基于单片机的机车速度信号模拟与测量装置

郑 平

（南昌铁路局 福州机务段，福建福州350014）

目前我国铁路机车上使用的速度传感器主要有光电转速传感器、霍尔式速度传感器和磁电式速度传感器3种，其中使用最多的是光电转速传感器（以下简称光电传感器）。在机车运行状态下，光电传感器为轮缘涂油器、电阻制动装置等机车电气提供速度信号。对静止状态下的机车进行检修时，安装在车轮转轴上的光电传感器没有速度信号输出，这样就很难对需要速度信号才能工作的机车电气进行检修。为了对这些机车电气进行检修，需要能模仿光电传感器输出信号的装置。有时为了随车检测机车电气工作状态，也需要准确地测量光电传感器输出信号反映的速度与机车实际运行速度的差异。为此研制了基于单片机的机车速度信号模拟与测量装置（以下简称模拟装置）。

1 硬件结构

模拟装置主要由模拟信号发生器、标准信号发生器、信号高电平电压测量、机车轮对直径设置、LED数码管显示及单片机最小系统等电路组成。

1.1 模拟信号发生器

模拟信号发生器电路如图1所示，主要由可调精密电压基准LM431、多圈电位器、电压频率转换器AD654、六反相器CD4069、光电耦合器及一些电阻电容等组成。

AD654第1脚为方波信号输出端，第2脚为逻辑地，第3脚与地之间接定时电阻R，第4脚为同相电压输入端，第6、7脚为定时电容C输入端，第8、5脚为正、负电源输入端。本电路采用单电源供电，第2脚与第5脚接电源负端。输入电压U量程由定时电阻R决定，即U／R=1mA。本电路U=0～2V，取用R=2kΩ。输出频率f由C决定，f=1／10C（f单位为kHz，C单位为μF）。本电路C=0.0 2μF，输出频率范围为0～5kHz，调节多圈电位器W1可改变输出的模拟信号频率。

图1 模拟信号、标准信号、电压测量电路

模拟信号发生器中的光电耦合电路元件取自因机械故障报废的光电传感器。机车上的光电耦合电路发光二极管由15V直流电驱动发光，光栅盘在车轮转轴的带动下旋转，利用光栅盘遮挡作用使光源变为断续光，在断续光的作用下光敏三极管通、断交替切换而产生方波信号。在模拟信号发生器中改由方波驱动发光二极管产生断续光，因此从5芯插座第5脚输出的模拟信号波形与负载能力几乎与光电传感器输出信号一样。

1.2 标准信号发生器

标准信号发生器电路如图1右上方所示，主要由14级二进制分频器／振荡器CD4060、32 768Hz石英晶体振荡器、反相器及一些电阻电容组成。CD4060产生方波信号经反相器、限流电阻、稳压管后，输出频率为1 024Hz、高电平电压为10V的标准信号。标准信号用于模拟装置自校，也可作为第2路模拟速度信号使用。

1.3 信号高电平电压测量

信号高电平电压测量电路如图1左上方所示，由AD654、二极管及一些电阻电容组成。模拟装置或光电传感器输出的方波信号经峰值保存与分压后进入电压频率转换电路，这样方波信号高电平电压就被转换成频率信号，频率信号送往单片机测频，所测频率值除100即为信号高电平电压，通过调节1kΩ精密多圈电位器对信号高电平电压测量值进行标定。

1.4 机车轮对直径设置

机车轮对直径设置电路如图2左侧所示，由反相器、多圈电位器、电容及电阻组成。轮对直径设置电路利用CD4069中的两级反相器和R、C元件构成阻容振荡器，振荡器产生的方波信号送往单片机测量频率，频率测量值即为机车轮对直径，调节多圈电位器W3即可改变机车轮对直径设置。

图2 轮径设置、单片机系统、数码管显示

1.5 LED数码管显示

LED数码管显示电路如图2右侧所示，由8个共阳极LED数码管、8个9012三极管及一些电阻组成。

1.6 单片机最小系统

单片机最小系统如图2左侧所示，由89C52单片机、时钟电路、自动复位电路组成。系统时钟频率为12 MHz，89C52单片机内8K可电擦除存储器用于存放测量程序。

1.7 工作电源

模拟装置工作电源采用内置4节3.7V锂电池，锂电池经过二极管为模拟与标准信号发生器电路供电，通过LM7805为其他电路提供5V电源。锂电池可持续工作十几个小时，锂电池亏电时可外接稳压电源充电。

2 测速原理

假设机车速度为v（km／h）、轮 对转 速为n（r／min）、机车轮对直径为D（mm）、模拟装置或光电传感器输出信号频率为f、轮对每转光电传感器输出脉冲数为P（目前国内机车P为200），那么机车速度v可用式（1）表示。

模拟装置采用单片机多周期同步测频法测量速度信号频率，多周期同步测频法原理如图3所示。

图3 多周期同步测频法原理

从a点开始，单片机外部中断口INT0收到速度信号下降沿时，INT0中断服务程序通过软件触发定时器／计数器T0开始对计时脉冲m的计数（计时脉冲频率为单片机时钟频率的1／12，单片机时钟为12MHz，每个计时脉冲时间为10-6s），同时开启对速度信号脉冲M的计数。之后速度信号脉冲每个下降沿到来时，INT0中断服务程序在计数的同时还要查询T0计时时间是否已超过预定的测频时间t0（t0为1s）。当计时时间超过t0时，单片机就停止T0的计时，同时也停止对速度信号脉冲的计数。这样就实现了对速度信号脉冲与计时脉冲的同步计数，所以f与M、t、m之间的关系可用式（2）表示。

将（2）式代入（1）式就得到v与D、M、m之间的关系如式（3）：

3 测量程序简介

测量程序主要有主程序、INT0中断服务程序、T0中断服务程序、显示程序等。

3.1 主程序

主程序完成系统初始化及显示测量结果的任务。系统初始化主要包括设置堆栈指针地址，内部RAM存储器清零，设置T0为16位定时器、T1为16位计数器、并预置T0与T1的初值，设置INT0、INT1为脉冲下降沿触发方式，设置INT0为中断优先级，设置允许INT0、INT1与T0中断等。

系统初始化结束后主程序通过不断调用显示程序的方法来显示测量结果。

3.2 INT0中断服务程序

INT0中断服务程序用于对速度信号计数及控制T0、T1的运行。当INT0第一次收到速度信号下降沿时将T0、T1运行控制位置1，这样T0开始计时、T1开始计数，然后返回主程序。INT0随后再中断时将记录速度信号脉冲数的RAM内存单元加1，同时查询标志1s时间到的RAM内存单元是否为1。查询结果为0时马上返回主程序，查询结果为1表明计时时间已到，此时就停止T0计时，并且禁止一切中断。随后读入T0计时与T1计数结果、读入机车轮对直径设置值D，按公式（3）计算获得机车速度，再将速度计算结果与代表信号高电平电压的T1计数值送往RAM内存显示单元供显示程序使用。最后T0与T1重新置初值、将相关RAM内存单元清0、开中断后返回主程序。

3.3 T0中断服务程序

T0的作用是控制速度信号与高电平电压信号的采样时间。由于时钟频率为12MHz时提供给定时器的脉冲时间间隔是1μs，16位定时器最长定时时间只有65.536ms，因此必须采取多次计时的方法实现1s的定时时间。本程序采用每次定时62.5ms，16次完成1 s的定时任务。当62.5ms定时时间到的时候执行T0中断服务程序，中断服务程序先重新预置T0初值，然后将记录T0中断次数的RAM内存单元加1，接着返回主程序。如果是第16次中断还要将标志1s时间到的RAM内存单元置1并停止T1计数，然后返回主程序。

3.4 显示程序

显示程序的主要任务是将测量结果显示出来，8位LED数码管采用动态扫描显示方式。显示程序先将要显示的二进制数转化为8位十进制数，然后查表获得某位十进制数的段代码（包括小数点），通过P0口输出到每个数码管。接着通过P1口输送该位十进制数所对应数码管的选通信号，使该位数码管共阳极端为高电平，并通过软件延时保持一段时间，在这一段时间里只有该位数码管亮，其余数码管都不亮。该位数码管显示结束后再显示另1位，如此8位不断循环。由于每秒循环次数较多，人眼不会感觉闪烁。8位数码管中的4位用于显示机车速度，另外4位数码管自动轮流显示机车轮对直径与信号高电平电压。

4 应用

4.1 测量误差

模拟装置速度测量误差主要来自单片机时钟频率稳定度及频率误差。由于模拟装置对速度信号频率测量采用了测量精度较高的多周期同步测频法，同时通过软件修正单片机时钟频率误差，因此模拟装置速度测量误差还是比较小的。模拟装置在自制过程中用高精度信号发生器对其误差进行校验，校验结果表明模拟装置速度测量误差为±（0.1%+0.1），完全能满足机车检修工作的需要。

为了简化结构，模拟装置采用了较简单的信号高电平电压测量电路，电压测量误差约为±（2%+0.1）。由于模拟装置测量信号高电平电压的目的是为了检查机车电气能识别的速度信号高电平电压，其测量误差不会对识别结果有实质性的影响。

4.2 自校方法

自校时将图1所示的模拟／测量开关K拨向测量位、将5芯插座第1脚与第4脚连接，此时开关K断开、1 024Hz的标准信号就被用于自校，1 024Hz标准信号高电平电压被稳压管控制在10V。由于AD654构成的电压频率（V／F）转换电路有较好的线性，同时多周期同步测频法能在较宽的频率范围内获得高精度的测量结果，所以只要用一个稳定幅值与频率的方波信号自校就能达到对模拟装置测量精度进行检验的目的。

自校显示的速度值要根据公式（1）计算，当机车轮对直径为1000mm时显示值应为57.9±0.2（km／h），信号高电平电压自校显示值应为10±0.3（V）。

4.3 应用情况

2010年试制了样机在福州机务段福州检修车间与邵武整备车间试用，2011年根据试用情况改进后又自制了几台投入使用。

模拟／测量开关K在模拟位时，通过向静止状态下的机车输送模拟速度信号使相关电气处于工作状态，实现对机车电气的动态检测。

模拟装置5芯插座第4脚能输出1路速度与高电平电压可调的模拟速度信号，该信号可以通过机车上的接线端子输送到轮缘涂油器、内燃机车过渡装置、电阻制动装置等机车电气，调节电位器W1与W2改变模拟信号的速度与高电平电压，观察机车电气动作情况可判断机车电气的工作状态。

模拟装置通过5芯插座第1脚可以输出1路频率固定为1 024Hz的信号，该信号配合第4脚输出的可调速模拟信号用于电力机车空转保护系统的检测。

模拟装置还可以通过5芯插座第5脚及带有输出插头的专用连接线代替光电传感器向机车电气输送模拟速度信号。调节模拟信号速度，观察机车电气动作情况可判断该电气的工作状态、该电气与机车车体外的光电传感器之间的连接线路是否正常，此时为了判断光电传感器插座供电状态，模拟装置电源开关放置在关机位，15V工作电源从光电传感器插座获取。

模拟／测量开关K在测量位时，可以随车检测从5芯插座第4脚输入的光电传感器信号所反映的机车速度，也同时检测光电传感器输出信号的高电平电压。

5 结束语

为了能在机车静止状态下对需要速度信号才能工作的机车电气进行检修，机车速度信号模拟装置是机车检修工作中必需的检测仪器。目前路内也有单位制作了类似的检测仪器，与同类检测仪器相比模拟装置有以下几个特点。

（1）采用独特的方式设置机车轮对直径，能在不卸下光电传感器的情况下向机车电气输送模拟速度信号，使用方便。

（2）采用了与光电传感器一样的信号输出电路，能准确地模仿机车运行中光电传感器输出的信号，有利于机车电气故障的诊断。

（3）在机车运行中，能快速与准确地测量光电传感器输出信号所反映的机车速度，通过与机车实际运行速度的比较可判断相关电气的工作状态。

（4）具有速度信号高电平电压测量显示功能，通过测量机车电气能识别的速度信号高电平电压值有助于判断其性能。

［1］TB／T2760.1-2010.机车转速传感器（第1部分）：光电转速传感器［S］.

［2］孙育才.MCS-51系列单片微型计算机及其应用［M］.南京：南京大学出版社，1992.

［3］张雪平.单片机多周期同步法提高测频准确度［J］，电子测量技术，2004，（3）：60-61.