王　祥，王景存，黄　亮

(武汉科技大学信息科学与工程学院，湖北武汉　430081)

0　引言

铁路运输是钢铁生产过程中上下工序衔接的重要环节，其中静态几何参数则是轨道维护的主要依据。目前，在我国轨道状态的日常检查和维护过程中，主要靠人工拉弦线检测轨向、轨道尺检测水平和轨距等。人工检查劳动强度大且准确性差，已不能满足铁路维护与保养的需要[1]，故研制该系统。

1　系统组成

电气系统组成框图如图1所示。里程传感器、倾角传感器、位移传感器经过各自相应的信号调理电路将采集到信号进行调整，然后送往单片机处理。一方面，在工业串口显示屏LCM中实时显示测量结果，数据超限时启动声光报警，通过触摸显示屏还能设置各项参数或进行仪器的校准；另一方面，文件系统把数据存储到U盘里，结合专用的数据分析软件，能方便地在上位机中进一步分析数据。

图1　系统组成框图

2　硬件电路设计

2．1倾角传感器信号调理电路

选用的倾角传感器是基于3D-MEMS技术制作的单轴倾角传感器，具有内部温度测量和补偿功能，在工作温度范围内，产品精度能够保持在±0．005°。输出形式为RS232，经MAX3232芯片转换成TTL电平后与单片机通信。

2．2里程传感器信号调理电路

里程传感器的核心是光耦，齿轮对光线的遮挡使光耦产生脉冲信号。为了确保被单片机接收的信号准确无误，需对该脉冲信号进行整形。如图2所示，是以NE555芯片为核心构成的施密特触发器，用于脉冲整形[2]。LI_POW端与限流电阻R26连接后给光耦供电。LI_SIGN端是由光耦输出的脉冲信号，输入到NE555的第6脚。R27为输入端的上拉电阻。整形后的信号由芯片第3脚输出给单片机。

图2　脉冲整形电路原理图

2．3位移传感器信号调理电路

位移传感器信号的调理电路分为电阻桥、运算放大器、A/D转换等3个部分。如图3所示，MC1403电压基准源为电阻桥电路提供2．5 V的参考电压。该芯片具有较广的输入电压范围，温漂系数小，输出电压较为稳定，由2引脚输出准确的电压参考，保证了测量的精确性。

图3　电阻桥电路原理图

电阻桥由位移传感器、3个精密电阻和1个电位器组成。位移传感器由精密导电塑料制成，位移的变化与导电塑料的阻值线性相关。可以将其视作一个滑动变阻器，W_OUT1即位移传感器的中间抽头。利用电位器VR1调节电阻桥的平衡，直至W_OUT1和W_OUT2两端电压相等。当位移发生变化时，W_OUT2端的电压固定不变，而W_OUT1端的电压相应发生变化，这两端产生的电压差送入运算放大器AD623的输入端。

对于运算放大器的选型，要求其输入电阻高，输入失调电压小，输入失调电流小，共模抑制比高，温度漂移小[3]。运算放大器AD623是集成单电源仪表放大器，它能在+3～+12 V时提供满电源幅度的输出。它支持使用电阻进行增益编程，这样能灵活地调节放大倍数。AD623能提供极好的随增益增大而增大的交流共模抑制比(AC CMRR)，从而减小误差，还能提供很好的线性度，温度稳定性和可靠性[4]。

图4是AD623的应用电路。输入为W_OUT1和W_OUT2之间的电压差，经放大后由AD_OUT端输出。VR2最大阻值为100 kΩ，用来调节AD623的放大倍数。放大倍数根据实际所测的位移的范围和所测位移的精度选取，放大倍数公式如下：

G=100/RG+1

式中：G为放大倍数；RG是VR2的阻值。

图4　AD623放大电路原理图

如图5所示，放大后的电压信号送入LTC1291进行A/D转换。芯片的片选端CS(低电平有效)、数据输入端DIN、数据输出端DOUT、时钟翻转端CLK接到单片机的普通I/O口引脚。LTC1291分辨率为12 bit，转换时间仅12 μs，满足系统实时性需要。采用这款A/D转换芯片，测量的理想轨距精度达±0．01 mm．

图5　A/D转换电路原理图

2．4文件管理控制电路

市场上较为成熟的USB接口设计方案有2种。一种是采用自带USB接口的微处理器。但是由于这些处理器不兼容过去的开发系统，需使用与之配套的开发系统，开发成本较高。另一种是采用普通微处理器加专用的USB接口芯片。这种方案通用性强，易于开发。该系统使用USB接口芯片CH376和ATmega128单片机实现USB接口的设计。

CH376芯片是USB总线通用接口芯片，兼容USBV2．0，支持主机方式与设备方式。它有3种通信接口：8位并口、SPI接口和异步串口[5]。系统选用USB主机方式，使用异步串口和单片机进行通信，单片机通过串口给CH376发送命令来管理文件。

CH376的外围电路如图6所示。CH376采用5 V供电，串口接收引脚RXD、发送引脚TXD对应接入单片机串口0的发送与接收引脚。由于软件设计采用查询的方式检测中断，因此INT引脚连接到普通I/O口PE7(如果采用外部中断方式，则将引脚连接到单片机对应的外部中断引脚上)，中断请求低电平有效。ACT#引脚用于输出指示状态，在USB主机方式下，若USB设备断开，则该引脚输出高电平；若USB设备连接，则该引脚输出低电平。将ACT#引脚与串了限流电阻的发光二极管LED1连接，用于指示USB设备的状态。UD+和UD-引脚直接连接到USB总线上。CH376的串行通信波特率由D4、D5、D6引脚的电平组合设定，由于所选波特率为115 200 bit/s，故将D4、D6引脚悬空，D5引脚接地。

图6　CH376外围电路原理图

3　软件设计

如图7所示，软件部分的设计大致可分为2部分：一是数据的处理、储存；二是参数设置及仪器校准。

系统初始化后，首先从EEPROM中调出各项参数的设置，以便后续的计算与判断。若无按键按下，则对传感器采集的数据进行处理，计算出实际的水平、里程、轨距值，将结果显示在屏幕中。之后判断有无U盘连接，若有，则利用文件系统保存数据。另外判断测量结果是否超限，若超限则启动声光报警。

若有按键按下，则进入相应的设置界面。若进入参数设置界面，则可根据实际需要设定水平、轨距的报警值范围，还能对系统时间、屏幕休眠时间进行设定；若进入仪器校准界面，则可对位移值、水平值进行线性化处理，完成对仪器的校准，设置结果保存在EEPROM中。

图7　软件流程图

4　结束语

除上述设计外，硬件上选用防水机箱，能适应全天候作业需要；除使用大容量聚合物锂电池外，还支持外挂电源，续航时间在8 h以上；软件上，特设“上行”“下行”功能，能来回两个方向对铁轨进行检测；设置了U盘存储开关，可根据需要灵活地选择需要保存检测数据的路段。该轨道静态几何参数检测系统成本较低，稳定可靠，目前已在某大型钢厂投入使用，运行良好。

参考文献：

[1]龙京，应立军，贾文强．新型轨道静态几何参数检测仪的研制与应用．铁道科学与工程学报，2006，3(2)：75-77．

[2]肖景和．555集成电路应用精华．北京：人民邮电出版社，2007．

[3]HOROWITZ，PAUL．The art of electronics．London：Cambridge University Press，1989．

[4]许兴明，李莉．一种大电容测量中模拟小信号放大电路的设计．电子测量技术，2012，35(10)：41-45．

[5]李萍，单葆悦，刘晓东，等．USB芯片CH376在智能仪器仪表中的应用．计量与测试技术，2011，38(2)：9-10．