摘　要　微机动态轨道衡是一种自动计量列车重量的设备。为了保证动态轨道衡对测量速度和精度的要求，探讨了一种采用高速、高精度A／D转换器及软件数字滤波的方法，给出了应用结果
关键词：动态轨道衡　模拟—数字转换　单片机　接口　数据处理

　　微机动态轨道衡是一种新型快速自动化计量的列车称重设备，其主要技术指标是称量精度和称重时允许列车通过的车速。轨道衡的动态称量精度主要取决于导轨和秤台的水平度、传感器的灵敏度及供桥电源的稳定度、A／D转换器精度和动态称重算法。为了保证动态轨道衡对测量速度和精度的要求，需从硬件和软件两方面着手解决问题、xx误差干扰。本文主要讨论采用高速高精度A／D转换器及软件数字滤波的方法。

1　微机动态轨道衡工作原理

　　　　微机动态轨道衡一般由称重台面系统（包括称重台面、高度调整器和限位器等）、称重传感器、微机测量和数据处理系统组成。此外，还包括将列车引向称重台面的引轨部分和采样控制开关等。系统框图如图1所示，其中称重台面系统和称重传感器一般安装在用混凝土浇灌的地坑内，测量与数据处理系统设置在操作室内。
　　称重台面上铺有铁路钢轨（即称量轨）与铁路线相通，在台面主梁下面装有称重传感器。基于机械应变

图1　系统框图

原理，当列车在不停车、不摘钩情况下通过台面时，每节货车的重量或每对车轮的压力由台面轨、主梁传递给作为台面支点的4个传感器，输出正比于车重的mV级电压信号，4个传感器的串联总输出送至测量数据系统，经放大、滤波电路后送入单片机进行数据处理、动态补偿、显示和打印。
　　在我国轨道衡模数转换装置传统采用过双积分表和逐次逼近式直流数字电压表，这样导致轨道衡的采样速度低且转换精度达不到要求。为保证对测量速度和精度的要求，需选用高速高精度的A／D转换器。美国AD公司生产的14位A／D转换模块ADC1130，采用逐次逼近的模数转换技术，精度高、速度快，14位全部转换仅需25μs，分辨率为1／16384，相当于PZ－8型直流数字电压表的精度。采用这种快速A／D转换器，由微机进行控制，是提高动态电子轨道衡计量精度的可靠易行的方法。

2　ADC1130与单片机8031接口设计
2．1　ADC1130的内部结构和时序图
　　ADC1130主要由14位DAC、14位逐次逼近寄存器、低功耗比较器、内部时钟、低噪音参考电源以及模入电阻网络和高质量旁路钽电容等组成。其内部结构及时序图分别如图2和图3所示。

图3　ADC1130时序图

2．2　ADC1130与单片机8031的接口电路
　　图4给出了ADC1130与单片机8031的接口电路。由于ADC1130不具备三态功能，因此其输出经过74LS244驱动后再与8031数据线挂接。由P_2．6（A₁₄），P_2．7（A₁₅）和P_3．7（）通过两个或非门分别选通高位74LS244和低位74LS244，启动命令由P_1．1位发出，转换结束的判断采用P_1．0位查询。若需采用中断方式，可将STATUS信号反向后接至P_3．2（）或P_3．3（）即可。
　　图4中，电位器R_W1和R_W2分别完成ADC1130的增益校准和偏移较准，模入电压范围为0～10V。进行偏移校准时，调整R_W2使得当模入电压为0V和0．0003V（即模拟输入电压变化＋(1)/(2)LSB）时，输出由00，0000，

图5　A／D转换程序框图

3　信号分析及数据处理

　　对动态称重而言，为了提高技术指标，除了硬件设备的保障外，关键是采用良好的软件数据处理方法。通过对动态称重信号的波形分析，可以看到影响技术指标的主要因素有：
　　①行进中的列车自身处于一种低频振动状态，其频率与载重有关，接近车辆的振动频率，约为2．5～5Hz；
　　②称重台面的机械部分，由于列车通过及邻近地面波的影响也将产生振动，其频率与台面的机械结构参数有关，约为20～30Hz；
　　③荷重传感器的应变体在称重列车轮对通过时，因承压会产生弹性变形。称重时由于轮轴对出现高度差会造成同一节车厢的重量在4个轮轴对上分配不均，从而出现重量转移。此外，挂钩不灵、车轮不圆、轨面不平等原因，也会使相邻车皮之间出现高度差造成重量转移而引起测量误差。
　　设m（t）是反映列车重量真实信号的一个方波，即：

式中：T为称重信号的长度；M为列车重量的真实值。
　　n（t）为噪声，表示为

式中，噪声分量α（t）是干扰①、②项造成的，β（t）是第③项造成的。前者具有正弦波形状，相位为随机变量。后者具有脉冲形状，脉冲辐度与出现时刻都是随机的。
　　故测得称重信号可表示为

　　可见，软件数据处理的任务，就是从测得的波形信号中检测出行进中列车重量的真实值M。一种简便的方法就是对信号求平均值，即

　　由于，即真实值M的估计，故估计误差为

　　在本系统软件设计中，先进行低通滤波和三取一滤波（即连续采样三次，去掉{zd0}值和最小值，取其中间值作为本次采样结果），后求平均值，以保证真实信号均值_T（0）不变，仅滤除噪声均值_T（0），{zh1}根据车速用软件进行分段动态重量补偿。

4　应用效果

　　现场运行表明，采用这种高速模数转换器ADC1130及软件数据处理方法的微机动态电子轨道衡，动态计量精度可达（0．3％～0．5％）FS，允许列车通过秤台的车速由原先的5～7km／h提高到10～15km／h。

工作单位：中南工业大学信息工程学院，湖南长沙　410083

参考文献

1　14－Bit High Speed Analog-to-Digital ADC1130／ADC1131．ANALOG DEVICES DATABOOK， 1984，3：399～402
2　方定菲，王贞白．均值滤波器及其在动态电子轨道衡数字处理中的应用．仪器仪表学报，1982，3（4）：366～368
3　何立民．MCS－51系列单片机应用系统设计．北京：北京航空航天大学出版社，1990：259～265
4　顾理敏，宋玮．电子秤．北京：计量出版社，1982：24～35

　　收稿日期：1997－12－08，修改稿收到日期：1999－03－19。
　　作者凌玉华，女，1965年出生，1990年毕业于中南工业大学，硕士，副教授。主要研究方向为计算机应用和生产过程自动化。