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1、目 录1 概述. 1 2 总体方案 . 2 2.1 机械结构 . 2 2.2 电气测量系统 . 4 3 测量原理 . 5 3.1 轨向测量原理 . 5 3.2 轨距测量原理 . 6 3.3 水平（超高）测量原理. 6 3.4 高低测量原理 . 6 3.5 里程测量 . 7 4 主要技术指标及传感器选型. 8 4.1 主要技术指标 . 8 4.2 传感器选型 . 10 5 硬件结构 . 12 5.1 MCU. 12 5.2 模拟电路 . 12 5.3 串行 Flash存储器 . 13 5.4 报警电路 . 13 5.5 键盘和显示 . 13 5.6 电源电路 . 13 5.7 实时时钟 . 14
2、 6 单片机软件设计 . 15 6.1 软件结构 . 15 6.2.功能模块 . 15 7 数据分析处理系统. 20 8 试验验证 . 20 9 结束语 . 22名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 23 页 - - - - - - - - - 研制报告1 1 概述在铁路现代化建设中，检测仪器对轨道质量所能起的监 测作用，在技术 上有着高层次的 要求。加大 对轨道 的检测， 提供 高准确度的 检测数据，对 促进铁路各部门技术进步，进行技术 改造，提高劳动生产率
3、和社会经济效益有着深刻的意义。在对轨道 参数检 查中，静态检查是线 路日常养护的 主要信息来 源。目前 ，在我国轨道状态的日常 检查和作业质量验 收的过 程中， 静态检查主要由经 验丰富的工人人工拉弦线进 行轨向检测，轨道 尺检测超高和轨距， 巡道工进行道 钉及其他缺陷检查。人工 检查存在着诸多问题 ，已不能满足铁路高 速化的需要。1手段落后 ，主要由工人手持简 单工具实现， 劳动强度大、测量不连续、 测量间距不等、效率低，测量结 果与测量人有关，个体性差异 大，主观因素影响 大。2人力物力消耗 大。由 于各参数检查分散进行，一次全面检查至少需要 89个人。3人工 抄写并 统计超 限数据，信息
4、再加工薄弱，无法科学评价 轨道质量， 成为制约工务信息化建设 的瓶颈。4数据纸介质保存，没有充分利用历史数据记录，也不能被其他管理信息系统使用。5数据可移植性差 ，没有事后分析功能， 信息损失大。6基本没 有涉及到数据处理， 还是依靠人工判断，无法做 进一步统计分析7辅助维修 生产决策的意义不大 ，主要是人工 统计后，根据数据 简单安排作业计划，由于误差 加大，检验数据 将对后一阶段大中修计划周期地 制订，重点施工维护任务的确定带来误导。近年 来，铁路 部门开始使用轨检 车对线路轨道 状态进 行检查。轨检 车用于检测轨道 的各种动态参 数，其检测的稳定性、可靠性、 准确度 等各方面都较高。但是
5、我国 轨检车总量少，只在铁路 局配属 ，并且，轨检 车的造价昂贵，体 积庞大，检测成本很高，设 备投资 大，维修保 养费用高；轨检车的检测作业，需要统一的计划，不适合于基层单位的配备。在这种情况下 ，铁路 局一般每半月 使用轨道检查车对全局正线进行一次检查，对主要 干线进行一次抽查。七十年 代以来，随着微型计算机的发展与广泛应 用，在测试技术 的领域 中出现了完 全突破传统概 念的一代仪器仪 表。这种仪器仪 表内部含有微处理器， 使计算机技术和仪器 、测量技术 有机地结合起来 ，具有信 号采集 、数据处理 、显示记录、传输和测试 过程自动控制等一 系列功能 。人们习惯 上把这类 仪器称为智能仪
6、器（Intelligent Instrument）。对轨道 参数检测中， 手工 检测落后且存在很多问题 ，高科技轨道检 查车动态检查又存在着使用的局限性 。因此，运用智能检测技术，研制 一种便捷 、轻巧、准确度 高、连续 测量， 具有 数据显示 、存储 、传送等功能的轨道 参数检测仪器 势在必行。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 23 页 - - - - - - - - - 研制报告2 轨道静态几何参数检查仪的研制旨在解决铁路轨道 维护中检测 手段落后 ，
7、劳动强度大，工作效率 低，数据 粗糙等状况，提高轨道 参数测量 的工作效率 和准确度 ，减轻劳动强度，为轨道维护施工提供 可靠的原始数据和 管理决策 信息，推动轨道维护信息 化的发展。2 总体方案根据现场需要，轨道 静态 几何参数检查仪设计 成人工 推行的小型推车。检查仪在 T 型的机械结构 上安装检测装置，整个检查仪由锂电池供电，检测系统中 的微型计 算机系统 自动控制整个检测 过程和记录数据，能实时显示 所测参数，包括里程、轨向、轨距、水平（超高） 、高低， 具有人 机对 话功能， 可以在自动检测过程中随时记录轨道的各种缺陷。检测系统 将现场检测的数据存储在 IC 卡内，在交班时可将所有测
8、量数据 经过读卡器录入 PC 机中以便做进一步的数据处理和分析。为了能提高检测 准确度 ，轨道 静态几何 参数检查仪能适应被测参数的变化，能实现 自动进行补偿、自动校准、自动寻找故障 、自动掉电保护、数字信号处理等功能。整个检查仪包括机械和电气测量 两部分。2.1 机械结构轨道静态几何参数检查仪外观图如图 1 所示。图1 轨道静态几何参数检查仪外观图参照附图 ，图 2、3、4 为相关机构图。如图：单轮梁 3 腹腔中安装有水平（超高）传感器 22、动力电池 23、轨距传感器 24。轨距传感器 24 通过安装在滑动机构 15、25 上的可移动的定位机构 16 的相对移动来推算轨距， 弹簧机构 27
9、提供压紧力使左侧定位机构 1 和右侧定位机构 16 能贴紧钢 轨内侧面；超高传感器 22 与单轮梁固 定，通过倾角来推算超高的大小。正矢定位机构 1 安装在长双轮梁 中部名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 23 页 - - - - - - - - - 研制报告3 的托架 33 和滑块机构 35、36 上，能在 弹簧机构 37 的作用 下根据长双轮梁 上定位机构 29、30 之间的位置变化进行正矢测量。长双轮梁 和单轮梁的下部安装有行走轮 17、31、38；行走
10、轮 17 外侧安装有里程旋转编码 器 18，用于测量小车行走的距离；行走轮 17 可以根据轨道轨距 的变化相对钢轨中心来回滑动。长双轮梁 中部安装有直线导轨 36、弹簧机构 37、矢距测量传感器 托架 33、正矢传感器 34 和纵平传感器 32。手推杆 8 与单轮梁外壳 3 通过旋转台 4 连接，可通过机构 5、6、7 随时旋转、倾斜和锁紧；控制盒 12 安放在手推杆 8 上的控制盒支架 11 上。轨距传感器 24、超高传感器 22、里程旋转编码 器 18、正矢传感器 34 和纵平传感器 32 的测量值通过屏蔽电缆（图中未作标记）送入控制盒 12 中进行数据处理，计 算后的轨距、超高、里程、正
11、矢、纵平、三角坑值通 过控制盒 12 上液晶显示屏显示，同时存入控制盒 12中的 IC 卡中；通过控制盒 12上的键盘可以实时输入检测过程中轨道 上的各 种缺陷及标记；交接班 时 IC 卡中的数据通过 IC 卡读写器读入 计算机中， 通过专门编写的软件进行分析处理， 推算三角坑 ，对检测数据进行统计 、分析， 并以图表方式显示、打印和存储， 为线路的维护提供 依据。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 23 页 - - - - - - - - - 研制报告4 2
12、93 8130313233343536372.2 电气测量系统电气测量系统原理 框图见图 5。轨距传感器信号调理电路单 片机 数据 采集 系统P C 处理分析水平传感器方向传感器高低传感器里程编码器U S B读卡器打 印机显 示器FLASH存储卡液晶屏键盘A/D 超 限报 警图5 电气测量系统原理框图图 3 单轮梁图 4 双轮梁名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 23 页 - - - - - - - - - 研制报告5 轨距传感器 、水平（超高）传感器 、里程
13、编码器、轨向传感器和高低传感器通过屏蔽电缆与数据采集仪连接。各 传感器测量 值通过信号调理电路 调理后送入A/D 转换器，转换后的数据送入单片机 进行数据处理和存 贮，计 算后的轨距、水平（超高） 、里程、轨向和高低 值通 过液晶 显示屏进行显示， 当通过单片机处理分析， 发现某个检测参数超 限而影响 行车安全时，单片机 将发出 声光报警信号，以便做出及时处理 。操作人 员通过键盘可以实时输入检测过程中轨道 上的各 种缺陷及标记。现场检测的数据都存储在 IC 卡内，在交班时，可以通过读卡器将 IC卡中的测量数据 读入计算机中做进一步的数据处理 、分析和 打印。3 测量原理轨道 静态几何参数检查
14、仪的测量 项目包括： 轨距、水平（超高） 、轨向 、高低、里程和 三角坑 。各种轨道参数检测 装置采用的检测原理 有弦 测法、惯性基准法和叠加法。轨道静态 几何参数检查仪的轨向和高低测量原理 是弦测法和叠加法，水平（超高）的测量原理 是惯性基准法。3.1 轨向测量原理测量轨向 的原理图如图 6 所示。轨向测量时， 间距 1m 的两定位点 在单轮梁右弹簧 的作用 下压紧钢 轨左内侧，安装在单轮梁左侧滑 块上的 轨向测 头在左弹簧 的作用 下始终紧贴左 轨内侧轨顶下部 16 mm 内，轨向传感器测量 出 1m 弦长的轨向 D1，每前进 0.25m测一次。将测得的数据按叠加原理可以推算出 10 米弦
15、的轨向值。右 钢 轨左 钢 轨轨 距测 头方 向测 头双 轮 梁 定 位头 A双 轮 梁 定 位头 B图6 轨向和轨距测量原理图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 23 页 - - - - - - - - - 研制报告6 3.2 轨距测量原理轨距测量原理 图见图 6。 轨距测量时 位于双轮梁 上的两个定位头和轨距测 头在右弹簧 的作用 下贴紧钢 轨内侧面。轨距是由两钢轨间的设计距 离 D(D=1435mm)与两侧钢 轨偏移量 D1 和 D2 组成。左侧的偏移量
16、 D1 由轨向传感器测量 得到，D2 由轨距传感器测量 得到。实际测量时，在标 准轨距（ 1435mm）时的 D1 和 D2 的值都标定为零，即在标准轨距的直线上 D1 和 D2 都为 0。由于轨检仪机构 材料的热胀系数 与轨道实 际情况不一致，必须对温度变化引起的 测量误差 进行修正。由此得到轨距的计算公式为：S=D+D1+D2Lt(1)式中：S 表示实际测量值；Dl 为左侧轨向传感器 所测轨距分量 ； D2 为右侧轨距传感器 所测轨距分量 ；D 等于标准轨距 1435mm；Lt 为温度补偿修正值，其数值为 11.110-61400(Tc-T0)mm，Tc 为仪器工作时温度，T0 为仪器标
17、定时温度。3.3 水平（超高）测量原理水平定义为同一轨面断面 的两轨顶之高度差，曲线上称为超高。水平（超高）测量原理 如图 7 所示。图7 水平（超高）测量原理图单轮梁上的水平（超高）传感器能测量出左、右钢轨高差形成的角度的 ? 。水平（超高）计 算公式如下：HStg=(2)式中：H水平（超高） 值；S=1505mm；? 水平（超高）传感器测量 值。3.4 高低测量原理高低指 钢轨顶面沿竖直纵 向起伏变化量， 反映轨道在 竖直平面内的不平顺。高低的测量原理 如图 8 所示。水平 传感 器名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - -
18、 - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 23 页 - - - - - - - - - 研制报告7 图8 高低测量原理图如图 所示，安装在双轮梁 上的高低传感器（电 涡流位移传感器）能 够测量 出前、后轮 1m 距离内离轨面的距离 h1，而高低传感器 离双轮梁 前、后轮底面连线的距离 h0 是已知的，所以纵向 lm 范围 内钢轨的起伏变化量 h 可以求得。h0h1h-=(3)式中：h 为纵向 lm 范围内钢轨起伏变化量；h1 为高低传感器 的测量值；h0 为常量。钢轨的高低测量 与轨向测量 一样，每前进 0.25m 测一次。将测得的数据按叠加原理可以推算出 10 米弦的高
19、低值。3.5 里程测量里程测量 的目的是确 定检查仪的行进位置。采用 1000线转的旋转编码 器来测量轨检仪 走过的距离，根据测量 开始前输入的起始里程， 即可确定检查仪当前的位置。旋转编码 器转动一周，发出 固定的脉冲数，当与旋转编码 器连接的行走动轮的外径（64mm）确定后，每个脉冲代表的的长度也随之确定，因此根据脉冲数就可以确定检查仪所走过的里程 。在软件 控制中， 旋转编码 器根据设 定的测量步长对应的脉冲数来给单片机 发中断，控制检查仪自动进行测量。高低传感器双轮梁前轮双轮梁后轮名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - -
20、- - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 23 页 - - - - - - - - - 研制报告8 4 主要技术指标及传感器选型4.1 主要技术指标轨道静态几何参数检查仪检测 的线路范围包括 160km/hv100km/h 的正线及到发线。铁路线路维修 规则规 定线路轨道 静态几何尺寸容许偏 差管理值如表 1。表1 线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值作业 验收(mm) 经常 保养(mm) 临时修补(mm) 项目160 v120 正线120v100 正线v 100正线及到发线其它站线160 v120 正线120v100 正线v100 正线及到发线其它站线160 v120
21、正线120 v100 正线v100 正线及到发线其它站线轨距+4 -2 +6 -2 +6 -2 +6 -2 +6 -4 +7 -4 +8 -4 +9 -4 +8 -4 +8 -4 +9 -4 +10 -4 水平 （超高）4 4 4 5 6 6 6 8 8 9 10 11 高低4 4 4 5 6 6 6 8 8 9 10 11 轨向（直线）4 4 4 5 6 6 6 8 8 9 10 11 注：1）轨距 偏差不 含曲线上 按规 定设置的轨距 加宽值，但最大轨距（ 含加宽值和偏差）不得超过 1456mm。2）轨向 偏差和高低 偏差为 10m 弦测量 的最 大矢度值。铁路维修规则规 定轨道线路曲线应
22、保持圆顺，用 20m 弦在钢轨踏面下 16mm处测量轨向， 其偏差不等超过表 2 规定的限度。表 2 曲线轨向容许偏差（20m弦轨向）缓 和曲线的 轨向 与 计算轨向 差(mm) 圆曲 线轨向 连续差 (mm) 圆曲线轨向最大最小值差(mm) 曲线半径 R （m）正线及到发线其他 站线正线 及到发 线其他 站线正线及到发线其他 站线R250 7 8 14 16 21 24 250R350 6 7 112 14 18 21 350R450 5 6 10 12 15 18 450650 3 4 6 8 9 12 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - -
23、- - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 23 页 - - - - - - - - - 研制报告9 为了使检查仪的数据准确 地反映 轨道的几何 状态，各项测量装置 应满足准确度要求。1轨距检测铁路维修规则规 定在曲线处轨距 按表 3 规定得标准在内股加宽。由轨道静态几何尺寸容许偏 差管理值表和曲线轨距加宽标准表可知，最大超限轨道 的轨距范围 14311460mm。考虑留 有余量，检 查仪的测量范围设计为 14101470，测量 准确度达到 0.5mm。表3 曲线轨距加宽标准曲线半径(m) 轨距 加宽(mm) R350 0 350R300 5 R300
24、 15 2水平（超高）检测水平（超高）测量 准确度 应达到 0.5mm。根据铁路线路维修规则 ，线路实际设计最大超高，在单 线上不 得大于 125mm，在双线上不 得大于 150mm。因此可以确定水平（超高）检测 的范围为200mm。3轨向检测轨向的检测范围，在曲线上时最大。曲线上轨向正矢的计算公式：8RlH2=(4) 式中：R圆曲 线半径(m)，l弦长(m)，H轨向正矢(m)。从式(4)可以看出在曲线上轨向 的大小与曲线半径成反比，当曲线半径越 小，所要求的检测范围就越 大。 轨道静态几何参数检查仪按照最小工作半径为 120m 设计。当 R=120m，l1m 时，由式(4)可以计算得到 H=
25、1.04mm。因此 1m 弦轨向的传感器检测 范围选为2.5mm。由表 1 知，用 10m 弦长测量轨向， 应精确到 1mm，而轨检仪 的轨向测量 弦长为 1m，根据轨向计 算公式(4)，可以得到轨检仪在测量轨向时，准确度 应达到0.01mm。4高低检测高低测量 的测量原理 与轨向测量 相同，准确度 要求和测量 范围也相同。由上文可知，检查仪各检测项目的技术指标 如表 4 所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 23 页 - - - - - - - - -
26、 研制报告10 表4 检查仪的主要技术指标4.2 传感器选型传感器选 用时要 考虑的性能指标 包括： 线性量程、供电方式、输出 方式、非线性误差、 灵敏度、分辨力、频率响应、稳定度、温漂、工作温度、抗干扰性能、寿命等。除此之外，由于系统采用电池供电，还要考虑 耗电量。在以上性能指标中，对 于工作温度的要求，都要采用工业 级温度。准确度是 传感器 的一个重 要的性能指标， 它是关系到整个测量系统测量 准确度的 一个重 要环节 。传感器 的准确度越高，其价格越昂贵，因此，传感器 的准确度 只要满足整个测量系统 的准确度要求就可以，不必选得过高。这样就 可以在满足同一测量目的的诸多 传感器中选择比较
27、便宜和简单的传感器 。为了便 于供电和电路 简化，各种传感器 的供电方式和输出方式要尽量选择一致。根据检查仪的测量原理 可知，轨距 、轨向和高低测量 可以选用位移传感器，而水平（超高） 由于采用了三角 关系进行间接测量， 需要选用倾角 传感器，里程测量选 用旋转编码 器。一、轨距传感器轨距传感器选 用非接触式的磁致伸缩传感器， 其主要技术 参数如下：l量程 ：80mm l供电：12VDC l输出 ：05V l工作 温度：T2：-2580l线性误差 ：0.05 FS l温度影响 ：0.007 FS/l重复性误差 ：优于 0.002FS l分辨力：优于 0.002%FS l频率响应：0.25ms
28、二、水平（超高）传感器水平（超高）传感器选用体积小、寿命长、可靠性 高，特别适用于运动频繁的场合的非接触式倾角 传感器 。由表 4 可知， 水平（超高）传感器测量 范围为200mm，取轨距为 1435mm，由式（2）可以得出倾角传感器量程 范围计算公式：8)1435200arcsin(=(5) 水平（超高）测量 的准确度 要求达到 0.5mm，由式（2）可以换算得到倾角传感器的准确度 要达到 0.02。考虑 各种影响因素 ，倾角传感器 的主要技术 参数如下：l量程 ：10或 020l供电：+12VDC 测量内容里 程轨 距水平 及 超高轨向高低三角坑测量范围0-9999km 1410-1470
29、mm 200 mm 100mm 50 mm 30 mm 示值误差50.5mm 0.5mm 1.0mm 1.0mm 1.0mm 备注调 头误差 .10m 弦10m弦6.25m基长名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 23 页 - - - - - - - - - 研制报告11 l输出 ：05V 或 420mA l工作 温度：4085l分辨力：0.001l线性度：0.1l响应时间：0.3s l频率响应：0.5Hz 三、里程旋转编码 器旋转编码 器的技术参数如下：l1
30、000 线l安 装方式，轴嵌 入lMax.Rot.Speed：7000RPM l供 电：5v l电流消耗 ：150mA l工作温度：4070l外壳防护等级：IP50四、轨向和高低传感器轨向和高低传感器 都选用小量程 、高准确度的 电涡流 传感器 。选取传感器主要技术 参数如下：l量程 ：5mm l分 辨力：1m l灵敏 度：0.8v/mm l非 线性度：1 % l供电：12v l输出：05v l工作温度：-30100如果仅由涡流传感器 的非线性度推测， 该涡流传感器 不能达到 0.01mm的准确度要求。为了解 决这个问题 ，一方面采用了传感器 的非线性校正技术， 提高其线性度； 另一方面我们根
31、据实际量程的要求， 选取了传感器 线性度最好的 2.24.6mm量程区段使用。在考虑测量不确定度后能够满足测量需要。五、温度测量传感器选用小巧不锈钢包装 温度传感器，主要技术 参数如下：测量范围：-40+125测量精度：2名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 23 页 - - - - - - - - - 研制报告12 5 硬件结构图 9 为检测系统 的硬件原理 框图 。图 9 轨道静态几何参数检查仪的硬件结构框图5.1 MCU MCU 选用华邦公司的 W77E
32、58，该单片机 的速度是 普通 51 系列单片机 的 3倍，具有 32K ROM 和 1k RAM。5.2 模拟电路模拟信号输入电路和 A/D 转换两部分电路 合称为模拟部分。检查仪的许多技术指标 都是由模拟部分来决定的。 无论一台智能检测系统 的功能 有多么强大，其基本测量水平主要 由模拟部分决定。输入电路的主要作用是提 高输入阻抗。输入阻抗愈高，由电路引入的误差就愈小，同时仪器对传感器电路 的影响也 就愈小。输入电路主要 由多路模拟 输入选择开关、放大器、有源滤波器、精密基准电压源等组成。多路模拟 输入选择开关中，共 8 路输入，其中：有 5 路为传感器测量信号输入，1 路为外部精密电压基
33、准输入端，用于检验内部精密电压基准源，1路为内部精密电压基准(+2.5V)输入端，1 路接地。内部电压基准和地与软件配合能起到内部电路自校准作用，以提高测量 准确度。在测 控系统中， 不可避免 地会有 高频干扰信号混杂在有用信 号当中。为了得到被测对象的正确信息 ，就需要使用低通滤波器将干扰信号衰减和滤除 。由于无源 RC 或 LRC 滤波器的频率特性较差，对干扰信号的衰减也较小，因而常采用有源低通滤波器。本设计采用二阶低通有源滤波器。经过 模拟输入电路处理 后的信号即可直接连接 AD 转换器。AD 选用的 12 位并行 AD(MAX197) 。充电接口蓄电池多输出 电源MCU IC 卡实时时
34、钟多 路模拟 开关FLASH 存储器脉 冲 分频鉴相ADC 温度传感器键盘人机接口模块模拟 信 号输入电路里程 编码 器超限报警名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 23 页 - - - - - - - - - 研制报告13 5.3 串行 Flash 存储器串行 Flash存储器 具有体积小、功耗低、管脚少、容量大、在线可编程、掉电不丢失数据、价格低廉以及足够多的 擦写次数（10 万次）等诸多优点，在 IC 卡和便携式智能检测仪 表中广泛的应用。在检查仪的设计
35、中， 采用了两片 ATMEL公司生产的 串行 Flash 存储器 AT45DB041。其中一片用于存放用于中文显示的汉字库，另外传感器 的标定零点、传感器 比例系数、模拟电路 部分的修正系数、校准因子等都存放在这里，它直接焊在电路 板上。另外一片是 IC 卡，通过 IC 卡座与电路相连，它用于采集数据的存储，在采集结束后通过 IC 卡读写器转存到 PC机。5.4 报警电路为了指示按键已按下、错误操作以及超限报警，电路设计 了报警电路 。用 单片机 I/O 接一晶体三级管控制蜂鸣器发声。在有按键按下、错误操作（如 IC 卡错误）或线路超限时，通过软件编程控制端口 来发声报警， 以提示操作人 员。
36、通过控制 I/O 口的脉冲占空比可以得到不同的报警和 提示声音。 在硬件 上还使用 3种不同颜色的 LED 分别进行（水平）超高 、轨距、三角坑的超限报警。5.5 键盘和显示检查仪需要有人 机对话功能， 即人与机器交换信息的 功能。这个功能有两个方面的意义 ：一是人对检查仪进行状态干预和数据 输入；二是检查仪向 操作员报告运行状态与处理结 果。实现检 查仪人机对话的部件有键盘、液晶显示器 。为了减少接口数量，键盘 采用矩阵式键盘结构 。矩阵 式键盘结构 的特点是把检测线性分成两组，一组为行线，另一组为列线，按键放在行线和列线的交叉点上。键盘可以输 入必要的参 数（如起始里程 等），进行菜单选择
37、操作，输入缺陷标志等等。液晶显示电路 ：检查仪采用 240128点阵的单色带背光的液晶显示器 。液晶显示器 使用的控制器是 T6963c。考虑到能耗，对背光的采用了与手机类似的控制。按键时 背光会自动亮，当停止按键后，延时一段时间后自动熄灭 ，延时时间可是设置，在需要时也可设置为常亮。5.6 电源电路检查仪在野外作业，属于便携式仪器，采用电池供电。本设计采用了重量轻、体积小、寿命长的锂电池。由于采用了电池供电，电源 的设计显 得尤为重要。电池通常能提供一个干净的电源， 但是使用电池的应用系统必须是低功耗的。因此应使用效率 高的电源器件， 必须能够在应用系统消耗最大电流的情况下 ，提供正确的电压
38、。检测系统 包含传感器 、模拟电路和数 字电路， 需要若干组电源。表 5 列出了检测系统电源 的使用情况。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 23 页 - - - - - - - - - 研制报告14 表5 检查仪的各电路部分工作电压及电流消耗表器件工作电压电流消耗各种传感器12V 200mA 模拟电路5V 10mA 数字电路5V 100mA 数字电路3.3V 50mA 液晶背光5V 260mA 为了产生这些电源，检测系统 使用了若干低压差线性稳压器件和 通
39、用开关型集成稳压器件。电源部分的框图如图 10 所示。图10 电源电路框图传统电 压稳压器(如 7805)，输入输出压差较大，通常在 1.5v 以上，因此器件工作时自身功耗随着负载电流的增加而增加，工作时温度较高， 影响其它器件工作。所 以选用了新型低压差稳压器（ LDO），其输入输出 压差很小，通常为几百个 mv 到几十个 mv，且器件静态电流通常在微安级，由于可在很小的压差下工作，因此损耗小、效率高，特别适用于电池供电的小功率电源供电设备。对于电池供电的系统， 由于经过 一段时间的放电后，电池电压总会有一定程度的下降。为了给传感器 提供一个稳定的工作电压，采用了基于电感的 DC-DC 升压
40、芯片，可以在输入电压 216.5V 的情况下 ，输出 12V0.48V,输出最大电流为1A，效率可达到 90。为了减少对其他电路的电磁干扰，此部分的电路使用了专门的电源引线。5.7 实时时钟为了显示时 间以及记录测量日前和时间，系统 采用了美国 Dallas 公司的实时时钟芯片 DS12c887。DS12c887 芯片的晶体振荡、振荡电路、充电电路和 可充电锂电池等一起封装在芯片的上方， 组成一个 加厚的集成电路模块，电路 通电时其充电电路 便自动对可充电电 池充电， 充足一次电可供芯片时钟 运行半年 之久，正常工作 时可保证时钟数据 十年内 不会丢失。DS12c887具有完备的时钟、闹钟及到
41、2100 年的日历功能， 可选择 12 小时制或 24 小时制计时， 有 AM 和 PM、星期、夏令时间操作，闰年自动补偿等功能。DS12c887内部有 114bit 作掉电保护用的 低12V3.3V5V 背光5V充电接口电 池(9V)DC-DC 升压5V LDO 3V LDO 5V LDO 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 23 页 - - - - - - - - - 研制报告15 功耗 RAM ，可以用来保存那些在停止供电或突然断电情况下需要保存的数据
42、。在重新供电后，可以从中调用或恢复这些数据。6 单片机软件设计检测系统 的软件分 为两部分：安装在 PC 端分析处理软件和 安装检测系统 控制盒中的控制软件 。这里先介绍控制软件 。一个 典型的单片机 应用系统包括 硬件和软件设计 。硬件设计 包含软件设计 思想，软件设计 又能更好的发挥硬件功能， 而软件设计方 法的不同常常会 使系统的性能产生很大差别。在进行单片机 应用系统 的设计时，程 序员应全面考虑系统性能，采用合理的编程语言和软件结构， 使软件有很好的优良性。6.1 软件结构程序采用模块化设计， 每一个模块自成体系 并对外提供完善的接口。程序采用自顶向下的设计思路。函数主要分 为四类：
43、底层函数，负责提供和硬件 的基本接口和驱动程序；功能函数，负责 控制硬件 的基本工作 以及提供 接口协议；系统函数，负责系统的自校准，故障检测和报警 ；主程序，即 void main（）， 组织并调用其他各 个函数。6.2 功能模块控制软件设计 为四个功能模块 ：自动运行、查询数据、状态监 测、系统设 置。其界面如图 11 所示。图11 系统主菜单界面一自动运行名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 23 页 - - - - - - - - - 研制报告16 该
44、模块是智能型轨道检测分析仪在测量过程中的主要模块， 它负责 正常运行时数据 的采集，计算、显示 、存储 等全部功能。程序执 行情况如下：当选择“自动运行”菜单，按确认键后运行“自动运行”模块。程序流程图如图 12 所示。程序进入自动运行后先进入参数输入的界面，如图 13 所示。图13 自动运行参数输入界面图 12 自动运行程序流程简图初始化测试 IC 卡输入线路参数完成一 次测量 ? 清测量 完成标志退出？送液晶 显示结束计算处理Y N N Y 显示 界面生成开外部计数中 断关计数中 断计数 值重置里程AD 采样退出中断进入中断数据 写入 IC 卡清测量 完成标志名师资料总结 - - -精品资
45、料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 23 页 - - - - - - - - - 研制报告17 参数输入和选择完毕后，即进入自动运行界面，如图 14 所示。图14 自动运行界面二查询数据查询数据模块 的功能是查 询已经 存在 IC 卡中每一个 自动运行记录的辅助信息，如起始里程、检测日期、检测开始时间、记录 所占用的空间等，如图 15 所示。当选择所要查看的记录时，能 给出详细的线路情况，如图 16 所示。图15 查询辅助信息界面图16 查询详细记录界面三状态监 测状态 检测模块主要功能
46、 是完成对传感器（ 包括电源电 压）输出的监 控。当选择“状态监 测”菜单，确认后将进入状态监 测界面，如图 17 所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 23 页 - - - - - - - - - 研制报告18 图17 状态监 测界面四系统设 置系统设 置是整个控制软件 的辅助 功能模块， 包括： 传感器 零点设置，系统 日期时间设置、IC 卡测试和 格式化。当选择“系统设 置”菜单，确认后就进入“系统设置” 模块，见图 18。在系统设 置中，根据选择
47、的不同菜单，进入不同的子模块，完成相应功能。图18 系统 设置 界面在系统设 置界面下选择“设置传感器 零点”，会出现图 18 的选择界面。通过选择不同的选项，设置不同的传感器 。以轨距传感器 零点设置为例。见图 19。图19 设置传感器零点选择界面名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 23 页 - - - - - - - - - 研制报告19 图20 设置传感器器零点界面四个传感器 的零点设置界面类似。在设置这些传感器时，测试仪 必须放在一标准直线轨上，通过
48、按“Enter”键，系统 将采样当前传感器 的电压值，经计算保存后，作为今后计算的零点。在设 置时，系统 将提示是否保存， 可以根据情况保存或不保存。考虑到误操作，系统设 置了缺省值，在设 置传感器 零点选择界面通过选择第 5 项，可以把当前零点恢复为缺省值。当选择“格式化 IC 卡”时，系统 进入格式化 IC 卡方式选择界面，如图 21 所示。图21 格式化 IC卡方式选择 界面进入图 21 所示界面前，系统会先测试 IC 卡，若系统检测 到此 IC 卡为专用 IC卡，系统 则会进 入此界面。系统设 置了两种格式化方式：快速格式化，低 级格式化。其中“快速格式化”只删除 IC 卡内部的纪录索
49、引，速度快。“低级格式化”对 IC 卡内部的每一个数据进行清除，速度慢，大约需要 1 分钟左右。选择对应的格式化方式即开始格式化，如图 22 所示。图22 格式化 IC卡界面名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 20 页，共 23 页 - - - - - - - - - 研制报告20 在系统 需要用到 IC 卡时，系统 会测试 IC 卡的有效 性，如果不对的话，会显示一些提示信息，这些信息包括：1没有 IC 卡。说明控制器内没有 IC 卡或 IC 卡没有插好。2非专用 IC
50、 卡。说明此卡非专用 IC 卡或此卡已坏。3此卡数据已满。 说明此卡空间已被用完，不能再保存数据 了。4此卡数据无效。说明此卡内数据已被破坏或没被格式化过。5此卡数据已满，自动运行即将退出。此信息是在自动运行时卡数据写满时弹出，需要换卡。图 23 给出了没有 IC 卡提示界面。图23 无 IC卡提示 界面7 数据分析处理系统检查仪记录的数据通过串行通讯传输到 PC 机内， 利用数据分析软件 进行后期处理， 生成工务生产要求的各 种规范化统计报 表，为生产决策提供依据。数据处理程 序根据轨道 几何状态参 数的关系模型对检测数据 进行处理， 推算超高、轨距、10 m弦高低和轨向 的不平顺度（即高低