马晟杰

摘 要：目前液压转辙机在铁路转辙机使用占有率达80%以上。尤其在高铁站，占有率达90%以上。根据铁路局故障统计结果显示，道岔故障占故障总量的45%以上。道岔液压转辙机核心数据就是油缸的压力数值。通过对压力数值的分析可以预判转辙机故障，可以把道岔故障消灭在萌芽状态，极大减少道岔转辙机的故障。目前压力测试使用机械压力表。机械仪表易损坏且不具有数据存储与读取历史数据功能，人工依赖性较大，严重影响了道岔液压转辙机状况观测的时效性。采用智能数字压力表可极大地改变道岔液压转辙机的检测技术，可以长时间安装在转辙机、能存储3个月的压力值。有条件可以联网把压力值及时传回室内。有利于铁路设备监测的自动化、确保道岔检测时效性和检测质量，压缩道岔液压转辙机的故障率。

关键词：铁路液压道岔；压力表；设计

1 研制道岔液压转辙机智能数字压力表的设计要求

1.1 产品功能需求

①采用4位LED显示屏，显示压力值。②具有历史数据存储功能；智能数字压力表可以对转辙机压力在线监测并记录。可以存储一年的动作压力数据。③具有系统休眠功能，通过监视电机启动电流，唤醒和休眠智能数字压力表，每天工作大约20次左右。④采用电池供电，低功耗，电池更换周期大于三个月。⑤采用外部供电模式时可扩展RS-485通信功能。⑥具有自检测功能。⑦工作温度：-40℃～70℃。

1.2 产品性能要求

①测量压力范围：正常工作压力0～14MPa，极限压力不大于20MPa；②测量精度小于0.5MPa；③分辨率为0.1MPa。

1.3 电源及功耗 电池供电时，工作电压3.6V DC，功耗不大于0.6W；外部供电时，工作电压12V DC（暂定），功耗不大于0.6W。

1.4 环境适应性要求

1.4.1 高温要求

工作试验：在70℃条件下保温2h后，产品应能正常工作，性能应满足1.2条要求。

1.4.2 低温要求

工作试验：在-40℃条件下保温2h后，产品应能正常工作，性能应满足1.2条要求。

2 设计方案

2.1 产品组成

产品由油路转接和液压传感器组件、电流监视器组件、CPU板组件、显示和按钮组件、电池组件、外壳组件等组成。

产品原理框图见图1。

2.1.1 油路转接和液压传感器组件

产品安装紧固用锥管螺纹螺钉，其自设置有垂直中心孔和横向侧孔连通，用于油路导通，将油压引入产品内部传感器；同时产品安装凸台上下面放置有紫铜垫，经锥管螺纹螺钉紧定密封。

液压传感器选取量程为0-3000psi。具有以下特点：①焊接式或过程式接头选择；②±0.25%非线性；③±1.0%温度误差；④±1.0%互换性量程（需接增益调节电阻）；⑤固态结构，性能可靠。

液压传感器供电由MOS开关转换，信号器在休眠模式时，传感器无供电；当收到电流监控单元信号或收到CPU相应指令时，MOS开关打通，传感器供电工作，从而延长电池使用寿命。

液压传感器输出电压信号为0～100mV，信号经运放放大后再由解算单元采集计算。

2.1.2 CPU板组件

CPU板组件主要包括电源转换电路、CPU及外围电路、显示屏驱动电路、时钟及存储电路。

①电源转换电路。CPU板供电为3.6V，选用TI电源转换芯片将3.6V电压转为5V和10V分别为其他各部件供电。② CPU及外围电路。CPU采用MSP系列超低功耗微控制器做为解算单元，MSP由多个器件组成，这些器件特有针对多种应用的不同外设集，此架构与扩展功率描述组合使用，是在便携式测量应用中实现延长电池寿命的最优选择。③时钟及存储电路。时钟单元采用时钟芯片，该芯片具有内部晶振、充电电池、串行NVRAM的高精度和免调校实时时钟，与CPU的接口电路采用工业标准I2C总线，从而简化了接口电路设计，无需扩展任何外围元件可构成一个高精度实时时钟及具有256Kb非易失性SRAM的数据存储电路用于数据存储。④数据采集模块。产品采用内部电池供电时，经可扩展U盘/SD卡读写模块，将数据从CPU的USRT或SPI接口经U盘/SD卡读写模块存入移动存储设备。

产品采用外部供电模式时，传感器测得的信号经运算放大后由CPU采集处理数据，通过工业标准RS485总线有线传输。

2.2 软件设计

软件采用模块化设计，主控程序流程是：系统完成上电后，首先关闭中断，然后初始化数据及外设，之后开启中断，进入程序主循环。在主循环中：CPU循环检测是否有外部信号输入（按键或电流监控器信号），若有则启动A/D中断并读取其标志位，读取A/D转换值，然后计算出对应的压力，驱动显示屏显示数据，调用当时时钟且存储数据。

软件为一般处理程序，采用顺序结构。

软件技术设计如下：①健壮性设计：软件跑飞后，可自动复位系统，并且具有自检功能，对于干扰信号和异常现象能够及时处理；②多余物处理：软件中不应包含执行不到的语句，不应定义不使用的变量；③软件应关闭不使用的中断；④故障处理设计：软件应包含自检测功能，实时输出故障信息。

2.3 “可靠性、维修性”设计

①选用满足使用温度湿度环境要求的器件、原材料；②充分考虑电池过载保护能力和使用环境要求，以保证电池的性能在规定的使用环境条件下不会降低；③电源特性设计，保证系统能在外接电源波动情况下正常工作（外部供电时）；④选用满足使用环境要求的表面处理工艺。电池可原位更换。