基于STM的轨道超偏载数据采集系统的硬件设计

浙江东方职业技术学院 余 伟

基于STM的轨道超偏载数据采集系统的硬件设计

浙江东方职业技术学院 余 伟

轨道超偏载数据采集系统的硬件是轨道超偏载的重要组成部分。在实际工程中直接影响数据的精度，本系统采用STM32F10作为处理器,传感器选用HBM60T，用放大器AD620完成。由数据采集仪对传感器的模拟信号进行采样，通过滤波、放大、再通过A/D转换，然后把信号通过MOXA卡接口传给工控机处理数据。

STM32；数据采集；动态轨道衡

随着现代微电子技术的发展，传统的数据采集系统有了很大的改进和提高，对轨道超偏载数据采集系统做了深入的研究。全国生产轨道超偏载仪的公司有很多：武汉利德测控技术有限公司，承德五岳测控技术有限公司，北京东方瑞威科技发展有限公司等，这些公司轨道超偏载仪的产品有个共同点：都是在动态电子轨道衡的基础上改进而来的。利用多种传感器测量火车车厢的超载、偏载等问题，提供数据。

1　轨道超偏载系统总体方案设计

通过对轨道超偏载的实际使用分析，我们确定总体方案需要两大部件：硬件部分和软件部分。轨道超偏载系统如图1所示。

图1　轨道超偏载系统

硬件部分主要有四大部分构成：电源模块,采样模块,输出模块和主控制器等。电源模块一方面给数据采集仪主板供电,另一方面提供足够精度的参考电压；采样模块主要为放大滤波电路和A/D转换电路构成等；主控制器则为工控机部分，一般采购工业控制计算机，保证工作可靠性，降低差错率等要求；输出模块负责数据的显示、报警、数据的分析、数据的传输等综合业务处理功能。可以根据功能需要不断改变和升级。

2　轨道超偏载数据采集硬件设计

数据采集仪在系统整体中具有重要地位。数据采集仪的好坏直接影响产品质量。轨道超偏载系统的硬件结构框图如图2所示。

图2　轨道超偏载系统的硬件结构框图

轨道超偏载系统的结构设计主要包括以下几个部分：

1)电源系统电路。直接采购符合要求的电源。电源输入要求为220V交流，输出要满足多种直流电压（±10V,±12V,±5V,±3V等）。满足对传感器、放大电路、滤波电路、A/D转换电路、微处理器和接口电路的供电。

2)传感器。传感器的选择很重要,它直接决定测量的精度，传感器有两种类型：重力传感器和剪力传感器，两种传感器各四只，分别在轨道超偏载系统室外轨道平台的两端，利用二力合成的原理计算测量的重量信息、列车的方向信息、超载偏载的信息等，是整个系统的关键部件之一，本系统采用的重力传感器为德国HBM60T型,剪力传感器采用意大利AEP FT1型。

3)放大电路。由于实际工程中传感器输出的信号非常微弱,需要将传感器输出信号进行放大处理后才能信号处理。

4)A/D转换电路。放大电路把信号放大滤波处理之后给A/D转换电路处理。因为计算机处理的数据需要是数字信号，而传感器信号通过放大滤波处理之后是模拟信号，只有把模拟信号转换为数字信号之后，才能计算机软件处理。A/D转换器芯片的位数影响处理精度，一般采用16位的A/D转换芯片。

5)微处理器。传感器采集数据时间非常短,只有几百个毫秒,需要采用处理频率高，速度快的芯片。本系统采用STM32F103系列芯片。

6)串口电路。本系统中有两个串口,RS485接口和RS232接口。RS485传输距离远，抗干扰强主要用于下位机与上位机之间的通信；RS232传输距离短主要是负责与GPRS模块进行通信。

2.1微处理器相关电路设计

微处理器作为整个系统的核心,决定了系统的准确度和稳定性,是系统的大脑。本系统采用STM32F103微处理器。此微处理器是意法半导体集团的产品，它高性能、低成本、低功耗，内核：ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/ MHz。单周期乘法和硬件除法。

图3　电源结构图

2.2电源系统设计

电源系统可根据要求采购或自行制作。本数据采集系统需要的直流电压等级多，而且精度高，波动小。开关电源输入为市电220V交流，输出为12VDC,然后滤波处理电路只有给AD620供电，同时又斩波电路把12VDC转5VDC,12VDC转10VDC,其中5VDC给芯片供电，需要降噪电路，把5VDC转2.5VDC和3VDC。其电源结构图如图3所示。

2.3放大电路设计

本系统釆用AD620实现放大功能。AD620是一款低成本、高精度仪表放大器，使用方便，仅需使用一个外部电阻即可设置增益。其放大倍数为1-1000。AD620的内部结构如图4所示。

图4　AD620的内部结构

2.4A/D转换电路

本数据采集系统采用四路重力传感器和四路剪力传感器信号测量,A/D转换器采用AD公司生产的AD7655芯片。AD7655是一款低成本、同步采样、双通道、16位、电荷再分配SAR模数转换器，采用5V单电源供电。该器件内置两个低噪声、宽带宽、可同步采样的采样保持放大器、一个16位高速采样ADC、一个内部转换时钟、纠错电路以及串行和并行系统接口端口。每个采样保持放大器前方都含一个多路复用器，以提供4通道输入ADC。A0多路复用器控制输入允许选择同步采样输入对INA1/INB1（A0=低）或INA2/INB2（A0=高）。该器件具有两种采样模式：一种是极高采样速率模式（正常模式）；一种是低功耗模式（脉冲模式），用于低功耗应用，其功耗与吞吐量呈比例关系。工作温度范围为40°C至+85°C。

3　结束语

基于STM的轨道超载偏载数据采集系统中从整体方案上优化了数据采集功能，在数据采集仪的设计上采用了微处理器、电源、放大电路、A/D转换芯片等，实现了对列车货物的检测，可以实现轨道超载偏载的检测处理，同时可以检测出列车的运行速度，从而保证铁路运输的安全。由于本设计使用的项目不多，在实际使用的项目中产品的精度和稳定性不错，值得轨道超载偏载系统开发者借鉴和进一步改进。

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余伟，讲师，现供职于浙江东方职业技术学院，研究方向：电力电子技术，数据采集处理，计算机控制。