整理012700铁路货车制动压力采集与记录系统

1、精品文档Beijtn9 Jino Toiiy University传感器原理及应用课题研究课题名称：铁路货车制动压力采集与记录系统院 系: 机械与电子控制工程学院专 业：测控技术与仪器姓名：金文涛、张树伟、李建迎学 号： 08222010 、 08222028、 09222069教师：邱成铁路货车制动压力采集与记录系统作者：金文涛、张树伟、李建迎 摘要：本文针对机车运行过程中制动压力进行采集，设计了一种以 EPCOS（ 爱普科 斯 ）C28 压力传感器和 Atmega128L 微控制器为核心的列车制动采集系统，并 给出了系统的总体结构、 硬件组成及软件功能框图。 此系统能对制动机进行实时 监测

2、、状态分析、故障报警与排除，从而保证列车安全稳定的进行制动，具有很 好的经济效益和应用前景。关键字：列车， 制动，精简指令集（ RISC ）， GPRS 无线数据传输，模块电源精品文档0 引言? 系统背景? 系统方案框图? 传感器的选择? 单片机的选择和技术参数? 数据处理的选择? 电池的选择? 系统报价? 总结1 系统背景铁路货车是完成铁路货物运输任务的运载工具，而制动装置是铁路货车的 重要组成部分之一， 是机车车辆实施减速和停车作用的执行机构， 是确保列车运 行安全的必备装置。 对现代铁路而言， 制动的重要性不仅仅是安全问题， 制动已 经成为制约列车速度和牵引质量进一步提高的重要因素。建国

3、 50 多年来，随 着国民经济的增长， 我国铁路制动技术发展迅速。 特别是改革开放以来， 为适应 铁路快速、 重载运输的需求， 整个制动系统采用了大量的新技术， 并且取得了显 著的成效。 发展快速、重载货物列车是提高铁路运输能力的主要措施， 其关键取 决于转向架和制动系统的性能。 我国货车转向架经过近几年来的大力发展和持续 改进，已经基本定型，故制动技术成为货物列车今后发展的关键。机车是靠两个制动阀来完成制动的 , 一个是单阀 , 俗称小闸 ,是机车单机制动 的 ,另一个是自阀 ,用于整个列车制动 .平日里车厢里的制动阀都保持锁闭定位 ,只 由司机在机车内对列车进行制动和缓解 .所以说火车在刹

4、车的时候是整列都在刹 车。火车的制动靠风。火车的风是靠装在机车内的空气压缩机来产生的 , 贮存在 机车的总风缸内 ,然后由均衡风缸均压 ,一般为 600KPa, 这些风由总风管传递到 各个车厢 ,总风管就在每两节车厢连接处 ,在车钩的旁边。 当火车刹车的时候 ,司机 打开制动阀 ,风就从这根管子里压到各车厢的制动缸里 , 推动活塞运动 ,活塞是和 制动的闸瓦连在一起的 ,所以闸瓦就紧紧地抱住车轮 ,从而使火车停下来。先用压 缩空气将所有制动闸瓦顶起， 火车就能开动。 需要制动时， 司机只要开启阀门泄 气，全列车的制动立即同步进行。 而且这样的反向方式还有一个优点，车厢在 离开机车的时候， 自然

5、处于制动状态， 不会溜车。 可见机车刹车过程中检测车辆 的制动缸压力、列车管压力、副风缸压力成为列车制动控制的关键。系统功能要求以内燃机车为对象， 采集列车刹车中的一些参量。 采集的参量包括 20 节机 车制动缸压力、 列车管压力、 副风缸压力。 系统要求在列车高温及振动的环境下 对各参数检测是误差不大于 1% ，采集频率 100Hz, 运行 20 小时后要将记录的 数据转到地面 PC 机进行分析。2系统方框图12V电源、电压转换器地面终端PC机等其他设备3传感器选择3.1选择依据：?1.压力数据范围:0 600KPa? 2.精度要求：2.5 %。? 3.响应速度? 4.适当的过载能力等3.2

6、选择传感器EPCOS（爱普科斯）C28系列压力传感器工作原理：利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成，单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形，使载流子从一个能谷向另一个能谷散 射,引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使 硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶 体的取向有关。硅的压阻效应不同于金属应变计（见电阻应变计），前者电阻随Front sidePiezores stors压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸

7、的 变化（应变），而且前者的灵敏度比后者大50100倍。piezoresistors :压阻Siliconsilicon :单晶硅Diaphragm: 薄膜| DiaphragmBack 沁传感器结构:这种传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上，制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内， 引出电极引线。压阻式压力传感器又称 为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力， 而是直接通过硅膜片感受被测压力的。硅膜片的一面是与被测压力连通的高压 腔，另一面是与大气连通的低压腔。 硅膜片一般设计成周边固支的圆形， 直径与 厚度比约为2060。在圆形硅膜片（N型）

8、定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全 桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。硅柱 形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。传感器尺寸图：Checked bond area安装区域；Notel :电阻集成的单晶 硅膜片checked bond area (typ. 100|jm x 100pm)X5X4R4R3R1 R2X9X8X1图：X1: Vout-;X2: Vdd-;X3: Vdd-;X4: Vout+;X5: Vdd+;X8:二极管P极X9:二极管N极X3X2相关技术指标测量方式表压量程系列

9、0-0.16MP-1MP-2.5MP总精度0.2、0.5、1.0 级过载能力300%破坏压力4倍满量程工作温度-40140 C稳定性无故障连续工作时间大于5000小时年稳定性0.2%FS C防护等级IP165被测介质液体、气体供电5V DC输出15V温度漂移小于 0.01%PS C灵敏度-2.5 -1.9 10 A(-3) /K迟滞-0.1 0.1%FS3.3具体选择：量程选择：01MPa总 精 度：0.2级（2.5 %。,满足要求）过载能力：300%供电电压：5V输 出：1 5V3.4选择理由：EPCOS传感器具有体积小，便于安装，采用单晶硅薄膜片，测量精度高， 同时价格适中，在同类产品中具

10、有较高的性价比！3.5输出电压与测量压力之间的关系V_out=G*V_b*P=G*R_s*l*PG为压力灵敏度，mV/（Pa.V）。V_b为电桥电压，V。P为输入压力，Pa。丨为 供电电流，mA。R_s为电桥总电阻，Q。4单片机的选择和技术参数4.1本课题选用的单片机是ATMEGE128L,该单片机是由ATMEGE公司研发的增强型内置的Flash程序存储器的精简指令集 CPU（即RISC ）高速8位AVR 单片机。选用 AVR （稳压）单片机的原因是：8 位的 ATMEGE128L 完全能满足系统功能要求，相对其他的单片机速度 快，主要体现在废除机器周期和复杂的指令集 CPU （CISC ），

11、而是采用精简指 令集（ RISC ），程序 ROM 空间和数据 RAM 空间分离，取程序代码和操作数采 用分离的数据总线和地址总线，取指周期短，还可以预取指令，实现流水作业， 其机器周期等于时钟周期， 绝大部分指令位单周期指令。 因此指令的执行速度可 以达到 20MHz 。AVR 单片机内置可擦写 1000 次的 Flash 程序存储器，且有 4K 的可擦写 100000 次的 EEPROM 。编译好的目标程序可以通过系统编程（ ISP ）直接写 入 Flash 程序存储器，而不需使用专用编程器来写入程序，利于方便的修改和 烧写程序。ATMEGE128 自带高精度的 8 通道 10 位的 A/

12、D 转换器，有 USART 、API 、 TWI ，以及 IEEE1149.1 标准的 JTAG 接口。所带的 A/D 转换器能满足要求， 所以不用另外寻找 A/D 转换器，从而减少了 A/D 转换器和单片机之间接口连 接的麻烦以及硬件设备数量，尽可能的减少出故障的概率。ATMEGE128L 单片机的工作电压范围宽， 在 2.75.5V 之间，电源抗干扰 能力强。同时功耗低，具有 6 种休眠功能，能够从低功耗模式迅速唤醒，并且 采用可编程的频率选择和 CMOS 集成工艺。具有高代码效率，能在 C 语言编译环境下编译，有 32 个通用工作寄存器， 线性寻址，从而没有 MCS51 单片机的单累加器

13、的瓶颈限制。除了可以重新设置启动复位， AVR 单片机还内置电源上电复位（ POR ）和精品文档电源掉电检测（BOD ）,提高了单片机的可靠性，不用外加复位延时电路。有8位和16位定时器/计数器，可以作比较器、计数器、外部中断和PWM（脉 宽调变也可作D/A转换器）用于控制输出。AVR单片机完全免费的开发环境，包括汇编器、支持汇编和高级语言源代 码的模拟和仿真环境。基于以上突出的优点，因此选用 ATMEGE128L 作为中央处理器CPU，以 下是ATMEGE128L 管脚图：亚CNd n (LdLn ONe口 (OIAOOVtd n ogoosed n d n wottoclid n (莒Ed

14、 n n (o0C1F4 4 4 4 4 4 4爭s3s8to s s sL9 s sSO12 3 4 5 6 7b zadoLXI 应a0 EOd 為osolBL 口 芯 duGsol0987654343333333、CNC 芬 R 氐 离 s 匕8d (PNI/LUX匕 Ed荷呈LUXE LdiLlios) OQdolN_3s)ZSK3S.zmNc) PA3 (AD3) PA4 (AD4) PA5 AD5 PAG (AD6 PA7 (AD7 PG2(ALE) PC7 (A15) PC6 (A1#) PC5(A13) PC4 (A12) PC3 (A11) PC2 (A10) PC1 (AQ

15、) PCD (A8) PGI(RD) PGO(VVR)2精品文档微处理器的接口电路:精品文档精品文档38so4.2A/D 转换器(ATmega128L )分辨率256/1024=0.25%符合要求一、基本参数：? 10位精度? 0.5 LSB 的非线性度? 2 LSB的绝对精度? 13 - 260卩s的转换时间?最高分辨率时采样率高达15 kSPS? 8路复用的单端输入通道?7路差分输入通道? 2 路可选增益为 10x 与 200x 的差分输入通道? 可选的左对齐 ADC 读数? 2.7 -5.5 VCC 的 ADC 输入电压范围? 连续转换或单次转换模式? ADC 转换结束中断? 基于睡眠模

16、式的噪声抑制器4.3 工作原理ATmega128 有一个10位的逐次逼近型 ADC。ADC与一个8通道的 模拟多路复用器连接，能对来自端口 A 的 8 路单端输入电压进行采样。单端电 压输入以 0V (GND) 为基准。器件还支持 16 路差分电压输入组合。两路差分 输入(ADC1、ADC0 与ADC3、ADC2)有可编程增益级，在 A/D 转换前给差 分输入电压提供 0 dB (1x) 、20 dB (10x) 或 46 dB (200x) 的放大级。七路差 分模拟输入通道共享一个通用负端 (ADC1) ，而其他任何 ADC 输入可做为正输 入端。如果使用 1x 或 10x 增益，可得到 8

17、 位分辨率。如果使用 200x 增益， 可得到 7 位分辨率。ADC 包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到 ADC 的电 压保持恒定。 ADC 由 AVCC 引脚单独提供电源。 AVCC 与 VCC 之间的偏差 不能超过土 0.3V。标称值为2.56V的基准电压，以及 AVCC，都位于器件之 内。基准电压可以通过在 AREF 引脚上加一个电容进行解耦，以更好地抑制噪4.4 操作ADC 通过逐次逼近的方法将输入的模拟电压转换成一个 10 位的数字 量。最小值代表 GND ，最大值代表 AREF 引脚上的电压再减去 1 LSB 。通过写 ADMUX 寄存器的 REFSn 位可以把 AVC

18、C 或内部 2.56V 的参考电压连接到 AREF 引脚。在 AREF 上外加电容可以对片内参考电压进行解耦以提高噪声抑 制性能。模拟输入通道与差分增益可以通过写 ADMUX 寄存器的 MUX 位来选 择。任何 ADC 输入引脚， 像 GND 及固定能隙参考电压， 都可以作为 ADC 的 单端输入。 ADC 输入引脚可选做差分增益放大器的正或负输入。如果选择差分 通道，通过选择被选输入信号对的增益因子得到电压差分放大级。 然后放大值成 为 ADC 的模拟输入。如果使用单端通道，将绕过增益放大器。通过设置 ADCSRA 寄存器的 ADEN 即可启动 ADC 。只有当 ADEN 置位时参考电压及

19、输入通道选择才生效。 ADEN 清零时 ADC 并不耗电，因此建议在进入节能睡 眠模式之前关闭 ADC 。ADC 转换结果为 10 位，存放于 ADC 数据寄存器 ADCH 及 ADCL 中。 默认情况下转换结果为右对齐， 但可通过设置 ADMUX 寄存器的 ADLAR 变为 左对齐。如果要求转换结果左对齐，且最高只需 8 位的转换精度，那么只要读 取 ADCH 就足够了。否则要先读 ADCL ，再读 ADCH ，以保证数据寄存器中 的内容是同一次转换的结果。一旦读出 ADCL ， ADC 对数据寄存器的寻址就 被阻止了。也就是说，读取 ADCL 之后，即使在读 ADCH 之前又有一次 ADC

20、 转换结束， 数据寄存器的数据也不会更新， 从而保证了转换结果不丢失。 ADCH 被读出后，ADC即可再次访问ADCH 及ADCL寄存器。ADC转换结束可以 触发中断。即使由于转换发生在读取 ADCH 与 ADCL 之间而造成 ADC 无法访 问数据寄存器，并因此丢失了转换数据，中断仍将触发。4.5ADC 输入通道选择模拟通道时请注意以下事项：工作于单次转换模式时，总是在启动转换之前选定通道。在 ADSC 置 位后的一个 ADC 时钟周期就可以选择新的模拟输入通道了。 但是最简单的办法 是等待转换结束后再改变通道。 在连续转换模式下， 总是在第一次转换开始之前 选定通道。在 ADSC 置位后的

21、一个 ADC 时钟周期就可以选择新的模拟输入通 道了。但是最简单的办法是等待转换结束后再改变通道。 然而，此时新一次转换 已经自动开始了， 下一次的转换结果反映的是以前选定的模拟输入通道。 以后的 转换才是针对新通道的。 当切换到差分增益通道， 由于自动偏移抵消电路需要沉 积时间，第一次转换结果准确率很低。用户最好舍弃第一次转换结果。4.6ADC 基准电压源ADC 的参考电压源 (VREF) 反映了 ADC 的转换范围。若单端通道电平 超过了 VREF，其结果将接近0x3FF。VREF可以是AVCC、内部2.56V 基 准或外接于 AREF 引脚的电压。 AVCC 通过一个无源开关与 ADC

22、相连。片内 的 2.56V 参考电压由能隙基准源 (VBG) 通过内部放大器产生。无论是哪种情况， AREF 都直接与 ADC 相连，通过在 AREF 与地之间外加电容可以提高参考电 压的抗噪性。 VREF 可通过高输入内阻的伏特表在 AREF 引脚测得。由于 VREF 的阻抗很高，因此只能连接容性负载。如果将一个固定电源接到 AREF 引脚，那么用户就不能选择其他的基准源 了，因为这会导致片内基准源与外部参考源的短路。如果 AREF 引脚没有联接 任何外部参考源，用户可以选择 AVCC 或 1.1V 作为基准源。参考源改变后的 第一次 ADC 转换结果可能不准确， 建议用户不要使用这一次的转

23、换结果。 如果 使用差分通道，选择参考电压不应接近 AVCC 。4.7.ADC 噪声抑制器ADC 的噪声抑制器使其可以在睡眠模式下进行转换，从而降低由于 CPU 及外围 I/O 设备噪声引入的影响。噪声抑制器可在 ADC 降噪模式及空闲 模式下使用。为了使用这一特性，应采用如下步骤：a. 确定 ADC 已经使能，且没有处于转换状态。工作模式应该为单次转换， 并且 ADC 转换结束中断使能。b. 进入 ADC 降噪模式 （ 或空闲模式 ）。一旦 CPU 被挂起， ADC 便开始 转换。c. 如果在 ADC 转换结束之前没有其他中断产生，那么 ADC 中断将唤醒 CPU 并执行 ADC 转换结束中

24、断服务程序。如果在 ADC 转换结束之前有其他 的中断源唤醒了 CPU ，对应的中断服务程序得到执行。 ADC 转换结束后产生 ADC 转换结束中断请求。 CPU 将工作到新的休眠指令得到执行。进入除空闲 模式及 ADC 降噪模式之外的其他休眠模式时， ADC 不会自动关闭。在进入 这些休眠模式时，建议将 ADEN 清零以降低功耗。如果 ADC 在该休眠模式下 使能，且用户要完成差分转换， 建议关闭 ADC 且在唤醒后促使外部转换得到有 效值。4.8 模拟输入不论是否用作 ADC 的输入通道，输入到 ADCn 的模拟信号都受到引脚电 容及输入泄露的影响。 用作 ADC 的输入通道时， 模拟信号

25、源必须通过一个串联 电阻( 输入通道的组合电阻 ) 驱动采样保持 (S/H) 电容。 ADC 针对那些输出阻 抗接近于10 k Q或更小的模拟信号做了优化。对于这样的信号采样时间可以忽 略不计。若信号具有更高的阻抗，那么采样时间就取决于对 S/H 电容充电的时 间。这个时间可能变化很大。建议用户使用输出阻抗低且变化缓慢的模拟信号， 因为这可以减少对 S/H 电容的电荷传输。如果使用差分增益通道，输入电路有 所不同，建议使用几百k Q的源电阻。频率高于奈奎斯特频率(fADC/2)的信号 源不能用于任何一个通道， 这样可以避免不可预知的信号卷积造成的失真。 在把 信号输入到 ADC 之前最好使用一

26、个低通滤波器来滤掉高频信号。5 数据处理的选择通过 GPRS 模块处理打包由单片机传输来的数据，再通过 GPRS 、 GSM 或 GSMR 等无线网络将采集到的数据发送到地面实验室、手持设备、 PC 机等 设备上。实现快捷方便的异地实时数据采集5.1 MC55 无线模块是当今市场上尺寸最小的三频模块 ,其紧凑型电话 Smart phones PDAs 发展的趋势 ,55 模块能够大大提高您将语音和数据传输功 能溶合到您的产品的集成度。 MC55 适用于欧洲和亚洲的频段场的频段 (850/1800/1900MHZ), 新 的 模 块 被设 计 用 于 MICROSOFT,WINDOWS MOBI

27、LE ? BASED, 所需的 RIL/MUX 软件业已包含在音乐会主范围内 ,西门 子无线模块的技术支持将为我伞兵模块应用于您的产品提供帮助,并且 MC55 模块已经获得 R&TTE,FCC,GCF 和 PTCRB 栋准备认证 ,以及众多网络讯市场获 得的长期经验 ,西门子能够帮助您减少产品研发过程中的成本。特点：?紧凑的尺寸(35 X 32.5 X 2.95 mm ), 仅5.5 克的重量? 双三频工作模式 : 900, 1800 和 1900 MHz? 语音和数据传输功能? 设计用于基于 Microsoft? Windows Mobile #8482; 平台的设备 (Smart phon

28、es and Pocket PCs).? GPRS (class 10) 标准， 支持 PBCCH5.2 目前国内主要有 3 种解决远程监控的办法：1 )采用卫星通信；2) 采用普通的大功率无线(RF )数传电台；3) 借助移动公网( GSM/GPRS/CDMA )来传输。其中， GPRS 具有“永远在线”、“快速登陆”、“按量计费”、“切换自如”、 “高速传送”、“安全可靠”等优点，且 GPRS 是在原有 GSM 网络上开通的一 种新型分组数据传输技术，它可以充分利用现有的 GSM 网络，覆盖面广，实 时性好，传输速率高，运营费用低，支持 IP 协议。以它为技术支撑，可以用最 简单、最低成本

29、、最安全可靠的方式构建远程监控网络，大幅节省了人力物力， 提高了工业控制的自动化水平。5.3 ATmega128L 和MC55 都有标准的 RS232串行物理接口，只需把 Atmega128L 的PE5 与 MC55 的IGT 相连，用于启动MC55 模块，Atmega128L 的TX0/RX0 与MC55的TX0/RX0 相连，进行数据的输入输出; MC55的RING0接从ATmega128L的中断线，作为数据传输的中断信号。数 据传输率为9 600 b /s，满足本系统单片机传输的数据量要求。 晶振为11.059 2 MH乙-一3 3 3 5 5 3 44严BATTt F VDDJLPBA

30、TTCTMIGT222 ONDQTpx FNIS B. 13A 笔I r 一禺14 丁市卜阳 2 Atmegal28 lj MCS5 侵I I 电路C3伍c I6A A A A A5.4 GPRS数据传输模块原理图:TXMTXDRXDIRXDOHESOIRJNOOBATT* DATT+BATT* tJATT*BATT-CCVf(CCCLK GPRS CCI 5阳 CtgSTCCtN MC注血血RF5PTIXTRESET INT47 kQ47 L0图 GPR當戦攜传搶糅烘的电塔原理田由于该模块电源引脚有5个，且电压都是3.34.8 V，因此这里将5个引 脚连在一起，直接接到外部电源上。 GPRS

31、模块上的引脚IGT主要是用于点火 复位，这里作用是做GPRS模块的一个复位转换。在 MC55的基带处理器上有 一个综合SIM接口，直接接线到主机接口 （端到端连接器），用于连接到外部的SIM 卡座。这里接的SIM卡有6个引脚CCCLK，CCVCC，CCIO，CCRST，CCIN以及CCGND分别对应接在MC55的第1到第6个引脚上。5.5 GPRS模块实物图:5.6 SIEMENS MC55 GPRS无线通信模块参数品牌：SIEMENS型号：MC55支持网络：GSM/GPRS电源电压：3.34.8 v通讯接口型式：RS232频段：900/1800 MHz外形尺寸：35 X 32.5 X 2.9

32、5 mm温度范围：-30 C to -20 C 至 U +55 C to +80 C6电池的选择所需电压：单片机直流5V,传感器直流5V , GPRS模块直流3.7V。方案设计：利是用6V蓄电池然后利用三段集成稳压电源调节到 5V给传感器、单片机供电，再调节到 3.7V给GPRS模块供电。选用6V铅蓄电池，电池如下：供应6v铅酸蓄电池类另U:【供应】产品分类:日用商品 日杂用品地区：广东省 广州市发布时间:2009-07-03有效期限:一年（点击放大）详细内容：详细信息品牌森锐类型储能用蓄电池电池盖和排气拴结构阀控式密闭蓄电池荷电状态免维护蓄电池电压6 (V)不需维护（无需充水），无需均衡充电，用途广泛 使用寿命长，0.5AH to 24AH 可达 5 年，33AH to 100AH可达10年，100A