铁路列车制动压力采集系统.docx
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铁路列车制动压力采集系统
铁路列车制动压力采集系统
目录
一、引言
二、列车制动系统国内外研究现状
三、列车制动原理
四、压力采集系统设计方案
五、元器件选择及其参数
六、总结
一、引言
铁路运输至今仍然是我国客、货运输的命脉。
随着我国综合国力的提高以及运输业的迅猛发展对铁路的安全性要求也越来越高。
而列车行车安全作为铁路运输的重中之重，是以列车制动系统的稳定、可靠、正确运行为保证的。
目前我国列车已多次提速，提速后的列车对制动系统的稳定性、可靠性提出了更加严格的要求。
如果行车中制动系统出现故障或存在隐患，而不能被及时发现和处理，将直接危及车辆、旅客和物资的安全，造成重大损失。
另外国内在自行研制列车制动机故障监控装置方面还是空白，虽然有引进国外的类似装置，但是使用范围受限。
制动系统对列车运行安全具有举足轻重的作用，随着铁道技术的不断进步，已经出现了多种制动方式，但对货物列车而言，空气制动仍然是最基本的制动方式。
铁路列车相比于汽车是个庞然大物。
要使这样一个庞大的运动体系在高速运行中停下来显然不是一个简单的问题，必须依靠强有力的制动装置。
二、列车制动系统国内外研究现状
铁路上有套发展历史已近200年的空气制动系统。
自从1834年英国斯蒂文森发明蒸汽机车以来就同时产生了相应的机械式手制动机。
直到1869年，美国的发明家乔治.威斯汀豪斯从空气钻岩机的作用原理中得到启发，发明了铁路机车车辆用的直通式空气制动机。
但是这种空气制动机在列车分离时就会失去制动作用而不够安全。
因此，在1872年又发明了第一个自动空气制动机。
其特点是在制动缸和列车管之间增设有副风缸和三通阀。
，实行副风缸和列车管的二压力双重控制，利用空气减压的制动方式，在列车分离时能通过列车管排风而自动发生制动作用。
因此被称为自动空气制动机。
直到现在，自动空气制动机还是世界上绝大多数国家包括我国在内使用的主要制动方式。
我国的机车空气制动装置主要沿用美国韦斯汀豪斯系统的二压力方式控制装置，重载列车与普通列车相比要求采用更大功率的电力车或多机牵引方式，因此，从20世纪80年代开始，主要采用以大秦线万吨列车为代表的SS型电力机车和干线DF型内燃机车的双机重联方式。
近年来在大秦线2万t重载列车的开行中更应用了多机牵引的组合列车，列车制动控制也由重联方式发展为无线遥控方式的LOCTROL装置。
此外，动力制动亦改进为新型的加馈电阻制动或再生制动方式，明显提高了重载列车下坡道运行的动力制动能力和运行安全性。
三、列车制动原理
铁路列车的制动系统由机车制动装置和车辆制动装置组成，它是保证列车安全运行的关键设备。
其基本原理是将列车运行的动能转化为热能或其他能力，是列车能按运行要求减速或停车，并在紧急情况下保证列车停车的安全性。
按其作用原理，制动过程可分为制动、保压和缓解三个过程，各种过程作用基本原理如下：
（1）制动过程——列车管减压，车辆制动机使副风缸内的压力空气进入制动缸，再通过基础制动装置，使闸瓦压在车轮踏面上或闸片压在制动盘上，使车轮减速，再利用车轮和钢轨间的摩擦力，产生组织列车向前运动的制动力。
列车管减压可以分步减压，以产生阶段制动作用。
（2）保压过程——列车管减压后停止继续减压，保持列车管、副风缸和制动缸的压力不变，但摩擦系数随速度变化而有变化，因此制动力也有所变化。
（3）缓解过程——在制动或保压作用以后，司机操纵制动控制装置使列车管增压，此时车辆制动机动作使列车管压力空气充入副风缸，制动缸压力空气排入大气，从而松开闸瓦或闸片，消除轮轨间的制动力。
自动空气制动机只有一次缓解作用，而使用电空制动控制可实施分步增压的阶段缓解作用。
当制动阀手柄置于缓解位Ⅲ时，总风缸的风经制动阀进到列车管（充风增压），并进入三通阀，将其中的（主）活塞推至右极端（缓解位）并经三通阀活塞套上部的“充气沟”进入副风缸。
此时，制动缸经三通阀（缓解槽和排气孔）通大气。
如制动缸原来在制动状态则可得到缓解。
当制动阀手柄置于制动位Ⅰ时，列车管经制动阀通大气（排风减压），副风缸的风压将三通阀（主）活塞推向左极端（制动位），从而打开了三通阀上通往制缸的孔路，使副风缸的风可通往制动缸，产生制动作用。
当制动阀手柄置于保压位Ⅱ时，列车管既不通总风缸也不通大气，列车管空气强保持不变。
此时，副风缸仍继续向制动缸供风，副风缸空气压强仍在下降。
当副风缸的空气压强降至列车管空气压强略低时，列车管风压会将三通阀（主）活塞向右反推至中间位置（中立位或保压位），刚好使三通阀通制动缸的孔被关闭（遮断），副风缸停止向制动缸供风，副风缸空气压强不再下降，处于保压状态，制动缸空气压强不再上升，也处于保压状态。
如在制动缸升压过程中将手柄反复置于制动位和保压位，则制动缸空气压强变可分阶段上升，即实现阶段制动。
四、压力采集系统设计方案
整个压力采集系统分别由数据采集、数据处理、数据传输、数据接收单元4部分组成。
数据采集单元负责采集制动缸、列车管和副风缸的压力信号，数据处理单元负责将检测到的压力信号经过信号调理电路放大并通过A/D转换器进行数模转换然后接入单片机进行编码并转存到外扩存储器中。
信号传输单元负责将外扩存储器收集的压力数据经过无线发射装置传送到中央PC进行数据分析与处理。
五、元器件选择及其参数
1、传感器
传感器选择北京华美恒强科技有限公司生产的GPM600型风差压传感器。
GPM600风差压变送器采用了高性能SMI硅压式压力芯片敏感核心，外壳为合金铝，内部的专用集成电路将传感器毫伏信号转换成标准电压、电流或频率信号，可以直接与计算机接口卡、控制仪表、智能仪表或PLC等方便相连。
运距离传输可以采用电流输出方式。
GPM600广泛应用于锅炉送风、井下通风等电力、煤炭行业过程控制领域。
（1）技术指标
电源：
24VDC；
输出：
4～20mA；
精度：
0.5%；
（2）外形尺寸及安装
外形结构见图
（1）
长倒刺嘴为正压端。
（3）电气连接
红线：
电源正；
绿线：
电流输出。
（4）安装方法
选择易于操作、维护的地方进行安装；
技术性能
供电电源：
12VDC～36VDC（标准24VDC）
输出信号：
4～20mA、1～5V、0～10mA、0～20mA、0～5V
量程范围：
0～1kPa…600kPa
补偿温度：
0～50℃
介质温度：
-20～85℃
环境温度：
-20～85℃
工作方式：
差压
综合精度：
0.1、0.3、0.5级可选
零点温度漂移：
±0.03FS/℃
灵敏度温度漂移：
±0.03FS/℃
过载压力：
300%FS
2、A/D转换器
传感器采用的是美国国家半导体公司生产的ADC0809低功耗A/D转化器。
ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。
其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
（1）.主要特性
1）8路输入通道，8位A／D转换器，即分辨率为8位。
2）具有转换起停控制端。
3）转换时间为100μs（时钟为640kHz时），130μs（时钟为500kHz时）
4）单个＋5V电源供电
5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。
6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度
7）低功耗，约15mW。
（2）．内部结构
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，内部结构如图13．22所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近
（3）．外部特性（引脚功能）
ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装
（4）.工作过程
首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。
此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。
START上升沿将逐次逼近寄存器复位。
下降沿启动A／D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。
直到A／D转换完成，EOC变为高电平，指示A／D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。
当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。
转换数据的传送A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。
数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。
为此可采用下述三种方式。
（1）定时传送方式
对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。
例如ADC0809转换时间为128μs，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。
可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。
（2）查询方式
A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。
因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可却只转换是否完成，并接着进行数据传送。
（3）中断方式
把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。
不管使用上述那种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。
首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。
3、单片机
单片机采用美国ATMEI。
公司生产的AT89C51单片机。
AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89CAT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
外形及引脚排列如图所示。
单片机AT89C51与ADC0809的接口电路，压力信号接至单片机的13号引脚，单片机的Po与ADC0809的高8位数据线直接相接，ADC0809的低4位数据线与单片机的高4位Po．4～Po．7直接相接，数据的读取是依靠单片机的控制线分时选通进行。
单片机的P0．0、P0．1、P0．7经三态锁存器74LS373接至ADC0809的逻辑控制信号R／e、A0和CS，用于控制AD574的工作过程。
其中，P0．0接读转换数据控制脚R／C,，P0．1接ADC0809的字节短周期控制线（A0），Po．7接AD574的片选信号CS，12／8数据模式选择端直接接地，读、写控制线WR和RD通过与非门74LS00与AD574的使能端CE相连。
INTl引脚直接与工作状态指示端（STS）相连，STS在A／D转换开始时及转换过程中为高电平，转换结束时返回低电平，这样CPU在其下降沿得到中断申请，响应中断则可读取转换结果。
单片机与AD转换器接口电路图
4、无线数据传输
本系统采用Freescale公司的ZigBee无线收发射频芯片MC13192和Philips公司的32位ARM芯片LPC2138，完成了无线传感器网络节点的设计ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务，特别是无线传感器网络，因为它具有以下优点：
（1）功耗低。
由于其传输速率低，发射功率仅为1mW，所以功耗很低；而且采用了休眠模式，因此ZigBee设备非常省电。
据估算，ZigBee设备仅靠两节五号电池就可以维持长达6个月～2年左右的使用时间。
（2）时延短。
通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备的时延为30ms，休眠激活的时延为15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。
因此，ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制等应用。
（4）网络容量大。
一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和1个主设备，一个区域内最多可以同时存在100个独立而且互相重叠覆盖的ZigBee网络。
（4）安全可靠。
采取了碰撞避免策略，避开了发送数据的竞争和冲突；采用完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息；还提供了基于循环冗余校验的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证。
MC13192是Freescale公司推出的符合ZigBee标准的射频芯片。
其工作频率是2.405～2.480GHz，该频带划分为16个信道，每个信道占用5MHz的带宽；采用直接序列扩频的通信技术，数据传输速率为250kbps。
MC13192具有一个优化的数字核心，有助于降低MCU处理功率，缩短执行周期。
为了适应低功耗的要求，芯片除了接收、发送和空闲3种工作状态外，还有3种低功耗运行模式：
① 掉电模式，这种模式下芯片电流小于1μA；② 睡眠模式，这种模式下电流在3 μA左右；③ 休眠模式，这种模式下下电流约为35μA。
芯片采用可编程功率输出模式，发送功率为0～4dBm，接收灵敏度可以达到-92dBm，传输距离30～70m。
LPC2138芯片是Philips公司推出的一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32位ARM7微控制器。
它具有丰富的片上存储功能，带有512KB嵌入的高速Flash存储器和32KB片内静态RAM；还带有多个串行接口，2个8路10位A/D转换器，1个D/A转换器和47个GPIO，以及多达9个边沿或电平触发的外部中断。
LPC2138有两种低功耗模式：
空闲模式和掉电模式。
较小的封装和极低的功耗使其可以理想地与MC13192结合，作为基于ZigBee技术的无线传感器网络节点。
六、总结
根据专题要求我们组所选择的传感器、转换器、芯片全都满足采集频率为100HZ的要求，且为常用芯片。
在最初的方案中我们曾试想过直接将转换完的数据通过单片机存入存储器，但因数据量达到了400MB以上，对于单片机寻址来说非常困难而且在实际应用中过连线过于复杂，所以我们改用无线传输技术将数据传入中央PC进行集中处理。
通过这次过对铁路列车制动压力采集系统专题的研究使我们对检测系统有了一个初步了解，虽然设计的系统非常简单粗糙但在这过程中我们在讨论和研究中逐步掌握了检测系统的设计过程，对数据采集、处理、传输、接收有了较为完整的认识。
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