基于ATmega16的便攜式機車信號發(fā)生器的研制

摘要：便攜式機車速度信號發(fā)生器能夠模擬機車運行參數(shù)，準(zhǔn)確輸出速度變化信號，便于檢修工作人員及時排查故障點，提高檢修效率。該設(shè)備采用手持式結(jié)構(gòu)，主集成了脈沖形成模塊、功率放大模塊、故障診斷、信息顯示及輸入輸出等功能模塊，形成一套完善的系統(tǒng)，能夠獨立，精確模擬機車速度信號，并能方便，有效，可靠的檢測出機車速度信號相關(guān)的線路狀況，本文詳細(xì)敘述了該信號發(fā)生器的研發(fā)方案、系統(tǒng)構(gòu)成和主要功能特點，并介紹了其現(xiàn)場使用情況。

機車速度檢測系統(tǒng)是關(guān)系機車可靠控制和機車安全運行的重要環(huán)節(jié)，直接影響機車運行的安全正點。目前周內(nèi)鐵路主要干線機車機車的過渡裝置、監(jiān)控裝置、防空轉(zhuǎn)系統(tǒng)、車載軸承檢測裝置所需的機車速度信號，是由安裝在機車輪對車軸上的速度傳感器提供的。普遍采用了光電速度傳感器，速度信號提供給速度表、列車運行監(jiān)控記錄裝置系統(tǒng)、機車控制電子柜以及內(nèi)燃機車微機勵磁系統(tǒng)。當(dāng)機車回段檢修時，由于不能動車或動車速度不高，沒有速度信號輸出或輸出速度信號強度不夠，因而這些需要速度信號的系統(tǒng)檢測就成了機車測試、檢修中一項比較困難的工作。為此，設(shè)計研制機車光電速度傳感器模擬信號發(fā)生器，使機車在靜態(tài)不動車情況下模擬發(fā)出速度信號，對滿足機車檢修工作的需要有著重要意義。

1 總體方案

1.1 系統(tǒng)設(shè)計原理

該設(shè)備發(fā)出的模擬信號要求與國內(nèi)鐵路各干線上目前所用的DF4D，DF8，DF11，SS7，SS8及SS9等型機車上所裝的速度傳感器輸出信號相互兼容，同時由于各種機車輪徑不同，該設(shè)備要能夠調(diào)節(jié)輪徑大小，并輸出對應(yīng)頻率脈沖，該機車速度信號發(fā)生器應(yīng)達(dá)到如下要求：1)信號輸出為占空比為50%的方波信號，高電平選取12V;2)輸出帶寬為2～9 999Hz;3)輸出最大直流電流為10 mA;4)輸出精度為1%;5)采用數(shù)字

液晶表頭顯示對應(yīng)機車速度;6)適用DF-16型各種光電式速度傳感器。

1.2 主系統(tǒng)框圖

主系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件電路設(shè)計

2.1.1 單片機來模擬傳感器的脈沖信號發(fā)生電路

由于單片機的工作頻率高達(dá)12 MHz，而機車速度信號經(jīng)過換算后的最高頻率是4.23 KHz(按300 km/h)，因此用單片機設(shè)置模擬信號精度高(0.05%)，而且操作簡單，界面友好。

2.1.2 電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)主要是為各個系統(tǒng)供電，為保證速度信號發(fā)生器和機車電路的安全，所有電源都采用了光耦隔離措施，確保了機車與發(fā)生器獨立工作，本裝置主要需要5 V、3.3 V等電源，均采用模塊化的DC—DC開關(guān)電源，DC—DC開關(guān)電源具有極寬的輸入范圍。

2.1.3 人機交互界面

采用3.5寸彩色液晶屏，該顯示器采用TFT總線型，具有全硬件實現(xiàn)。不死機，穩(wěn)定可靠。

2.1.4 速度信號輸出與采集電路

為保證速度信號發(fā)生器和機車電路的安全，信號的輸入輸出都采用了光耦隔離措施，確保了機車與發(fā)生器獨立工作。

2.2 軟件設(shè)計

ATmega16在軟件上能有效支持C語言及匯編語言。C語言目前已成為設(shè)計嵌入式系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)語言，它既有普通高級語言結(jié)構(gòu)化編程、可讀性好、維護方便的特點，又具有匯編等低級語言對硬件訪問方便、代碼效率高的特點。本設(shè)計是用C語言編程實現(xiàn)的，具有很好的可移植性，其程序流程圖如圖5所示。

2.2.1 脈沖產(chǎn)生軟件設(shè)計

速度信號發(fā)生器最重要的數(shù)據(jù)輸出就是速度信號，速度信號的脈沖頻率直接由速度和輪徑?jīng)Q定，并且與速度成正比，與輪徑成反比。該設(shè)備通過軟件設(shè)定實際機車的輪徑，并設(shè)定模擬速度，通過軟件計算發(fā)送出對應(yīng)的速度信號，下面介紹程序里的速度脈沖信號產(chǎn)生部分：

程序思路為：先由設(shè)定的速度和輪徑，通過計算得出車輪轉(zhuǎn)速，由車輪轉(zhuǎn)速計算得出需要信號的周期，并對周期加以分析，通過特定參數(shù)對周期修正，得出需要的頻率，最后配置定時器在I/O口輸出對應(yīng)的脈沖信號。

3 結(jié)束語

基于ATmega16單片機的便攜式機車信號發(fā)生器具有功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、性價比高等優(yōu)點，并且減少了外圍接口器件，提高了系統(tǒng)工作可靠性。

在實際應(yīng)用中能同時測試四路機車速度信號，具有使用簡單、可靠、維修方便、容易、操作安全、靈活等多種優(yōu)點，測試結(jié)果直觀，能直接顯示出機車速度檢測部分的電源錯誤、斷路錯誤和速度檢測準(zhǔn)確度等。