一种铁路线路冲击状况检测系统的设计方案

 引言

　　铁路在经过一定时间的负载后，由于其结构刚度的各向异性、间隙、润滑不良、支撑松动等原因，往往会产生不同程度的弹性变形与几何偏差。在铁路线路实验车上设计一套线路冲击状况检测系统，可以检测出铁路的偏移与松动等情况，以对这些地方进行检查与维修。这套系统给铁路维修工作带来了很大的方便，其中的加速度传感器是目前应用广泛的测量冲击装置，在航天、航空、常规武器、船舶、交通运输、冶金、机械制造、化工、轻工、生物医学工程、自动检测与计量等领域得到越来越广泛的应用。本文的铁路线路冲击状况检测系统就是基于双轴加速度传感器ADXL210进行设计的。本设计利用ADXL210进行冲击测量，并将测量到的数据送到数据采集器。而系统数据采集器与上位机的通讯则利用PC机自带的RS -232总线标准接口和AT89C52的串行口RXD、TXD来实现。

　　1 系统组成及工作原理

　　该检测系统主要包括传感器、数据采集器和上位机三个部分。其中传感器采用双轴加速度传感器ADXL210，数据采集器采用8位单片机AT89C52，上位机采用工业控制计算机进行数据处理和显示。ADXL210可将采集到的冲击信号以及包含冲击加速度信息的数字信号直接输送到数据采集器AT89C52的计数器中。AT89C52接收到来自传感器的信号后，可利用软件分析计算出冲击加速度的大小，并通过RS-232总线将其转换成相应的信号输出至上位机。

　　2 系统设计

　　2.1 ADXL210传感器

　　传感器模块采用带数字输出的双轴加速度传感器ADXL210。ADXL210传感器可测量双轴向加速度，并输出循环数字信号，同时可与单片机直接接口，而且无须放大和A/D 转换电路。

　　ADXL210的使用可以使系统设计大大简化。

　　ADXL210是集双轴加速度传感器于一体的单片集成电路，可测量动态加速度和静态加速度，而且只需调节外接电容就可方便地调整信号带宽，同时只需调节外接电阻便可方便地调整数字信号的循环输出周期。ADXL210的功耗低（<0.6 Ma）；单电源供电（+ 3V～+ 5.25V）； 测量范围为±10g；可承受1000g的震动或冲击。

　　ADXL210是一种带两坐标轴传感器的加速度计，其内部结构框图如图1所示。

 

　　ADXL210内含2个传感器和信号调节电路。

　　其X/Y轴向传感器输出信号经解调电路后可得到标准的电压模拟信号，然后通过内部的32 kΩ电阻驱动占空比调制电路（DCM），其经DCM调制后，由Xout/Yout输出与加速度成比例的循环数字信号，且其占空比T1/T2 （信号的脉宽与周期之比） 正比于加速度的大小。占空比信号的输出端可直接与微处理器的计数器相连，无需A/D转换或者逻辑电路。其周期T2可由RSET设置为0.5~10ms （T2=RSET/125MΩ），图2所示是ADXL210的数字信号输出波形。

 

　　ADXL210采用14脚表面贴装形式，其引脚排列如图3所示。

 

　　ADXL210的各引脚功能如表1所列。

 

　　2.2 传感器参数的设定

　　传感器参数设定包括退耦电容器设定、带宽设定和DCM周期设定。

　　在设定退耦电容器CDC时，ADXL210的电源电压VDD应为3V~5.25V，此时，在引脚VDD与引脚COM之间的退耦电容器CDC的容值可选择0.1μF。

　　ADXL210的加速度信号带宽由XFILT/YFILT引脚电容决定，设置3dB带宽的方程式为：

 

　　不同CX和CY下的带宽如表2所列。

 

　　本系统的精度要求为0.5mg，故选定的带宽为50Hz，这样，根据式1和表2可以求出CX为0.1μF，CY为0.1μF。

　　本系统中每个通道的占空比调制（DCM） 输出周期T2可由引脚T2的外部电阻RSET设定：

 

　　ADXL210的占空因素周期T2的范围为0.5~10ms。因此，可设定T2为1ms，此时的RSET为125kΩ。

　　2.3 数据采集器模块

　　本系统中的数据采集器采用8位单片机AT89C52。AT89C52除了有AT89C51具有的定时/计数器0和定时/计数器1外，还增加了一个定时/计数器2。因此，AT89C52的P1.0和P1.1可分别作为定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2） 和输入（P1.1/T2EX）。表3所列是其P1.0和P1.1的第二功能表。

 

　　加速度传感器ADXL210输出的数字信号可直接送给AT89C52的P1.0与P1.1。数据采集器与传感器的接口连接如图4所示。

 

　　3 系统与上位机的通讯

　　Visual C++的通信编程控件MSComm拥有功能完善的串口数据发送和接收功能，系统中上位机的串口通信可通过MSComm来实现，而本系统与上位机的通讯则可利用PC机自带的RS-232总线标准接口和AT89C52的串行口RXD、TXD来实现，其接口连接图如图5所示。

 

　　AT89C52的串行通讯采用工作方式1，波特率是9 600 bit/s，发送数据采用查询方式。当系统存储的循环数字信号达到一定的数量时，单片机将读取存储器的数据，并以串行方式发送到上位机。上位机程序可使用VC++语言编写，通过该程序可将接收的数据存在。txt文件中。

　　4 结语

　　加速度传感器ADXL210的使用可以使本文的铁路线路冲击状况检测系统设计大大简化，功耗成倍降低，因此，对于加速度和倾斜的测量是不错的选择。系统采样到的数据可通过串行通讯方式存储在上位机的。txt文件中，以便用户可以利用保存的。txt数据文件进行进一步的数据分析，从而准确把握铁路线路的情况，进而给铁路线路的维修工作带来很大的方便。