動態軌道衡快速多通道板卡系統的製作方法

2023-12-03 02:59:41

專利名稱：動態軌道衡快速多通道板卡系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種動態軌道衡系統，尤其涉及一種動態軌道衡快速多通道板卡 系統。
背景技術：
最早的動態軌道衡是有基坑形式的，這種結構形式的軌道衡對火車機車的通過速 度有限制，通道的採樣速率要求也相對較低，一般只能滿足通過時速為20km以下的機車。 每路稱重傳感器輸出的模擬信號經過放大、濾波電路後，接入單獨的A/D (模/數)轉換器， 由單片機對多個A/D轉換進行控制，並通過RS485串行總線方式將批量數位訊號傳輸至上 位機。單片機是分時對A/D轉換器進行控制的，需要的通道數量越多，系統轉換速率越慢； A/D轉換器是串行傳輸方式，這種轉換方式雖然精度較高，但是本身的轉換速率就比較慢； 單片機通過串行RS485方式將數據批量傳輸至上位機，再次局限了傳輸速率。現今隨著無基坑不斷軌軌道衡的成功研發，鐵路列車通過動態軌道衡的速度有了 明顯提升，這也要求通道要有更快的轉換速度和傳輸速度。每路稱重傳感器輸出的模擬信 號經過多路放大、濾波電路後，直接接入採用模擬多路選擇器方式的A/D採樣卡，將數據並 行傳輸至上位機。現有的系統結構示意圖如

圖1所示。這種方式解決了轉換速度和傳輸速 度的問題，但是卻出現了精度問題。A/D採樣卡採用模擬多路選擇器方式，相鄰通道的數據 容易受到幹擾，轉換精度和轉換穩定度都會受到不小影響。另外，這種方式必須將放大、濾 波電路和模擬多路選擇器方式的A/D採樣卡分開，集成度不夠高。現有的系統在技術上雖然解決了採樣和傳輸的速率問題，但是A/D採樣卡普遍存 在採用模擬式的多路選擇器原理，各通道之間會相互幹擾，其穩定度和精度不高，系統集成 度也不高。

實用新型內容在保證轉換和傳輸速率的基礎上，為了解決現有系統在技術上所存在的穩定度、 精度不高及系統集成度也不高的問題，本實用新型提供了一種動態軌道衡快速多通道板卡 系統。本實用新型所採用的技術方案是一種動態軌道衡快速多通道板卡系統，它由電 源模塊、放大濾波模塊、A/D轉換模塊及多通道擴展模塊組成；多通道擴展模塊由ISA地址 線信號輸出模塊、解碼信號選擇電路模塊和ISA數據線信號輸入模塊構成；各模塊通過ISA 總線相連接。本實用新型主要實現了模擬信號的放大濾波、模數轉換、多通道擴展，並通過ISA總 線的進行數據傳輸，不僅提高了轉換精度，加快了轉換和傳輸速率，還大大增加了集成度。
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細的說明。
3[0009]圖1為現有的系統結構示意圖。圖2為本實用新型系統結構示意圖。圖3為ISA地址線信號輸出示意圖。圖4為解碼信號選擇電路結構示意圖。圖5為解碼選擇電路原理圖。圖6為ISA數據線信號輸入示意圖。圖7為放大濾波電路結構示意圖。圖8為放大濾波原理示意圖。圖9為ADS7821硬體布局圖。
具體實施方式
如圖2所示本實用新型由四個模塊組成，分別是電源模塊1、放大濾波模塊2、A/ D (模/數)轉換模塊3及多通道擴展模塊。一、電源模塊如圖2所示，電源模塊1提供了本實用新型中稱重傳感器需要的直流供橋電壓，放 大濾波電路和A/D轉換模塊需要的高精度直流，前者決定了通道板卡輸入信號的穩定度， 後者直接影響了通道板卡的精度。電源模塊1採用二級穩壓的雙電源模式對傳感器和通道板卡供電。經過交流穩壓 電源和UPS後，220V交流電壓先通過的變壓器送往整流橋；產生直流電壓通過三端穩壓器 LM7810與LM7910分別產生士 IOV電壓；此電壓通過兩組可調三端穩壓器LM317和LM337 分別產生士7V與士5V電壓。其中，士5V為稱重傳感器供電電壓；士7V為放大濾波供電電 壓；除了 A/D晶片以外，所有集成晶片所需的+5V電壓都來自ISA總線。在一級穩壓電路中，整流電路將交流轉變成脈動的直流。而在整流電路之後接入 一個較大容量的電解電容，利用其充放電特性，使整流後的脈動直流電壓變成相對比較穩 定的直流電壓。為了防止電路各部分供電電壓因負載變化而產生變化，在電源的輸出端及 負載的電源輸入端接入數十至數百微法的電解電容。由於大容量的電解電容具有一定的電 感，對高頻及脈衝幹擾信號不能有效地濾除，在其兩端並聯了一隻容量為0. 001-0. IpF的 校正電容，以濾除高頻及脈衝幹擾。另外，在低頻信號的傳遞與放大過程中，為了防止前後 兩級電路的靜態工作點相互影響，採用大容量的電解電容進行藕合。二、多通道擴展模塊多通道擴展模塊是本實用新型實現多路信號處理的關鍵點，由ISA地址線信號輸 出模塊、解碼信號選擇電路模塊和ISA數據線信號輸入模塊構成。1、ISA地址線信號輸出ISA 總線(Industrial Standard Architecture，工業標準結構總線)分為四類， 數據線與地址線決定了數據傳輸的寬度和直接尋址的範圍；控制線、時序線與中斷信號線 決定了總線功能的強弱以及適應性的好壞；電源線和地線決定了電源的種類及地線的分布 和用法；備用線是廠家和用戶作為性能擴充或作為特殊要求使用的信號線。該系統設計為工控機內部設備，需要有獨立的地址。為了通道個數的擴展，設計 中最多可以擴展成4張卡，S卩16通道，選擇的地址範圍為7C0-7C8、7D0-7D8、7E0-7E8與
47F0-7F8。「7」作為高位是為了與其他設備不發生衝突；「C」、「D」、「E」、「F」作為可選的中位 地址是為了通道個數的擴展；低位地址分別掃描，以形成了多路數位訊號在ISA總線上的 分時傳輸。通道個數的擴展，需要11位ISA地址線的控制才能實現。高三位地址線(A11、A10、 A9)必需要輸出高電平；中四位地址線(A8、A7、A6、A5)通過電路輸出不同的地址加以擴展； 低四位地址線(A4、A3、A2、A1)通過解碼晶片，分時輸出所需的電平。ISA地址線信號輸出 如圖3所示。2、解碼信號選擇電路解碼信號選擇電路的主要作用是通過解碼器與控制電路，控制每張通道板卡4路 A/D轉換與4張通道板卡的擴展，並最終實現16路A/D轉換。本專利通過片選器與解碼器來實現解碼器信號的選擇。在ISA中四位地址線輸出 不同的地址信號後，片選器都能夠準確地觸發解碼器的使能端。片選器選用74LS30晶片、 74LS00晶片與短接開關。74LS30晶片是八輸入與非門，所有高電平信號的輸入才能保證譯 碼使能低電平信號的輸出。74LS00晶片與短接開關附加在A5、A6、A7地址線後，以保證譯 碼電路不受地址分配的影響最終輸出高電平。其中，ISA地址線A5、A6、A7分別接入74LS00晶片的2A2B、1A1B、4A4B，並通過短 接塊來選擇輸出高電平；ISA的讀/寫線接入74LS00晶片的3A3B，以選擇輸出高電平。這 些高電平與All、A10、A9、A8輸出的高電平又通過74LS30晶片得到有效的低電平，此電平 就是保證解碼晶片能夠正常工作的使能有效低電平。解碼信號選擇電路結構如圖4所示。解碼器選用74LS154晶片。74LS154是4_16解碼器，兩個使能端都是低電平有效， 四個信號輸入電平決定了低電平信號的輸出引腳。使能端有效時，ISA低四位地址線信號 Al、A2、A3、A4直接輸入74LS154的信號選擇端A、B、C、D，並根據電平的排列選擇片選信號 的輸出引腳。解碼選擇電路原理如圖5所示。3、ISA數據線信號輸入解碼過程的最終結果是通過ISA地址線控制，將各路A/D晶片的數據傳輸至ISA 的八位數據總線。在一張通道板卡中，要使四個經過A/D轉換後的16位數據同時傳輸到8 位的ISA數據線，需要在解碼環節後增加數據緩衝環節。本專利採用74LS244作為ISA數據緩衝器。74LS244是8輸入8輸出觸發器，片選 端在低電平有效，其輸入端直接與16位A/D晶片中的八個並行引腳相連，輸出端與ISA數 據線連接，片選端與解碼器的輸出端連接。解碼器通過ISA低四位地址線的分時選擇輸入， 形成8個輸出端低電平的輪流輸出，以形成8個數據觸發器片選端的觸發。最終，通過數據 緩衝器，ISA數據線上也可以依次得到4個A/D晶片的高8位與低8位信號。ISA數據線輸 入結構如圖6所示。三、放大濾波模塊放大濾波模塊是本專利對傳感器輸出電壓進行放大和濾波的電路模塊，此模塊最 終產生的電壓最終輸入至A/D轉換模塊，其設計方案為經過計算對傳感器產生的毫伏信 號進行放大，通過基準電壓對放大電路輸出值進行調整，通過濾波器對進入A/D轉換模塊 的電壓進行有源濾波。在設計放大濾波模塊中，除了選用品質優秀的放大器、濾波器外和毫 伏信號放大之前先進行R/C濾波電路，還要對放大倍數進行計算。放大濾波電路結構如圖7所示。傳感器的靈敏度S= l.OMv/V;電源模塊選擇士5V作為供橋電壓，即輸入電壓Vi =IOV0於是，Vo = Vi*S = 10mV。如果選用O 5V電壓接收範圍的A/D晶片，理論上至 少需要放大300倍；而在設計中，考慮到更換不同靈敏度係數的傳感器與電壓反饋的影響， 將放大倍數控制在100 200。本實用新型選用INA128作為放大器，0PA2227作為濾波器與基準電壓跟隨器。 INA128是低功耗高精度的通用儀表放大器，它由三個放大器所共同組成，形成差分放大，其 放大倍數最終取決於外接反饋電阻的阻值。0PA2227是雙路放大器，在內部集成了兩個運放 A和B。運放A對放大信號進行有源濾波；運放B作為電壓跟隨器，穩定基準電壓。基準電壓有非反饋式與反饋式兩種產生方式。非反饋式是將數字地作為放大器 的基準，通過INA128的電壓是相對地而言的；反饋式是將2. 5V作為放大器的基準，通過 INA128的電壓就是相對此2. 5V的。對於零點電壓為正的通道，可以應用非反饋式；而對於 零點電壓為負的通道，必須通過反饋式才能保證滿量程的輸出和準確的線性。此外，選用 300 Ω的精密電阻作為ΙΝΑ128的放大電阻，通過公式最終可以放大152倍。放大濾波電路 原理如圖8所示。四、A/D轉換模塊A/D轉換模塊是本實用新型實現模數轉換的電路模塊，A/D轉換模塊的輸入信號 是經過放大濾波模塊的電壓信號，輸出端是若干位二進位數位訊號，其設計步驟包括A/D 晶片的選擇和轉換模式的選擇。1、A/D晶片的選擇該模塊主要是設計出一種既要滿足動態軌道衡較快的採樣速率，達到較高的轉換 精度，同時能夠對ISA數據線進行傳輸的電路。為了滿足以上要求，首先要選擇合適的A/D 轉換晶片，它必須是雙積分型、並行輸出，轉換精度在14位以上。選擇ADS7821作為A/D轉 換晶片，其特點如下· 16位並行輸出 每秒鐘100KHZ的轉換速度· O到+5V的電壓輸入範圍· +5V的直流電壓供電·內部參考電壓與外部參考電壓的共存模式2、轉換模式的選擇ADS7821的轉換模式有三種，分別是CS為低電平時的輸出激活轉換、使用CS控制 與讀取時間轉換、使用CS與BYTE控制線轉換。三種轉換模式都是利用CS引腳進行轉換的。 當R/C引腳為低電平，只需最小40ns、最大5us的時間進行轉換。此時，BUSY腳將會變成低 電平並保持，直到轉換完成以及輸出寄存器被更新。當BUSY腳為高電平時，數據將會以標 準二進位的形式並行輸出。BUSY腳為高電平時可以用於鎖閉數據，BUSY腳為低電平時所有 的轉換命令將會被忽略。ADS7821在轉換結束後開始跟蹤輸入信號，並允許IOus的命令切 換，以保證獲取新的正確的信號。轉換模式的選擇與ADS7821的硬體電路有關，在選擇轉換模式之前要先布置 ADS7821的硬體電路。選擇模擬輸入電壓範圍為O 5V，CS引腳接地以選擇相對簡單的轉
6換模式，利用外部緩衝器將16位數字輸出分兩次輸入至ISA數據線。ADS7821的硬體布局 如圖9所示。
權利要求一種動態軌道衡快速多通道板卡系統，其特徵在於它由電源模塊、放大濾波模塊、A/D轉換模塊及多通道擴展模塊組成；多通道擴展模塊由ISA地址線信號輸出模塊、解碼信號選擇電路模塊和ISA數據線信號輸入模塊構成；各模塊通過ISA總線相連接。
專利摘要本實用新型公開了一種動態軌道衡快速多通道板卡系統，它由電源模塊、放大濾波模塊、A/D轉換模塊及多通道擴展模塊組成；多通道擴展模塊由ISA地址線信號輸出模塊、解碼信號選擇電路模塊和ISA數據線信號輸入模塊構成；各模塊通過ISA總線相連接。本實用新型主要實現了模擬信號的放大濾波、模數轉換、多通道擴展，並通過ISA總線的進行數據傳輸，不僅提高了轉換精度，加快了轉換和傳輸速率，還大大增加了集成度。
文檔編號G08C19/00GK201689542SQ20102021448
公開日2010年12月29日 申請日期2010年6月4日 優先權日2010年6月4日
發明者顧佳捷 申請人:杭州錢江稱重技術有限公司