基于C8051F020的便携式轨道车辆称重仪

　　0　引言

　　在铁路轨道上对各种轨道车辆及其装载货物质量计量称量的器具称为轨道衡[1]。轨道衡按称量方式可分为静态与动态2类,静态轨道衡计量静态停于称体上的列车质量,计量精　　度较高,但计量速度受到限制;动态轨道衡可在一定车速限制条件下称量列车质量,计量速度较高,因此动态轨道衡技术得到了快速发展[1-2]。传统的静、动态轨道衡需要在专用线路上　　修建混凝土道床和基坑、动态引道基础以及机械称量台面等,结构复杂、成本高、安装周期长、维护量大;另外,轨道线路上某些装载、计量测试等环境条件特殊的情况下,无法安装使用固定轨道衡。

　　文中设计一种新型的便携式轨道车辆称重仪,不需要对现有轨道线路进行任何改动,仅需在两轨道之间安装称量装置即可实现动、静态称重。采用C8051F020高速单片机实现数据触　　发采集、动态信号处理及显示输出。

　　1　系统的总体设计

　　便携式轨道衡系统由2路称重传感器、信号调理模块、单片机系统及输入、输出模块组成,如图1所示。采用C8051F020单片机作为数据采集处理的核心。C8051F020单片机是完全　　集成的混合信号系统级芯片(SOC),采用CIP51处理器,具有与MCS251完全兼容的指令内核,其采用流水线处理技术,提高了指令的执行效率,运行速度高达25MIPS;具备多种模拟和数字外设及总线接口,支持在线编程[3]。

　　2　系统硬件的设计

　　2. 1　称重传感器及信号调理电路设计

　　考虑测量范围及应用场合,便携式轨道衡选用应变式称重传感器。便携式轨道衡安装在钢轨之间,两称重传感器由支撑杆固定塞入钢轨凹槽内,通过支撑块坐于钢轨下翼缘上。称重　　时,机车/车辆的轮对通过导向块上的斜面引导,使轮缘压在称重梁上,车轮踏面离开轨面,车辆的重力则通过称重梁、支撑块传至钢轨下翼缘乃至地基上,通过测量称重梁的弹性变形得到　　车辆的轮重。称重传感器弹性体采用高强度合金钢,尺寸由钢轨截面及安装条件决定。便携式轨道衡如图2所示,该设计已获国家专利(专利号: 200420150378. 1)。

称重传感器弹性体内采取特殊布置电阻应变片组成全桥,传感器的灵敏度为1·6 mv/V,供电电压为10 V,满量程为20 t.信号调理电路由AD620高精度集成运算放大器和OP07组成　　的滤波电路组成,如图3所示。

　　2. 2　数据采集模块及数据存储扩展电路设计

　　便携式轨道衡实现动态计量,因此对于数据采集、处理的实时性要求比较高。称重传感器的称重梁有效长度约为350 mm,对车辆的速度限制为5 km /h,有效数据采集的时间约为0·2 s.数据采集采用中断触发的方式,当车轮压到称重梁上时,传感器有电压输出,触发单片机进行数据采集。中断触发电路采用MAX917集成比较器,其最大吸入电流为2 nA,能最大限度地减小后级电路对调理信号的干扰;其参考电压设为0·2 V,在满量程20 t输出时为2·032 V, 0·2 V相当于单轮重1·96 t.模数转换器采用C8051F020内部自带的12位A/D器件,参考电平采用内部基准电平,典型值为2·43 V.