軌道轉(zhuǎn)轍機(jī)功率傳感器設(shè)計(jì)

畢業(yè)設(shè)計(jì)論文］題目：軌道轉(zhuǎn)轍機(jī)功率傳感器設(shè)計(jì)系另U：電氣與電子工程系專業(yè)：電氣工程及其自動化姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：河南城建學(xué)院2010年05月23日摘要電動轉(zhuǎn)轍機(jī)是鐵路系統(tǒng)中一種重要的電氣信號設(shè)備，它的主要作用是改變鐵路道岔的開通方向，并反映道岔的狀態(tài)位置。轉(zhuǎn)轍機(jī)的可靠動作對提高鐵路運(yùn)輸效率和保證行車安全起著至關(guān)重要的作用。隨著鐵路向電氣化和高速化發(fā)展，鐵道部為確保行車安全，對鐵路電務(wù)設(shè)備的檢測與維修提出了更高的要求。作為道岔轉(zhuǎn)換裝置，轉(zhuǎn)轍機(jī)是實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖控制的關(guān)鍵設(shè)備，其有功功率和動作電流是考查轉(zhuǎn)轍機(jī)電氣特性的重要指標(biāo)。信號微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)是保證行車安全、提高各種設(shè)備測量精度、快速準(zhǔn)確解決出現(xiàn)的各種問題不可缺少的機(jī)制。本文設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于工業(yè)場合的三相電動機(jī)功率在線監(jiān)測系統(tǒng)。它采用多參數(shù)電能采集芯片ATT7022A來采集和處理數(shù)據(jù)，以RS-485實(shí)現(xiàn)C8051F410單片機(jī)與PC機(jī)之間的通信，通過采集鐵路道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)啟動及工作過程中的電流和功率，實(shí)現(xiàn)對工業(yè)場合三相電動機(jī)故障的在線監(jiān)測。通過現(xiàn)場實(shí)際使用，證明了該裝置具有高精度、低功耗、可靠性高,抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：電動轉(zhuǎn)轍機(jī)；在線監(jiān)測；RS-485通信；電磁干擾；鐵路信號AbstractElectricswitchmachineisakindofimportantrailwaysystemofelectricalsignalequipmentwhichmainfunctionistochangethedirectionofrailwayyardopened,andreflectsthestateofrailpositions.switchmachines5sreliabilitymovementplaysavitalroleinimprovingrailwaytransportationefficiencyandensuringsafety.Withthedevelopingofrailwayelectrificationandhigh-speed,toensuresafety,theministryofrailwayministryinspectionandmaintenanceoftheequipment,putforwardhigherrequest.Switchmathineistherailtransitiondevicewhichisthekeytorealizeinterlockscontrollingequipment.Itsactivepowerandcurrentaretheimportantnormforinspectingswitchmachine5sElectricalcharacteristics.Signalmonitoringsystemisaindispensablemechanisminwhichcanguaranteesafty,andimprovevariousequipmentmeasureingprecision,simultaneously,itcansolvevariousproblemsfastlyandaccurately.Thispaperdescribesthedesignandimplementationofanon-linemonitoringsystemwidelyusedintherailwayindustry,whichcandetectthree-phaseelectricalpowerbycollectingthecurrentandthepowerofrailwaybifurcatedswitchthroughoutitsstartupandworkingperiods.Thisschemeadoptsthemulti-parameterenergycollectingchipATT7022Afordatacollectionandprocessing,andusesthe485bustoimplementcommunicationbetweenC8051F410andPC.Anditisprovedtohavesomeadvantagesofhigh-precision,low-energyconsumption,highreliabilityandhighabilitythroughaperiodoflocalfielduse.Key:Electricswitchmachine;On-linemonitor;RS-485communication;Electromagneticinterference;Railwaysignal第一章緒論1.1課題研究背景及意義在鐵路現(xiàn)場操作中，鐵路監(jiān)測信號具有非常重要的作用。鐵路信號監(jiān)測系統(tǒng)的可靠運(yùn)行保障了鐵路系統(tǒng)的正常運(yùn)作，隨著鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展需要以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，行車安全條件的檢查逐步由運(yùn)營管理保證行車安全的措施過度到技術(shù)措施來進(jìn)行保障，已經(jīng)基本上形成了以自動控制為手段的系統(tǒng)。隨著鐵路信號監(jiān)測技術(shù)的逐步成熟，鐵路信號系統(tǒng)已經(jīng)成為一種重要的技術(shù)手段，它是提高運(yùn)輸效率、實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸管理自動化和列車運(yùn)行自動控制、改善鐵路員工工作現(xiàn)場環(huán)境以及保證鐵路行車安全必不可少的措施。目前我國鐵路信號監(jiān)測系統(tǒng)與世界上發(fā)達(dá)國家的信號技術(shù)裝備目前還存在一定得差距。在我國自行研制的系列中大部分是一個系統(tǒng)集成的過程，調(diào)度集中、調(diào)度監(jiān)督設(shè)備也都是利用已經(jīng)成型的標(biāo)準(zhǔn)軟、硬件產(chǎn)品和操作系統(tǒng)按模塊化組成的系統(tǒng)，并且缺乏大面積采用調(diào)度集中行車方式的普遍經(jīng)驗(yàn)，與國外的高速鐵路調(diào)度中心完全運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)不間斷指揮全線列車運(yùn)行的方式還有很大的差距［1］。為此我國非常重視存在的差距，提出了鐵路方向跨越式發(fā)展戰(zhàn)略，經(jīng)過全國鐵路六次大規(guī)模提速，提速技術(shù)與裝備已得到廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了鐵路全行業(yè)相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，帶動了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。1.2我國微機(jī)監(jiān)測發(fā)展概況我國目前部分使用的信號監(jiān)測系統(tǒng)，是由先進(jìn)的微機(jī)技術(shù)與鐵路信號相結(jié)合的新一代鐵路信號監(jiān)測系統(tǒng)。它完善了原有的監(jiān)測方法并進(jìn)一步的提出了新的合理的維修測試方式，鐵路信號監(jiān)測系統(tǒng)是保證鐵路行車安全、提高運(yùn)輸效率的不可或缺的輔助設(shè)備。該監(jiān)測系統(tǒng)減少了維修對運(yùn)輸?shù)母蓴_，逐步邁向?qū)崿F(xiàn)預(yù)防性狀態(tài)修護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)，使信號設(shè)備處于可靠運(yùn)行和實(shí)時全面的受控狀態(tài)的檢測系統(tǒng)。它還具有一定程度的診斷報警的能力。電氣集中微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)在我國各種規(guī)模車站的使用已有二十多年的歷史，剛開始的八十年代初期以單片機(jī)為核心的檢測控制裝置，在全國范圍內(nèi)相繼研制生產(chǎn)出可以替代人工完成電氣特性一級測試項(xiàng)目測試的信號微機(jī)檢測裝置。到九十年代中期，經(jīng)過不斷的經(jīng)驗(yàn)積累、開發(fā)研制、改進(jìn)提高，增加和改進(jìn)了監(jiān)測目標(biāo)的范圍。一直以來，我國鐵路信號監(jiān)測系統(tǒng)一直致力于走自主發(fā)展的道路，現(xiàn)今已基本上發(fā)展成體系完整、設(shè)計(jì)、工業(yè)生產(chǎn)、施工維修的一整套信號系統(tǒng)。但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步及市場經(jīng)濟(jì)對我國整個技術(shù)層面都有不小的影響，對鐵路大環(huán)境也有較大的沖擊，鐵路相關(guān)的技術(shù)部門以及公司紛紛成立，主動尋求自身發(fā)展，進(jìn)行大提速，改變長期低速運(yùn)行的模式。列車速度的不斷提高，對鐵路信號系統(tǒng)提出更高的要求。保證列車的安全進(jìn)出站、全面的實(shí)現(xiàn)自動控制、行車指揮調(diào)度、信息管理都提出了越來越高的要求，而在此時，看到現(xiàn)今我國鐵路信號的發(fā)展會發(fā)現(xiàn)我國已經(jīng)建立起來的這套體系卻顯得作用有限。將會阻礙向更高一步要求的進(jìn)步。因此我國鐵路信號相關(guān)產(chǎn)業(yè)部門如何抓住時機(jī)尋求發(fā)展、迎接挑戰(zhàn)是當(dāng)今我們必須思考和解決的問題。1.3本論文的主要工作本論文的主要工作內(nèi)容包括以下幾個方面：1）分析監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和使用方面的要求，包括系統(tǒng)的測量精度，輸入輸出規(guī)格，通信協(xié)議，使用環(huán)境以及電磁兼容方面的要求等。在對監(jiān)測模塊的設(shè)計(jì)要求充分分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體構(gòu)架，同時分析了滿足系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)的方法。2）根據(jù)體統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求和總體框架完成對系統(tǒng)各個電路模塊的設(shè)計(jì)。其中包括設(shè)計(jì)軌道轉(zhuǎn)轍機(jī)功率傳感器的設(shè)計(jì)，以及完成對傳感器信號進(jìn)行調(diào)整的傳感器信號調(diào)整電路；完成電流源的設(shè)計(jì)；完成對采集數(shù)據(jù)處理的處理模塊;完成強(qiáng)抗干擾能力的設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)了專用于程序的調(diào)試接口電路；以及給模塊提供工作必需的電源電路等。3）根據(jù)系統(tǒng)功能要求完成對系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。其中包括：a）各硬件設(shè)備的驅(qū)動控制程序，如：數(shù)據(jù)讀取程序、PWM輸出轉(zhuǎn)換程序，濾波程序等。b）上位機(jī)軟件程序，主要用于數(shù)據(jù)的存儲，以及方便工作人員的操作。4）總結(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)及不足之處，找到改進(jìn)措施。第二章現(xiàn)場結(jié)構(gòu)概述2.1具體的現(xiàn)場說明2.1.1道岔定位位置的確定道岔定位的確定主要考慮因素有以下兩個：首先是保證進(jìn)出列車的安全性，對于某些因其所處位置不同而會影響行車安全的道岔，應(yīng)當(dāng)以引向安全位置做為定位的原則。其次是從設(shè)備的可維護(hù)性和減輕工作人員的勞動強(qiáng)度以及提高效率等方面考慮，相關(guān)道岔應(yīng)以開向作業(yè)比較繁忙的線路為定位的原則。在進(jìn)路使用完畢后并不要求道岔自動恢復(fù)到原來的狀態(tài)位置，道岔在沒有用到的時候可以處于兩個位置中的任意一個位置。如果聯(lián)鎖失效則仍以手動方式搬動道岔。2.1.2道岔、警沖標(biāo)坐標(biāo)的計(jì)算在電氣比較集中車站中，道岔、警沖標(biāo)、色燈信號機(jī)的坐標(biāo)是指從信號監(jiān)測室至上述各設(shè)備之間的距離。計(jì)算各種設(shè)備的數(shù)據(jù)參數(shù)，其目的就是為了計(jì)算當(dāng)測量信號時電纜長度提供必要的依據(jù)。1、道岔坐標(biāo)由試驗(yàn)場基建部門提供的縮尺平面圖上，給出的道岔坐標(biāo)是道岔中心距車站試驗(yàn)場中心的距離。而在進(jìn)行電氣集中設(shè)計(jì)時，還需要得到道岔尖軌尖端的具體坐標(biāo)，這是由于電動轉(zhuǎn)轍機(jī)安裝在道岔尖軌尖端附近。道岔坐標(biāo)計(jì)算的問題可以轉(zhuǎn)化為道岔中心坐標(biāo)換算成岔尖坐標(biāo)的問題，這樣就可以很容易的解決坐標(biāo)問題。當(dāng)?shù)啦砑廛壖舛嗽谡局行倪h(yuǎn)端時，岔尖坐標(biāo)等于道岔中心全岔尖的長度加上道岔中心坐標(biāo)。當(dāng)?shù)啦砑廛壖舛嗽谡緝?nèi)中心近端，則岔尖坐標(biāo)就等于道岔中心坐標(biāo)減去道岔中心全岔尖的長度；通過這樣的表示，就可以得到各個道岔的具體坐標(biāo)了。2、警沖標(biāo)計(jì)算警沖標(biāo)應(yīng)設(shè)在兩中心線全警沖標(biāo)的距離均為2米的地方，即兩分歧線路中心線相距4米的地方。3、設(shè)定信號機(jī)坐標(biāo)信號機(jī)其類型分為高柱和矮柱兩種。進(jìn)站信號機(jī)、正線出站信號機(jī)、牽出線調(diào)車信號機(jī)為高柱信號機(jī)，咽喉區(qū)調(diào)車信號機(jī)及側(cè)線出站信號機(jī)為矮柱信號機(jī)。信號機(jī)坐標(biāo)的設(shè)定如下三條所表述：1）設(shè)置在道岔轍叉后面的兩條線路中間的高柱信號機(jī)的具體坐標(biāo)該坐標(biāo)應(yīng)該根據(jù)附近建筑接近限界要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，當(dāng)?shù)贸龅啦砘ハ嘟雍系能壽E半徑、信號機(jī)安放處的道岔轍叉編號數(shù)、股道占用現(xiàn)場情況以及兩條軌道線路中心之間的距離，就可以確定放置信號機(jī)坐標(biāo)。2）設(shè)置在道岔轍叉后面線路中間的低型信號機(jī)的具體坐標(biāo)。一般情況下由于低型信號機(jī)高度不超過1100mm，因此設(shè)于轍叉后兩線路中間的低型信號機(jī)，只要其裝設(shè)位置在警沖標(biāo)內(nèi)方4至5米的地方，就不會達(dá)到建筑限界的值。3）設(shè)置在道岔岔尖前的信號機(jī)的具體坐標(biāo)。設(shè)定與道岔岔尖前的高柱或矮柱信號機(jī)，一般采取并排設(shè)于道岔與基本軌接縫處的方法來解決問題。2.2軌道電路概述2.2.1軌道電路作用及構(gòu)成本節(jié)主要對軌道電路進(jìn)行簡單的介紹，軌道電路是鐵路信號監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動控制的必須設(shè)備。利用軌道電路可以自動檢測列車、車輛的進(jìn)出站的實(shí)時情況，可以控制信號機(jī)在上位機(jī)監(jiān)測中的顯示；另外利用軌道電路可以將地面信號傳遞給機(jī)車車控室內(nèi)，從而可以基于此控制列車運(yùn)行情況。在現(xiàn)場中軌道電路是以鐵路線路的兩根鋼軌作為回路，兩端必須要加上電氣絕緣，并接上電源以及用電器設(shè)備來組合成一個整體電路。2.2.2軌道電路的原理軌道電路有很多種分類的方式，在目前的信號設(shè)備檢查中多使用的是閉路式的軌道電路。軌道電路的工作原理如下：當(dāng)列車占用軌道電路時，電路中的回路電流就可以通過機(jī)車的車輪了，這樣引起軌道電路被分成兩路。同時由于輪對電阻比軌道繼電器電阻小的多的原因，使電源輸出電流明顯加大，通過測量電路中加上的限流電阻上的壓降，可以發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)較大的增加，而兩根鋼軌間的電壓降低，軌道繼電器的壓降就不足以開通軌道繼電器從而使得后接點(diǎn)閉合，信號燈關(guān)閉。如果當(dāng)軌道電路發(fā)生斷軌、斷線時，同樣也會不足以開通軌道繼電器。出現(xiàn)這種情況就提示不得通過列車了。當(dāng)軌道電路空閑時，即兩根鋼軌完整并且軌道上沒有列車通過，即軌道電路空閑時，電路回路電流通過兩根鋼軌和軌道繼電器時，使得控制軌道繼電器吸起，前置接點(diǎn)自動閉合，控制信號等就開放。意味著可以通過列車了。2.3鐵路道岔及典型安全問題鐵路道岔是列車轉(zhuǎn)換軌道的中間線路連接設(shè)備。在車站站場內(nèi)的各種線路的連接都要通過鐵路道岔裝置來控制實(shí)現(xiàn)。道岔方面的安全性有重要的意義。從實(shí)際的運(yùn)行中可以看出道岔在保障列車行車安全方面的作用重大，但是它本身的抗破壞性較弱，因此會引起一系列的問題。單開道岔是最長見的道岔之一，普通的單開道岔就是在同一時間里只能作用于一個道岔，即把一個線路上的進(jìn)站列車牽引到另一個軌道上去。而且這兩個線路一個是彎道，另一個是必須是直線軌道。2.3.1電動轉(zhuǎn)轍機(jī)的構(gòu)成及原理1）轉(zhuǎn)轍裝置設(shè)備：轉(zhuǎn)轍器設(shè)備主要包括了兩根基本鋼軌、兩根軌道尖軌以及電動轉(zhuǎn)轍機(jī)。通過電動轉(zhuǎn)轍機(jī)的運(yùn)動就可以移動尖軌的位置，進(jìn)而確定軌道轉(zhuǎn)轍的方向問題。軌道尖軌是轉(zhuǎn)轍器組成部分的重要器件，它通過連接桿與電動轉(zhuǎn)轍機(jī)連接。2）基本鋼軌及安全防護(hù)部分：本部分主要由護(hù)軌、基本的轍叉及翼軌組成，它的作用就是保證在轉(zhuǎn)轍機(jī)把尖軌移動到固定的位置后，使得保證通過列車車輪通過兩段連接軌線的相互交叉處時的安全性。從下圖中，我們可以看到在兩個翼軌之間會有一定得間隙，這是一個有害的空間，它如果過于大會影響列車通過。在實(shí)際運(yùn)行中必須避免這方面的危險出現(xiàn)。所以要加上護(hù)軌部分，可以對進(jìn)站列車車輪有以個引導(dǎo)的作用。圖2.1普通單開右開式道岔開通側(cè)股構(gòu)成示意圖3）連接部分：這部分主要由兩根導(dǎo)曲線軌和兩根直線導(dǎo)軌組成。它的作用是連接轉(zhuǎn)轍機(jī)以及轍叉、護(hù)軌部分。在這里導(dǎo)軌曲線的半徑不能太大，所以在當(dāng)列車經(jīng)過的時候速度要在一定得范圍之內(nèi)。2.3.2電動轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)轍控制電動轉(zhuǎn)轍機(jī)的工作原理是用電動機(jī)帶動道岔尖軌轉(zhuǎn)換位置實(shí)現(xiàn)軌道的轉(zhuǎn)換，在工作中它有正傳和反轉(zhuǎn)兩種方式，從而可以保證道岔能夠?qū)崿F(xiàn)兩種相反方向的開通位置。我國鐵路采用的電動轉(zhuǎn)轍機(jī)的組成部分主要有機(jī)殼、轉(zhuǎn)換鎖閉裝置、摩擦聯(lián)結(jié)器、電動機(jī)、自動開閉器、減速器、擠岔裝置等構(gòu)成。其中有保證安全的也有實(shí)現(xiàn)功能的裝置。2.3.3鐵路道岔典型安全問題本節(jié)主要介紹了鐵路道岔常見要注意的安全問題，其中主要包括道岔障礙、道岔傷害、工務(wù)安全、擠壓道岔等。以下重點(diǎn)說明一下道岔障礙產(chǎn)生的原因和造成的后果。1、道岔障礙道岔障礙主要是指當(dāng)進(jìn)行軌道轉(zhuǎn)換的過程中如果在道岔中有阻礙道岔運(yùn)動的障礙物，可能導(dǎo)致軌道轉(zhuǎn)換錯誤的現(xiàn)象發(fā)生。輕者出現(xiàn)軌道轉(zhuǎn)換不到位，重者會造成列車脫軌的危險問題。下面我們從具體的軌道線路圖來分析各個障礙形成的因素，可以使設(shè)計(jì)運(yùn)行時更好的來避免錯誤的發(fā)生。1）尖軌轉(zhuǎn)轍障礙：從圖中可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)障礙物達(dá)到足以造成尖軌轉(zhuǎn)動后尖軌尖端與基本軌的不完全重疊時，就可以造成接車車輪的脫軌發(fā)生。Figure2.2DerailmentprincipleforTiporbitswitchingobstacle2）活動心軌轍叉轉(zhuǎn)轍造成的障礙：如果存在這樣的障礙物，它造成了活動心軌轍叉轉(zhuǎn)動后活動心軌轍叉尖端連不到基本軌道，這樣必然會造成活動心軌轍叉的轉(zhuǎn)轍方向與尖軌轉(zhuǎn)轍方向的不一致。這種不一致性就會造成通過機(jī)車的脫軌。圖2.3活動心軌轍叉轉(zhuǎn)轍障礙造成脫軌的原理示意圖Figure2.3Derailmentprincipleofactivitycrossingtiporbitswitchingobstacle3）轍叉翼軌及護(hù)輪軌輪緣槽造成的障礙。當(dāng)列車通過時，列車的重量、速度、運(yùn)動瞬間形態(tài)以及障礙物的大小、硬度、位置、形態(tài)等原因可能發(fā)生機(jī)車車輛的輪緣高出或彈出鋼軌頂面的現(xiàn)象出現(xiàn)，這種情況有可能發(fā)生列車脫軌的事故。4）軌道電路引起的障礙：在這個系統(tǒng)之中每一根鋼軌都是軌道電路中的一部分，都參與電流的傳送。如果軌道中的某一鋼軌出現(xiàn)斷路的情況，可能就會引起整體的信號測量的不正常，有可能引起連鎖混亂。2、擠壓道岔在鐵路運(yùn)行中也出現(xiàn)過擠壓道岔現(xiàn)象，它是指當(dāng)?shù)啦硪呀?jīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，但是還有列車沒有接到信號，強(qiáng)行的進(jìn)站，造成了道岔的開通方向與列車的行進(jìn)方向不同，從而引起嚴(yán)重的后果。2.4轉(zhuǎn)轍機(jī)信號檢測部分為了解決鐵軌轉(zhuǎn)轍機(jī)發(fā)生故障及時得到處理、分析事故原因的問題，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種基于流水線結(jié)構(gòu)微處理器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用方案。利用自帶DSP內(nèi)核的高精度三相電能專用芯片，實(shí)現(xiàn)了對鐵軌轉(zhuǎn)轍機(jī)工作狀況進(jìn)行在線的監(jiān)測。通過對供電電源，信號采集通道，以及信號輸出通道進(jìn)行必要的抗干擾設(shè)計(jì)，采取RS-485總線通訊，光電隔離，短路保護(hù)以及過載保護(hù)等措施，使系統(tǒng)很好的適應(yīng)了工作環(huán)境的復(fù)雜性。在現(xiàn)場的試運(yùn)行中已得到很好的驗(yàn)證，該方案在電磁干擾很強(qiáng)的工作環(huán)境中有很好的應(yīng)用前景。正常工作的情況下道岔轉(zhuǎn)換是一個相對穩(wěn)定的過程，動作電流也是一條有規(guī)律的曲線。通過監(jiān)測設(shè)備的智能診斷軟件分析電流波形和數(shù)值的變化，可判別出轉(zhuǎn)轍機(jī)工作是否正常，并記錄其劣化趨勢；或進(jìn)行故障定位和分離，找出故障部件和位置。從而及時報警以預(yù)防事故，同時給維修工作提供科學(xué)指導(dǎo)。以下圖是電動轉(zhuǎn)轍機(jī)的接線圖。1D2DD3圖1D2DD3Figure2.4WiringFigureswitchmotor對三相四線制的電動機(jī)功率的在線監(jiān)測。采用專用功率芯片對功率信號檢測，通過RS-485總線與上位機(jī)通信，使得信號的可靠性得到更好的保證，最終達(dá)到調(diào)度監(jiān)督、微機(jī)監(jiān)測、有效管理的目的。2.5監(jiān)測系統(tǒng)總體方案信號監(jiān)測系統(tǒng)需要檢測的信號包括：軌道轉(zhuǎn)轍機(jī)功率、工作電流、燈絲電壓、軌道繼電器電壓、道岔電壓、電源接地電流等多路信號。設(shè)計(jì)方案：本系統(tǒng)采用PC機(jī)作為顯示、儲存、打印檢測結(jié)果和控制檢測電路工作，其優(yōu)點(diǎn)包括上位機(jī)界面的顯示，易于被現(xiàn)場人員接受；測量信息可及時的保存、查詢和調(diào)用，還可以對歷史記錄進(jìn)行分析和故障預(yù)測；系統(tǒng)出現(xiàn)的非線性問題可以通過上位機(jī)進(jìn)行修改。檢測方式采用下位機(jī)中斷請求，上位機(jī)響應(yīng)做出處理的方式，使得測量過程能過做到及時處理，能夠滿足對測量時間的要求。③信號采集部分采用光電隔離技術(shù)、阻容濾波網(wǎng)絡(luò)等措施，使測量系統(tǒng)不會造成對原信號系統(tǒng)有任何影響、保證了工作系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)總體方案如下：本系統(tǒng)要監(jiān)測多個點(diǎn)的工作狀況，對轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行監(jiān)測以確保轉(zhuǎn)轍機(jī)的正常運(yùn)行。部分原理框圖如下所示：

圖2.5系統(tǒng)原理圖Figure2.5Schematicofsystem系統(tǒng)的工作原理是下位機(jī)嵌入系統(tǒng)將功率傳感器、電流傳感器、以及其它采集的模擬量數(shù)字化處理通過總線與上位機(jī)和監(jiān)測主機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，監(jiān)測主機(jī)接收到信息后及時的與既有的初始化數(shù)據(jù)庫做出比較，把轉(zhuǎn)轍機(jī)及待測量以圖形，數(shù)字方式顯示出來，并設(shè)置出上、下限報警判斷。并可以在必要時將現(xiàn)場的圖像上傳到監(jiān)測主機(jī)，以確認(rèn)現(xiàn)場情況，便于分析、故障診斷等。2.6本章小結(jié)本章主要對本次課題的試驗(yàn)現(xiàn)場做了具體的說明，講述了軌道電路的原理及作用。列出了在鐵路運(yùn)行系統(tǒng)中鐵路道岔經(jīng)常會出現(xiàn)的安全問題，并提出了解決的方法。最后主要是針對電動轉(zhuǎn)轍機(jī)信號檢測方面提出了總體的方案設(shè)計(jì)。第三章下位機(jī)系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)3.1信號檢測硬件設(shè)計(jì)介紹本系統(tǒng)的下位機(jī)部分主要是基于一種流水線結(jié)構(gòu)微處理器C8051F410設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用方案。為了解決鐵軌轉(zhuǎn)轍機(jī)容易發(fā)生故障的問題，利用自帶DSP內(nèi)核的高精度三相電能專用芯片，實(shí)現(xiàn)了對鐵軌轉(zhuǎn)轍機(jī)工作狀況進(jìn)行在線的監(jiān)測。通過對供電電源，信號采集通道，以及信號輸出通道進(jìn)行必要的抗干擾設(shè)計(jì)，采取RS-485總線通訊，光電隔離，短路保護(hù)以及過載保護(hù)等措施，使系統(tǒng)很好的適應(yīng)了工作環(huán)境的復(fù)雜性。在現(xiàn)場的試運(yùn)行中已得到很好的驗(yàn)證，該方案在電磁干擾很強(qiáng)的工作環(huán)境中有很好的應(yīng)用前景。電動轉(zhuǎn)轍機(jī)每次工作的時候都有固定的功率，正常情況下道岔轉(zhuǎn)換是一個相對穩(wěn)定的過程，每次電動轉(zhuǎn)轍機(jī)的動作時間大概為8秒鐘，在這期間轉(zhuǎn)轍機(jī)的功率基本不變，以及動作電流也是一條有規(guī)律的曲線。通過監(jiān)測設(shè)備的智能診斷軟件分析電流波形和數(shù)值的變化，可判別出轉(zhuǎn)轍機(jī)工作是否正常，并記錄其劣化趨勢；或進(jìn)行故障定位和分離，找出故障部件和位置。從而及時報警以預(yù)防事故，同時給維修工作提供科學(xué)指導(dǎo)。為將來設(shè)計(jì)更高級的設(shè)備奠定了基礎(chǔ)。為保證電動轉(zhuǎn)轍機(jī)出現(xiàn)故障時系統(tǒng)能夠及時的報警和處理，要對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)加以存儲分析，需要對功率信號進(jìn)行檢測。本文中我們采用專用的芯片Att7022a。對三相四線制的電動機(jī)功率的在線監(jiān)測。采用專用功率芯片對功率信號檢測，通過RS-485總線與上位機(jī)通信，使得信號的可靠性得到更好的保證，最終達(dá)到調(diào)度監(jiān)督、微機(jī)監(jiān)測、有效管理的目的［11］。3.2系統(tǒng)工作原理3.2.1系統(tǒng)基本工作原理本系統(tǒng)主要分為兩種應(yīng)用模式，既能應(yīng)用于數(shù)據(jù)終端，也可應(yīng)用于模擬終端。系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示，

電壓電流互感器相電能-H-*心片JTAG在線調(diào)試電路模式1四路電流源DC/DC電源電路模式2485通訊模塊圖3.1相電能-H-*心片JTAG在線調(diào)試電路模式1四路電流源DC/DC電源電路模式2485通訊模塊圖3.1硬件電路原理圖Fig.3.1SchematicFigureofhardwarecircuit復(fù)位電路3.2.2功率信號計(jì)算原理系統(tǒng)中采用的功率芯片ATT7022a集成了六路二階sigma-deltaADC、參考電壓電路。它不需要外接數(shù)據(jù)采集芯片，系統(tǒng)有很高的集成度。采用雙端差分信號輸入形式，減少了干擾源。在此芯片中完成對有功功率的計(jì)算，通過對去直流分量后的電流、電壓信號進(jìn)行乘法、加法、數(shù)字濾波等一系列數(shù)字信號處理后得到各相有功功率。前端的ADC采用過采樣技術(shù)，可充分保證電流、電壓采樣速率級同步性，根據(jù)采樣定理可知在進(jìn)行電流、電壓采樣數(shù)據(jù)中包含高達(dá)21次的諧波信息，依據(jù)公式(3-1)計(jì)算得到的有功功率也至少包含21次諧波信息信號。1q(3-1)P=—XU(n)?I(n)n=0P3=UABP3=UAB1AB+UCB1CB(3-2)(3-3)Q,=UAB七匕90。+UcbIc曷0。(3-3)S3=JP^(3-4)在三相三線模式下ATT7022a的B相通道不參加功率計(jì)量，只有A相和C相通道參與三相三線的測量。但是ATT7022a可以將B通道的參數(shù)單獨(dú)放出，只要在B通道的電壓與電流通道上加入相應(yīng)信號［13。在三相三線模式下仍可讀取Pb/Qb/Sb/URmsb/IRmsb/Pfb/Pgb參數(shù)，但是B通道的電壓與電流通道上，所加的任何信號都不會對三相三線的正常測量產(chǎn)生不良影響。原理圖如下圖所示，合相有功功率：Pt=Pa+Pb+Pc八°合相功率pt=pa+pb+pc圖3.2有功功率測量3.2.3電壓和電流有效值測量軌道電路接收端電壓、列車信號燈電壓有效值測量通過對電壓采樣值進(jìn)行平方開方以及數(shù)字濾波等一系列運(yùn)算得到，電壓通道輸入1000mv到10mv的信號時電壓有效值的誤差小于0.5%。具體的電壓有效值測量及處理原理圖如下所示：圖3.3電壓有效值測量對電動轉(zhuǎn)轍機(jī)的電流測量是通過對電流采樣值進(jìn)行平方開方以及數(shù)字濾波等一系列運(yùn)算得到。電流通道輸入1000mv到2mv的信號時電流有效值的誤差小于0.5%，具體的電流有效值測量及處理原理圖如下所示：圖3.4電流有效值測量Figure3.4Effectivevalueofcurrent3.2.4SPI通訊功率芯片ATT7022a與單片機(jī)系統(tǒng)的接口是通過ATT7022a提供的一個SPI總線接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。在系統(tǒng)中采取在功率芯片中采樣計(jì)算得到的有功功率、電壓以及電流存儲到功率芯片相對應(yīng)的寄存器中；然后讀入到。8051F410中對其求半個周期的平均功率的方法，這樣得到的功率誤差小，精度、響應(yīng)時間都可以得到很好的保證［3］。此外，ATT7022a內(nèi)部的電壓監(jiān)測電路可以保證加電和斷電時正常工作。3.3下位機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)采取模塊化設(shè)計(jì)的方法，本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的模塊主要包括：RS-485通訊總線接口模塊、電流源電路、功功率檢測模塊、高速光電耦合器6N137、編程調(diào)試接口電路、電源電路、振蕩器電路、電源監(jiān)控電路、系統(tǒng)復(fù)位以及信號輸出模塊等組成。以下對所設(shè)計(jì)的各個子模塊進(jìn)行詳細(xì)的介紹。3.3.1微控制器系統(tǒng)概述C8051F410器件是完全集成的低功耗混合信號片上系統(tǒng)型MCU。下面列出了一些主要特性：高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的微控制器核（可達(dá)50MIPS）；全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)）；高精度可編程的24.5MHz內(nèi)部振蕩器；必要時可以對其進(jìn)行倍頻處理。32KB的片內(nèi)Flash存儲器；2304字節(jié)片內(nèi)RAM；硬件實(shí)現(xiàn)的SMBus/I2；增強(qiáng)型UART和增強(qiáng)型SPI串行接口；4個通用的16位定時器；具有6個捕捉/比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計(jì)數(shù)器/定時器陣列（PCA）；硬件實(shí)時時鐘（SmaRTClock），工作電壓可低至1V，帶64字節(jié)電池后備RAM和后備穩(wěn)壓器；片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器；片內(nèi)電壓比較器；多達(dá)24個端口I/O。3.3.2信號采集電路系統(tǒng)的工作過程是高壓信號經(jīng)過電壓互感器轉(zhuǎn)化到0.5V左右，經(jīng)過電流互感器把電流信號轉(zhuǎn)化到0.1V左右。轉(zhuǎn)化后得到的信號經(jīng)過整流濾波調(diào)理后輸入三相電能芯片ATT7022a中。信號輸入到ATT7022a中后將測的有功功率、三相電流信號存入相應(yīng)的參數(shù)輸出寄存器中。ATT7022a芯片接流水線式處理器C8051F410，在高速的流水線指令結(jié)構(gòu)下，程序執(zhí)行速度可以達(dá)到50MIPS，使系統(tǒng)的實(shí)時性得到滿足。用中斷的方式從ATT7022a的寄存器中讀出相應(yīng)的信號值。信號采集電路如下圖］：圖3.7信號采集電路

圖3.8ATT7022a信號處理外圍電路針對該信號做出兩種處理：第一種是是針對系統(tǒng)與上位機(jī)相連的檢測系統(tǒng)，需要做RS-485總線通訊的處理。另一種模塊針對測量儀器是模擬儀器，要求平均功率和有效電流信號轉(zhuǎn)化為4~20mA的電流信號，以便進(jìn)行測量顯示。在實(shí)際的應(yīng)用中兩種模塊可以按照實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行選擇。3.3.3光隔RS-485總線模塊為增強(qiáng)RS-485總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，C8051F410的輸出不直接和MX1487相連，而是通過高速光耦6N137后再相連。光隔RS-485總線電路如圖3所示：圖3.9光隔RS485總線電路圖光耦電路所采用的兩個電源VCC和VDD必須完全隔離，否則采用光耦也就失去了意義。電源的完全隔離可采用小功率電源隔離模塊實(shí)為了避免后續(xù)信號處理部分帶強(qiáng)電，同時避免數(shù)字信號對模擬信號的干擾，提高系統(tǒng)性能，采用了高速光電耦合器件。由于采用了串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使得電路接口變得簡單，同時串行時鐘變得很高，普通光電耦合器件遠(yuǎn)不能滿足要求。我們采用了6N137光電耦合器，速度高達(dá)10MHz[]oRS-485總線通信需要注意的問題主要有以下三點(diǎn)：1、總線隔離RS-485總線為并接式二線制接口，會出現(xiàn)有一個芯片出現(xiàn)故障就可能將總線“拉死”的現(xiàn)象，因此對其二線口VA、VB與總線之間都分別各串接一只410Q的PTC電阻。對外置設(shè)備為防止強(qiáng)電磁干擾，可以選用防雷擊芯片[59]。此外同時和地之間各連接5V的TVS二極管，以消除線路浪涌的干擾。2、失效保護(hù)措施RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了接收器門限為±200mV。因此它的作用是可以提供較高的噪聲抑制能力，但是同時會產(chǎn)生當(dāng)總線電壓在±200mV中間狀態(tài)時可能會引起的接收器輸出狀態(tài)的不確定性。當(dāng)總線空閑、斷路或短路的時候都會出現(xiàn)兩線之間的電壓低于200mV的情況發(fā)生，須要采取必要的措施加以處理。可以再總線上加上偏置電阻加以防護(hù)，當(dāng)總線空閑或開路的時候，利用加的偏置電阻將總線偏置到一個確定的狀態(tài)。但是這種方法不能解決總線短路的問題。要想解決總線短路的問題，我們選用Maxim公司的MAX2080系列的RS-485接口，它的接收門限被移到-200mV/-50mV。這樣就可以省去了外部偏置電阻，同時也解決了總線短路的失效保護(hù)的缺陷。3、電磁抗干擾問題驅(qū)動器輸出信號中的共模輸出必須要一個返回通道，多數(shù)情況下要采取一個低阻的返回通道即信號地。如果沒有這個措施，信號就會以輻射的形式返回源端，整個總線就會像一個電磁波發(fā)生器，干擾將會很大，以至于影響正常的信號傳輸。因此對于RS-485網(wǎng)絡(luò)必須加上低阻的信號地。但是這種傳統(tǒng)的方法只對高阻型共模干擾有效。本文中采取的措施主要有以下三種：1）當(dāng)干擾源內(nèi)阻很大時，可以再接地線上加上限流電阻限制干擾電流。接地電阻不能太大以避免共模電壓升高。2）采用浮地技術(shù)，隔離接地環(huán)路。這種方法適合共模干擾電阻較小的時候。此時是將引入的干擾結(jié)點(diǎn)浮置與大地或機(jī)殼隔離，從而不會產(chǎn)生較大的環(huán)路電流。3）采用隔離接口技術(shù)，當(dāng)不能懸浮時可以采用隔離接口來隔離接地回路。3.3.4電流源模塊功率信號及三相電流有效值經(jīng)過C8051F410后，再經(jīng)過光電耦合器把電壓轉(zhuǎn)換為電流的電路（即電流源），把電壓信號變成4?20mA的電流信號，具體電路如圖3-10所示［35］：圖3-10中的TLP250起驅(qū)動作用，信號經(jīng)過雙路放大整流，把脈沖電壓信號轉(zhuǎn)化為與之成線性關(guān)系的電流信號。這樣保證了輸入與輸出的對應(yīng)關(guān)系，使得輸出能準(zhǔn)確的反映采集到的信號變化情況［36。圖3.10電流源原理圖Fig.3.10SchematicFigureofcurrentsource3.3.5電源電路DC/DC定電壓隔離穩(wěn)壓單輸出（正壓或負(fù)壓）轉(zhuǎn)換器，具體電路圖如圖3所示，圖3.11DC/DC電路圖Fig.3.11DC/DCcircuitdiagram圖中的電源轉(zhuǎn)換電路中的芯片選用WB12058輸出穩(wěn)壓精度高，紋波小，隔離特性好，無需外接任何外轉(zhuǎn)元件即可工作［37］但是當(dāng)外界環(huán)境的電磁干擾比較強(qiáng)的時候可以外加電感、電容網(wǎng)絡(luò)，可以達(dá)到很好的消除噪聲的作用。本電路特別適用于對輸出電壓精度和紋波噪聲抑制率要求高的DC/DC電壓變換器系統(tǒng)。3.3.6電源監(jiān)控電路本電路中使用的功率芯片ATT7022a片內(nèi)包含一個電源監(jiān)控電路，這個監(jiān)控電路連續(xù)對模擬電源AVcc進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)電源電壓低于土4V%時芯片將被復(fù)位。這可以確保電路上電和掉電時芯片的正確啟動和正常工作。電源監(jiān)控電路應(yīng)放在在延時和濾波環(huán)節(jié)中，這樣可以在最大程度上可以排除由電源噪聲引發(fā)的錯誤。如圖3.12所示，本芯片要求AVc的波動不超過5V土5%，為保證芯片正常工作應(yīng)對電源去耦［38］：Figure3.12Curveofwithinthechipspowermonitoringcharacteristics3.3.7功率芯片系統(tǒng)復(fù)位功率芯片ATT7022a提供兩種復(fù)位方式硬件復(fù)位和軟件復(fù)位。硬件復(fù)位通過外部引腳RESET完成，RESET引腳內(nèi)部有47K的上拉電阻，正常工作時這個引腳為高電平。當(dāng)RESET在工作中出現(xiàn)持續(xù)時間大于20us的低電平時，ATT7022a進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)RESET變?yōu)楦唠娖綍r，ATT7022a將會還原，從復(fù)位狀態(tài)進(jìn)入正常穩(wěn)定的工作狀態(tài)［39］。軟件復(fù)位通過SPI口完成當(dāng)往SPI口寫入0xD3命令后。系統(tǒng)先進(jìn)行一次復(fù)位。ATT7022a在復(fù)位狀態(tài)下SIG為高電平。復(fù)位之后，ATT7022a運(yùn)行在初始狀態(tài)下。當(dāng)ATT7022a從復(fù)位到工作狀態(tài)需要經(jīng)過一定的延時時間，大約經(jīng)過500us左右，SIG的狀態(tài)將從高電平變?yōu)榈碗娖健４藭r，芯片開始進(jìn)入正常工作狀態(tài)［40］。這時才可以向芯片中寫入校表數(shù)據(jù)，寫入校表數(shù)據(jù)之后，SIG管腳狀態(tài)又會立刻變?yōu)楦唠娖健?.3.8硬件抗干擾設(shè)計(jì)在實(shí)際的工作現(xiàn)場中，鐵路信號監(jiān)測設(shè)備的干擾源由很多種，主要有以下幾種［29：1）高壓開關(guān)操作：高壓開關(guān)操作時，電弧的熄滅和重燃引起一系列高頻振蕩。2）雷電：變電站可能直接遭受雷擊，強(qiáng)大的雷電流和過電壓直接作用于一次設(shè)備，產(chǎn)生極強(qiáng)的脈沖電場和磁場，并通過一、二次系統(tǒng)間的耦合途徑或接地網(wǎng)進(jìn)入二次回路。3）運(yùn)行中的電力設(shè)備：載流導(dǎo)線和運(yùn)行中的電力設(shè)備當(dāng)有短路故障時其短路電流會在附近產(chǎn)生很強(qiáng)的工頻磁場。4）輻射電磁場：變電站中的高頻載波、對講機(jī)等都是輻射干擾源。5）靜電放電針對實(shí)際現(xiàn)場中的各種干擾，主要采取的硬件抗干擾措施主要有以下幾種1、基準(zhǔn)電壓采用在C8051F410系統(tǒng)中自帶的內(nèi)部2.45V參考電壓作為基準(zhǔn)電壓。該電壓是微處理自帶的穩(wěn)定性高，受外部環(huán)境影響小，抗干擾能力強(qiáng)。2、布線及濾波

在一些對噪聲和紋波敏感的電路中，可在DC/DC輸出端和輸入外加濾波電容，以減少紋波值。輸出濾波電容器的容若太大，可能會造成啟動問題。為了獲得非常低的紋波值，可在DC/DC轉(zhuǎn)換器輸入輸出端聯(lián)接一個"LC"濾波網(wǎng)絡(luò)。為了提高模擬量的輸入阻抗，減少損耗。在進(jìn)行人/D轉(zhuǎn)換前加入一級電壓跟隨器，將檢測的信號電壓轉(zhuǎn)換成電流，再并聯(lián)電阻恢復(fù)成電壓信號，使用了高精度的12位雙積分A/D轉(zhuǎn)換器［43］為消除數(shù)字量的雜波干擾，電路中加入10F的濾波電容組。具體電路圖如圖3.13所示：圖3.13抗干擾子電路圖Figure3.13sub-circuitFigureofanti-jamming圖中的Vref是由芯片ATT7022a提供的基準(zhǔn)電壓，它的精度高，受到的干擾小。針對單片機(jī)系統(tǒng)采用看門狗電路，提高M(jìn)CU的抗干擾能力［44］。3、采用光電耦合隔離在本系統(tǒng)中在供電電源端和RS-485通信模塊都加入了高速的光電耦合隔離，使信號處理系統(tǒng)不受到電源的影響，同時也使高壓與低壓模塊用互感器隔離，影響減小。在地線方面，模擬地和數(shù)字地要分開布線，在通常工作條件下，輸出電路對于過流及短路情況無保護(hù)功能。最簡單的方法是在輸入端串接一個自恢復(fù)保險絲，或在電路中外加一個斷路器。3.4下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)3.4.1軟件設(shè)計(jì)思想本程序的編寫和調(diào)試的開發(fā)環(huán)境是Keil51，采用C語言和匯編語言混合編程，基于C程序中調(diào)用匯編的設(shè)計(jì)思想［45］。軟件設(shè)計(jì)主要包括：I/O口的初始化配置，電壓管理系統(tǒng)的設(shè)置，系統(tǒng)時鐘、中斷，PCA定時器以及輸出8位占空比可變化的PWM子程序［45］［46］［47］。軟件部分的設(shè)計(jì)工作主要涉及到信號的采集、計(jì)算轉(zhuǎn)化輸出、復(fù)位功能的實(shí)現(xiàn)、軟件陷阱抗干擾部分。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，采樣采取定時器中斷的方式，進(jìn)入循環(huán)數(shù)據(jù)采集與處理子程序。并將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理過程主要包括數(shù)據(jù)濾波，信號的轉(zhuǎn)化等。因本系統(tǒng)要求平均功率和有效電流信號轉(zhuǎn)化為4?20mA的電流信號，而采集到的二進(jìn)制信號的范圍為0~65536，利用公式A=B*4/5+51的方法可將電流信號轉(zhuǎn)化到要求的范圍。3.4.2數(shù)據(jù)采集程序框圖及處理分析數(shù)據(jù)采集采用中斷采集方式，程序主要包括主程序，初始化子程序，串行通信子程序，平滑濾波程序以及中斷PWM輸出子程序出。數(shù)據(jù)測量中斷子程序框圖以及主程序框圖如圖3.13和圖3.14所示：開機(jī)初始化到校表狀態(tài)初始化程序初始化到讀數(shù)據(jù)狀態(tài)—M讀測量數(shù)據(jù)并求平均值「計(jì)算輸出脈沖一n一一--pcA中斷標(biāo)志位__是否為1中斷子程序圖3.14數(shù)據(jù)測量主程序框圖Fig.3.14Main-programFigureofdata-measure中斷入口N<數(shù)據(jù)處理位為中斷返回*-/圖3.15數(shù)據(jù)測量中斷子程序框圖Fig.3.15InterruptsubprogramFigureofdata-measure軟件系統(tǒng)采用匯編語言方便了調(diào)試、修改，滿足系統(tǒng)在時間上的精確要求。本系統(tǒng)中三相電壓和電流信號每半個周期采樣1000點(diǎn)，在功率芯片ATT7022a中計(jì)算出每次對應(yīng)的功率值，設(shè)定通過C8051F410每隔10ms的時間進(jìn)行中斷請求采樣。分四路采樣，分別是平均功率和三相電流有效值。對采集到的數(shù)據(jù)信號采取平滑濾波處理，避免輸出產(chǎn)生較大的波動[47。3.4.4精度校表方法分析使用ATT7022a這款功率芯片需要進(jìn)行校表。它支持全數(shù)字校表，經(jīng)過數(shù)字校表得出的儀表，有功功率可以達(dá)到0.5s。具體的校正流程表如下圖所示：<開始校表）參數(shù)設(shè)置】f校表結(jié)束]J./A/B/C相校正圖3.18校表流程圖Figure3.16Flowchartofcorrectiontable

開始專數(shù)設(shè)圖3.17參數(shù)設(shè)置過程開始專數(shù)設(shè)Figure3.19procedureofparametersettings圖3.18分相校表Figure3.20correctiontableofphasesplitting分相校正時分相電流的校正可能會影響A/B/C三相電流矢量和寄存器IRmst的精度。3.4.5SPI通訊接口1、SPI通訊接口介紹ATT7022a內(nèi)部集成了一個SPI串行通訊接口。微處理器通過這個SPI口與ATT7022a實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取，它的SPI接口采用從屬方式工作，使用2條控制線和2條數(shù)據(jù)線CSSCLKDIN和DOUT。當(dāng)CS片選由高電平變?yōu)榈碗娖綍r表示SPI操作開始；然后由微處理器發(fā)送讀信號或是寫信號，確認(rèn)后再發(fā)送地址信號，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫。當(dāng)CS由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，SPI操作結(jié)束。無論是讀還是寫數(shù)據(jù)，每次操作SPI時CS必須有下降沿，否則通信不成功。CS出現(xiàn)上升沿時表示SPI操作結(jié)束。ATT7022a與外部MCU的SPI通訊接口接線圖如圖所示［12：圖3.21SPI通訊接口典型接線圖Figure3.21typicalwiringFigureofSPIcommunicationinterfaceDIN口上的串行數(shù)據(jù)輸入（輸入腳）用于把微處理器的數(shù)據(jù)（如數(shù)據(jù)/命令/地址等）傳輸?shù)紸TT7022a；DOUT上的串行數(shù)據(jù)輸出（輸出腳）用于從ATT7022a寄存器讀出數(shù)據(jù)［12］。SCLK串行時鐘（輸入腳）控制數(shù)據(jù)移出或移入串行口的傳輸率上升沿放數(shù)據(jù)，下降沿取數(shù)據(jù)。SCLK下降沿時將DIN上的數(shù)據(jù)采樣到ATT7022a中，SCLK上升沿時將ATT7022a的數(shù)據(jù)放置于DOUT上輸出。在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中，要在SPI信號線上串聯(lián)一個小電阻，選為50歐左右。在輸入端總會產(chǎn)生一個寄生電容，加上這個電阻后可以構(gòu)成一個低通濾波器，從而可以消除在信號傳輸過程中產(chǎn)生的振蕩現(xiàn)象，確保了傳輸?shù)恼_性。如果外界的電磁干擾較大的話，可以再外加電容，在這里我們通過實(shí)驗(yàn)選擇10pF左右的電容［51］。3.4.6軟件抗干擾設(shè)計(jì)措施監(jiān)控模塊的性能直接影響整個開關(guān)電源的工作，如果抗干擾措施設(shè)計(jì)考慮不全，一旦干擾竄入監(jiān)控模塊，會引發(fā)誤測、誤報，會導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓。本系統(tǒng)在軟件抗干擾方法如下[30]。主要采用數(shù)字濾波和數(shù)字調(diào)零技術(shù)，消除開關(guān)電路、A/D轉(zhuǎn)換電路的偏差，對信號進(jìn)行平滑處理，減小干擾影響。對各類數(shù)據(jù)規(guī)定格式，采取校驗(yàn)、校表技術(shù)、檢錯重發(fā)機(jī)制來提高可靠性。大量采用冗余指令，提高軟件執(zhí)行的可靠性。3.4.7系統(tǒng)誤差分析實(shí)際電力系統(tǒng)中，連接了許多外在電氣設(shè)備，這將給電網(wǎng)注入各種諧波電流。交流信號并非單一的50HZ正弦波，這些高次諧波危害電氣設(shè)備的正常運(yùn)行或縮短其壽命，是必須要加以去除的?？傮w上高次諧波幅度隨著次數(shù)的增高而變小[30][31]。然而同頻率諧波電壓和諧波電流將構(gòu)成諧波功率，且是有功功率的一個部分，諧波電壓和諧波電流也是電壓有效值和電流有效值的一部分，因此，在交流采樣技術(shù)中應(yīng)該考慮諧波分量。3.5本章小結(jié)本章主要做的工作是實(shí)現(xiàn)下位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括硬件和軟件的設(shè)計(jì)。首先分析了系統(tǒng)的工作原理，然后進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的方法是采用自上而下的方式，把系統(tǒng)分成若干個子模塊，一一的分析設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)硬件功能。通過軟件調(diào)試工具，在硬件系統(tǒng)中加入程序，最終實(shí)現(xiàn)了下位機(jī)的設(shè)計(jì)。同時對系統(tǒng)的誤差也做出了分析。第四章鐵路信號的微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)上位機(jī)由微機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，軟件采用VisualBasic編程，VisualBasic（簡稱VB）是Windows環(huán)境下簡單、易學(xué)、高效的編程語言開發(fā)系統(tǒng)，以其所見即所得的可視化界面設(shè)計(jì)風(fēng)格和32位面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)等特點(diǎn)，已廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域，是很多計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)人員采用的開發(fā)工具。VB不但提供了良好的界面設(shè)計(jì)能力，而且在微機(jī)串口通信方面也有很強(qiáng)的功能。通過串行口將所需的各種預(yù)置信號（數(shù)字信號）傳給單片機(jī)系統(tǒng)，再由單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生實(shí)際的模擬信號線性光電隔離器送到現(xiàn)場。預(yù)置數(shù)值可以分別顯示在PC機(jī)軟件窗口和單片機(jī)系統(tǒng)的預(yù)置數(shù)字表頭上。同時，現(xiàn)場實(shí)測信號經(jīng)過線性光電隔離器，也可以實(shí)時顯示在本系統(tǒng)的檢測數(shù)字表頭上和PC機(jī)的界面上。如此設(shè)計(jì)界面直觀，而且利于對現(xiàn)場信號進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測［52］（1）下位機(jī)通信PC機(jī)與各從機(jī)通信時，從機(jī)采用工作方式3及中斷方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。本機(jī)地址指各從機(jī)的地址，當(dāng)一臺單片機(jī)發(fā)現(xiàn)PC機(jī)發(fā)出的地址與自己的地址相符時，單發(fā)機(jī)發(fā)地址應(yīng)答信號，其他從機(jī)同時不響應(yīng)。這樣保證每次與PC機(jī)通訊的只有一臺從機(jī)。（2）上位機(jī)通信上位機(jī)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送采用VisualBasic中的通訊控件MSCOmm，該控件不需要用戶對通訊底層進(jìn)行操作，是一種簡單實(shí)用的與下位機(jī)通訊的方法。它有事件驅(qū)動通訊和查詢通訊兩種方式。本次設(shè)計(jì)采用事件驅(qū)動方式，即接收緩沖區(qū)每接受規(guī)定字符數(shù)產(chǎn)生一次MSCOmm—OnC0Mm事件，發(fā)送時設(shè)置不產(chǎn)生該事件。4.1串口通信方案介紹串口通信作為一種靈活的通信方式，被廣泛地應(yīng)用于PC間的通信以及PC和單片機(jī)之間的通信之中。只要我們借助相關(guān)ActiveX控件的幫助，即使是在底層操作一向不被人看好的VB中，一樣能夠?qū)崿F(xiàn)串口通信，甚至其實(shí)現(xiàn)方法和C、匯編相比，要更加快捷方便。而且還有較為良好的界面。在VisualBasic中有一個名為MicrosoftCommunicationControl（簡稱MSComm）的通信控件。我們只要通過對此控件的屬性和事件進(jìn)行相應(yīng)編程操作，就可以輕松地實(shí)現(xiàn)串口通信［53。目前在我國應(yīng)用的現(xiàn)場總線中RS-485/RS-422使用最為普遍當(dāng)用戶要將基于標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口設(shè)備如PC機(jī)連接至由RS-485/RS-422構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò)時則必須作RS-232和RS-485/RS-422之間的電平轉(zhuǎn)換RS-232規(guī)定的電平和一般微處理器的邏輯電平不一致，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)邏輯電平轉(zhuǎn)換可以采用以下三種方式：采用RS-232C標(biāo)準(zhǔn)，RS-485方式采用分立元件實(shí)現(xiàn)。4.2串行通信知識介紹4.2.1RS-485協(xié)議簡介及MAX485芯片介紹RS-485是美國電氣工業(yè)聯(lián)合會(EIA)制定的利用平衡雙絞線作傳輸線的多點(diǎn)通訊標(biāo)準(zhǔn)。它采用差分信號進(jìn)行傳輸；最大可連接32個驅(qū)動器和收發(fā)器；接收器最小靈敏度可達(dá)±200mV；最大傳輸距離可以達(dá)到1.2km；最大傳輸速率可達(dá)2.5Mb/s。由此可見，RS-485協(xié)議正是針對遠(yuǎn)距離、高靈敏度、多點(diǎn)通訊制定的標(biāo)準(zhǔn)。MAX485接口芯片是Maxim公司的一種RS-485芯片。采用單一電源+5V工作，額定電流為300rA，采用半雙工通信方式。它完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為MAX485電平的功能。第五章總結(jié)與展望5.1設(shè)計(jì)工作總結(jié)本文重點(diǎn)討論了基于流水線結(jié)構(gòu)微處理器的轉(zhuǎn)轍機(jī)工作狀況（軌道轉(zhuǎn)轍機(jī)功率、工作電流）的監(jiān)測；之外還包括對信號燈絲電壓、軌道繼電器電壓、道岔電壓、電源接地電流進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測的系統(tǒng)的開發(fā)過程。整個過程包括分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求；根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)；完成整個系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)包括上位機(jī)和下位機(jī)；硬件電路設(shè)計(jì)、以及軟件程序的編寫；根據(jù)系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)指標(biāo)對系統(tǒng)進(jìn)行抗干擾能力，精度方面的測試；以及對系統(tǒng)的各個功能的實(shí)際測試驗(yàn)證。1、本監(jiān)測系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)合理，設(shè)計(jì)思路符合現(xiàn)場工作條件的要求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用軟硬件相結(jié)合的設(shè)計(jì)思想，將一些任務(wù)單一，功能簡單和需要較高響應(yīng)速度的操作直接交由硬件電路完成；另外將一些實(shí)現(xiàn)過程復(fù)雜并且在實(shí)現(xiàn)過程中的穩(wěn)定性不好易改變的工程由軟件編程來實(shí)現(xiàn)完成。從而實(shí)現(xiàn)了不但使得每項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求條件，同時還節(jié)約了設(shè)計(jì)成本，使得本系統(tǒng)具有較高的性價比。修改軟件比修改電路板更容易方便，在實(shí)際的調(diào)試、試驗(yàn)運(yùn)行中驗(yàn)證了這種方法的正確性。從而達(dá)到縮短設(shè)計(jì)周期，完成設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求。2、在設(shè)計(jì)過程中需要采用必要的措施保證系統(tǒng)的測量精度、以及響應(yīng)時間，在十幾種，需要選用高精度、低溫漂的高精度電阻作為放大器電路中的反饋電阻;還需要選擇轉(zhuǎn)換速率及精度較好的芯片，我們在測量轉(zhuǎn)轍機(jī)工作功率的時候選擇功率專用芯片ATT7022,很好的達(dá)到了這方面的要求。在軟件方面采用滑動濾波的方法，很有效地保證了測量精度方面的要求，但是當(dāng)滑動濾波的周期過大時會造成系統(tǒng)響應(yīng)時間的增大，經(jīng)過試驗(yàn)測試，最終得到最有效的措施達(dá)到了兩方面要求的規(guī)定。3、本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用了多參數(shù)電能采集芯片ATT7022A簡化了硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)，使有功測量滿足0.5S，同時具有精度高，功能擴(kuò)展方便，軟件易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。其硬件電路采用C8051F410混合信號型MCU作為控制的核心，大大降低了整個系統(tǒng)的功耗和體積，提高了實(shí)時控制能力。依照以上設(shè)計(jì)方案，業(yè)已成功研制出了功率轉(zhuǎn)轍機(jī)，在經(jīng)過軟件校準(zhǔn)后，系統(tǒng)輸出的直流模擬信號達(dá)到了4?20mA。該系統(tǒng)具有很高的可靠性，很強(qiáng)抗干擾能力，能穩(wěn)定地應(yīng)用于鐵路沿線，為火車平穩(wěn)、安全地行駛提供技術(shù)上的保障。本文最后應(yīng)用了一種基于RS485總線技術(shù)的轉(zhuǎn)轍機(jī)分布式監(jiān)測系統(tǒng)模型，提高了鐵路設(shè)備管理工作的信息化、實(shí)時性和高效性。5.2設(shè)計(jì)的不足與改進(jìn)本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的工作現(xiàn)場環(huán)境中的測試試驗(yàn)已經(jīng)證明，各項(xiàng)性能指標(biāo)能夠基本達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，但是在進(jìn)行試驗(yàn)的過程中也發(fā)現(xiàn)了一些設(shè)計(jì)上的不足之處。具體的不足之處主要包括了：1）電流源電路模塊中要將占空比不同的PWM信號輸出轉(zhuǎn)換為電流信號時，需要精確地電阻和電容。為此電阻和電容的精確度