的運行狀態(tài)。系統(tǒng)具有實時顯示道岔動作時的電壓、電流、功率、頻率、相角、功率因數(shù)及設(shè)置參數(shù)等功能。目前該產(chǎn)品已經(jīng)在實際中使用，且運行正常。

參考文獻

[1]上海朗睿電子科技有限公司.工業(yè)彩色液晶顯示產(chǎn)品選型手冊

V1.6[Z].

[2]AT24C1024B Two-wire Serial EEPROM[Z].

[3]DS1302涓流充電時鐘保持芯片的原理與應(yīng)用[Z].廣州：廣州周立功單片機發(fā)展有限公司.

[4]Modbus通訊協(xié)議[Z].廣州：廣州周立功單片機發(fā)展有限公司.

作者簡介：陶紅軍（1984-），男，漢族，籍貫：湖南永州，杭州祥元電子科技有限公司，大學(xué)學(xué)歷，助理工程師，研究方向：鐵路微機信號的采集與計算。