轨道衡数据采集与传输系统设计方案探讨

陈瀚鸣 中国铁路上海局集团有限公司科研所

1 引言

动态轨道衡作为铁路称重衡器，特点是对行进中的火车进行动态称量。随着现代自动化技术的发展，传感器技术的革新，轨道衡、汽车衡等大型衡器得到了大量应用。它们的出现既提高了货物运输的效率，又保障了货物运输过程中的准确性。但随着时代的发展，仅仅采用以往的静态轨道衡已经无法满足现在快速测量的要求，动态轨道衡应运而生。动态轨道衡凭借着计量速度及时、计量范围大、准确度较高、性能优秀等优点，广泛运用各企业。但是轨道衡从静到动的转变过程中，动态轨道衡始终存在一大弊病：精度低。因此本文从动态轨道衡数据传输的角度，解析比较如何优化，能够提高动态轨道衡数据采集中的精度。

2 轨道衡数据传输结构介绍

动态轨道衡上过车时，车速以低速（5 km/h-20 km/h）通过称台时，每节车厢的转向架会按顺序作用在称台台面，产生重量信号通过称体传输给传感器，传感器会将被测车辆的质量和车轴变化信息作为模拟电压信号输出。采集系统则将重力传感器输出的模拟信号转化为计算机可以处理的数字信号，然后再通过计算机进行数据处理，得出数据，如图1所示。

图1 轨道衡信号传输示意图

本文将着重分析图2中的数据采集传输过程，研究传输过程中的硬件设施配置、相关电路优化、配套软件升级。

图2 轨道衡数据采集系统框图

3 放大电路

在动态轨道衡中，传感器输出的信号很小，之后的处理都要用到放大电路。放大电路一般采用仪表放大器完成。仪表放大器是一种精密的差分电压放大器，它是运算放大器的改良版。仪表放大器会把关键的元件集成在放大器内部，所以具有高的共模抑制比，高输入阻抗，低噪声，低线性误差，低失调漂移等有点，广泛运用于数据采集中。常见的仪表放大器有差动放大器、双运放仪表放大器、三运放仪表放大器等。

3.1 差动放大器

差动放大器的结构如图3所示：

图3 常见差动放大器基本结构

它是由两个原件完全相同的共射级放大电路组成，电位器RP是用来调节T1，T2管的静态工作点，使输入信号UI=0时，双端输出电压U0=0。RB是两管共用的射级电阻，它对差模信号无影响但对共模信号有很强的负反馈作用，可以抑制零点漂移，稳定静态工作点。

该电路的传递函数为:

该放大器显而易见，结构简单，仅使用一个运放即可完成信号放大，但缺点也很明显，输入阻抗低。输出增益仅由RC和RE的比值决定，高增益的同时输入阻抗就会降低。而且，这种电路噪声性能也并不优秀，提高输入阻抗就要增加电阻阻值，这样容易产生更大的噪声信号。最后，此电路共模信号比会得到抑制，除非再增加运放级联引入增益，否则并不是很适合轨道衡如此高精度的信号处理。

双运放仪表放大器的结构如图4：

图4 双运放仪表放大器

3.2 双运放仪表放大器

双运放仪表放大器的输入阻抗较高，直流共模抑制性能会受到R1/R2和R1’/R2’的匹配限制。这种结构的共模抑制比对电阻器阻值变化的灵敏度比差分放大器要略大一些。由于两个通路不平衡，同相通路信号的频率响应与反相通路信号不同。由于反相通路要通过两级电路而不是一级电路，因此在反相通路中出现了一个相位延迟，并且压摆率和带宽特性也会不同，其噪声性能也会差一些。

动态轨道衡中可以使用双运放仪表放大器。以AD厂家的AD627为例（图5）：

图5 AD627简化示意图

AD627是一款完整的微功耗仪表放大器，提供轨到轨输出摆幅，采用单电源供电。AD627提供出色的交流与直流性能，工作时的最大功耗仅为85μA。

AD627是使用两个反馈环路构成的真正仪表放大器。它的通用特性类似于那些传统的双运放仪表放大器，并且可认为是双运放仪表放大器，但是其内部细节有些不同。

AD627采用改进的电流反馈电路，与内级前馈频率补偿电路耦合，因而在DC以上（特别是50 Hz～60 Hz电源频率）的频率条件下具有比其它低功耗仪表放大器更好的共模抑制比（CMRR）。

如图5所示，A1与V1和R5连接构成一个完整的反馈环路，迫使流过Q1集电极电流恒定。假设此时不连接增益设置电阻器（RG）。电阻器R2和R1完成环路并且迫使A1的输出电压等于具有1.25（几乎精确）增益的反向端电压。由A2构成的几乎相同的反馈环路迫使一个电流流过Q2，它本质上与流过Q1的电流相同，并且A2也提供输出电压。当两个环路都平衡时，从同向端到VOUT的增益等于5，而从A1的输出到VOUT的增益等于－4。A1的反向端增益（1.25）乘以A2的增益（－4）使反向端和同向端的增益相等。

轨道衡放大电路采用AD627有以下优点：

单电源条件下输出，电源压力小；

双电源条件下仍然拥有优良性能；

增益通过外接电阻调节，G最大可达1 000；

共模抑制比会随着G增大而增大，减小误差；

低功耗，宽电源电压，线性、稳定性、可靠性好；

较宽的共模输入范围；

高精度直流、交流性能。

3.3 三运放仪表放大器

三运放仪表放大器的结构如图6：

图6 三运放仪表放大器基本电路

第一级电路让共模信号有效地通过，没有任何放大或衰减，第二级差动放大器将共模信号去除。由于额外提升了差分增益，虽然电阻器的匹配状况并没有改善，但是系统的有效共模抑制能力却得到了增强。在实际应用中需要注意：

（1）必须在第一级提供增益；

（2）系统的共模抑制不是由前两个放大器的共模抑制比性能决定的，而是取决于两个共模抑制的匹配程度。然而双运算放大器从来不会给出这一指标，因此选择时必须要求CMRR性能指标比需要的目标性能指标至少好6 dB；

（3）如果电阻器有某些对地的泄露通路，CMRR指标就会降低；

（4）仪表放大器前面的元件要尽可能设计得平衡。如果仪表放大器同相通路中低通滤波器和反相通路中低通滤波器具有不同截止频率，系统的CMRR特性将会随着频率的升高而降低。

对于仪表放大器的第一级，每个运算放大器都要保持其两个电压输入端的电压相同。图4中R4两端的差分电压应当和两个输入端的电压相同，这个电压产生一个电流，流过电阻器R3并产生了放大器的增益。

目前轨道衡放大电路较多地采用的是AD公司的三运放仪表放大器，或者是TI公司的INA系列。三运放仪表放大器相较于双运放仪表放大器相比，结构性能高，噪声和CMRR性能会随着增益的增加而改善，高频性能好，很适用于轨道衡。图7以AD公司的AD625为例：

图7 AD625的芯片结构

通过外接电阻R1,R2,R3控制增益，可以控制1-10000倍的增益放大范围。RF为反馈电阻。在轨道衡电路中，一般将RF设置成20Ω。为使输入信号放大后幅值在3/4满度附近，图示电路中将R1,R2设置到20Ω，R2,RG设置到100Ω，通过公式:

可得G=401。在具体轨道衡运用中，既可以调节增益电阻RG，也可以固定AD625的放大倍数，在滤波电路处理后再次进行二次放大，调节二次方大电路的反馈电阻阻值进行输出增益控制。

4 滤波电路

滤波一般才用普通的RC滤波电路，一级二级均可。RC滤波电路相比LC滤波电路，体积小，成本低，且适用于低频信号滤波；自动轨道衡过车多为货车，摆动与振动频率较大，高频信号很多，RC低通滤波电路在消除高频信号中表现优于LC滤波电路，更适用于自动轨道衡（图8）。

图8 一阶有源RC低通滤波电路图

5 A/D转换器

自动轨道衡中，终端接收来自线路上的模拟信号并转化为数字信号，所以A/D转换电路通常采用D/A模数转换芯片，一般的四测区称重模块需要有四路采样通道，16位单极模数转换。以AD公司的7655为例（图9）：

图9 AD7655外部引脚图

输入范围±5 V和±3 V，由35号CNVST引脚启动。当接收到CNVST脉冲时，此芯片内部会将满足模拟输入范围的输入电压信号经过采样-保持-放大器转换，放大至0 V～3 V范围，然后送至ADC输入端。

轨道衡中的DA转换器主要要注意一下几个指标：

分辨率：是DA转换的精度。轨道衡模数转换精度要求不是太高，选用分辨率一般的（如电压输出型或电流输出的TLC系列）即可。

建立时间：电流输出型较短，电压输出型较长。自动轨道衡对建立时间要求不高，因此选用电压型或乘算型（如AD7553）即可。

转化精度：如AD7655，采用一个二极管在输入端做ESD保护，当输入超出范围时，会形成正向偏压，保护短路电流；采用差动输入，减少小信号共同输入，因此有良好的转化精度。

6 结束语

自动轨道衡数据传输主要由以上几个部分组成，其中滤波电路和模数转换电路选择比较随意，放大电路的选择较多，也是数据处理流程中比较重要的一环，需要对比优劣，选择最适合的放大电路元器件。关于数据传输系统软件计算机部分和终端部分内容较多，在此不做展开，希望本文能够抛砖引玉，帮助大家对轨道衡的数据传输有一个更直观的了解。