0．  引言

在评价铁路运营时，接触压力是最为重要的一项。本文介绍了一种基于AT89C(S)51和12位高精度AD转换器的弓网接触压力采集装置的软硬件设计，实现了高速高精度采集。

1．接触压力检测系统的设计原理

 受电弓前后滑板在垂直方向上，主要受到自身重力（沿受电弓均匀分布），支持力，接触压力和惯性力，受力示意如图1^[1]所示：

                         图1   受电弓滑板受力示意图

我们假设滑板是个刚体（运动过程中不会因受力而发生形变）：

                                                           (1)     

                                                         (2)       

                                                             (3)

                                                      (4)

为滑板上四个支持点处测得压力值；F _c为接触压力；对受电弓滑板而言，其归算质量就是其本身质量m；g为重力加速度；a为受电弓滑板的运动加速度，其值可由加速度传感器测出。由上式可知通过测量压力传感器的值和加速度传感器的值，我们可以测量出弓网间的接触压力。

2．硬件设计

针对上述原理可知，我们需要主要需要对压力传感器和加速度传感器的输出值进行测量。而这两者的数据采集原理都主要是模数转换，本文主要对于压力采集卡的设计进行具体分析。其大体可以分为两个部分：前段电流 电压转换模块 和 模拟电压数字化采集模块。

2.1 前端电流 电压转换模块

常用工业传感器，为了实现良好的抗干扰特性，传感器传出信号往往是电流信号（4-20mA），而AD芯片采集时，只能识别电压信号，故前端我们常采用电流-电压变换电路实现。系统中每路压力传感器（共4路）的电流信号需转换为±2.5V(4路信号叠加后变化范围为-10V到+10V，这正好为AD574A的最大工作输入范围)的范围内的电压信号，以便送给AD芯片进行处理。为保证电流和电压满量程对应，故设计为: 4mA对应-2.5V；12mA对应0V；20mA对应+2.5V。图2中，A1输出电压值为：

           (5)

A1可将电压反向； A2反相输入端加入一个+2.4V的直流电压，使得电压零参照点得以调整；A2增益调节，我们很容易将各路压力传感器输出控制在-2.5V +2.5V。        

                 图2  前段电流 电压转换模块

2.2模拟电压数字化采集模块

系统使用AT89C(S)51(2)单片机结合AD574A对模拟信号数字化。高压端系统负责采集各种信号, 进行调整处理, 通过光纤将数据下传至低压数据处理系统。本模块主要包括由单片机控制的多路开关、AD采样、光电隔离、数据传输、以及电源供电等单元^[2] ，下面对主要单元进行介绍。

2.2.1 多路开关

多路开关CD4051(AD750)^[3]与采样保持器LM398对加速度传感器和压力传感器进行选通。

2.2.2  AD采样

应变式压力传感器一般采样频率大约为1KHZ左右，AD574A在采样保持器的配合下，采样频率可以稳定在20kHz-26kHz之间，完全可以满足采集要求（奈奎斯特定理），其分辨率为1/（2¹² ）= 0.024%，完全可达到高精度高速采集的要求。电路如图3^[4]所示。

2.2.3 数据传输

由于弓网接触压力采集单元处于27KV的高压处，高压采集模块与低压通信模块之间由于存在很高的电势差，如果使用双绞线不仅对低压模块和工作人员带来危害，且由于弓网附近的电磁干扰会对数据的传送造成一定影响。所以可以采用光纤^[5]作为通信介质，完成高低压信号传输。在高压端采用美国AT公司生产的HFBR-1528发送头进行电光转换；低压端，接收头HFBR-2528收到的数据通过单片机可被传送至下位机（电脑）中分析和存储。单片机和下位机间采用RS-232-C接口，进行串口数据传输。

                  图3  AD采集模块部分硬件（AD574A）电路图

3．软件设计

    该部分的基本功能是控制高压端的单片机系统在接受到控制信号时，可以准确、迅速地将模拟值转化为数字值，并通过光纤通道将其送到低压端系统进行处理和分析。系统采用循环采集、中断传输等基本思想，对压力数据进行采集。下面介绍最重要的部分：“存储-传输”区设置和中断传输。

3.1 采集存储与中断传输区设置

单片机内部存储空间有限，且中断传输与循环采集是同步进行的，所以我们必须利用AT89C(S)51(2)有限的RAM空间进行数据区的不断调换，以达到目的。其基本思想为：设有两段数据区分别为30H 39H和50H 59H。利用41H和42H单元，存放数值30H和50H，代表这两个数据段的起始地址，并以43H作为中转单元，在每轮循环后自动交换41H和42H的内容。采集区和发送区的地址指针由R0和R1表示，两指针分别从41H和42H读出初始地址值，并在完成一次发送或者采集后，指针自动加一。当初始计数器发现采集和传送的个数已达到初始设定的10个数据时，会给数据指针R0和R1重新赋值，也即将41H和42H交换后的值分别赋予R0和R1。显然，当R0初始值为30H时，R1初值为50H；R0初始值为50H时，R1初始值为30H。故可轻松完成发送和传输数据区的交换，以充分利用51单片机有限的存储空间。

3.2  中断传输

系统将传输数据的方式设为中断方式。中断入口为0023H。当我们使用SBUF命令后，单片机使用UART将寄存器A中的数据以串口方式发送（串口方式1，定时器方式2）。波特率固定计算公式：

                              (6)

    定时器工作在方式2（k=8）， 为11.0592MHZ，SMOD设置为1,计算得波特率19200bps。中断传输的基本思想为：进入中断后首先保护特殊寄存器PSW，然后检验单轮10个需发送的数据是否发送完毕（初始设定发送和采集的数据段均为10个单元）：若完成

则关闭串口中断，还原特殊寄存器PSW中的值，并跳出中断程序，等待单轮采集的完成。待接到单轮采集也完成的信号后。程序跳转至上述数据区指针R0和R1初始赋值的地方，接受新的赋值；若未完成，则先清空发送中断标志位T1，读出发送区的数据，通过串口UART将数据发送出去。之后，发送区地址指针自动加1，同时还原特殊寄存器PSW的值，然后跳出中断，等待串口中断的响应。待本次发送的数据完全发送完毕后，串口会发出中断。这时，程序再次进入中断发送程序，发送下一个数据。请注意，这样的好处是，在等待的这段时间，单片机可将工作重点全部放在循环采集上，从而实现了系统设计之初提出的循环采集、中断传输，以提高系统工作效率的目的。

4．结果分析

4.1 静态模拟数据采集

 对电路进行静态模拟采集，以稳压源模拟恒力作用。由实验结果可知最大波动为19.52mV（AD芯片分辨率为4.88mV），采集误差为：e=19.52/20000=0.0976%。

4.2  静态数据采集

    外加恒力情况下，将采集模块和压力传感器相接，并把压力传感器输出电流值绘制成图。虽然已从硬件上进行滤波，但由于电磁干扰，仍然存在16处明显的误码。再通过软件滤波处理，我们可以得到外加恒力下，传感器的输出电流情况，如图4 所示。采集结果在一个很小的范围内波动，原因为：（1）测量系统内部有许多电路元器件，其热噪声带来了系统误差；（2）压力传感器测量时，由于自身输出不稳定而产生的误差。（3）电路板上布线不完全规范（4）系统虽采用的稳压源供电，但其输出电压在小范围仍然会有一定波动。

4.3 动态数据采集

对传感器施加外部动态压力，并将采集到的数据绘制成图5。通过与施力情况分析对比可知，数据采集系统能够准确地采集到数据，实现对压力数据的采集。

    图4恒力作用下软件滤波后输出电流值         

图5 动态变化输出数据波形图

5、总结

准确地对弓网的接触状态进行监测，可减少弓网故障损失、改善弓网的质量。由于系统易受到外界干扰，所以加强软硬件滤波和抗干扰等设计十分重要，这可使系统的准确度进一步提高。同时传感的安装方式对测量结果有很大影响，安装时一定要注意。

参考文献：

[1] 池田充.接触导线和受电弓间接触力的精密测量法[J].铁道机车车辆工人.2004,1: 27-29

[2] 宋毓芬.接触力测量装置 [J].铁道机车车辆.1997,3:11-14

[3] 员天佑,谢阅,李潮.基于单片机的多路信号异步采集技术[J]. 微计算机信息.2006,4-2: 44-45

[4] 胡汉才. 单片机原理及其接口技术 [M]，第2版. 清华大学出版社. 2004.2

[5] 朱德胜.德国接触网动态检测技术[J]. 电气化铁道. 2004,3: 13-14