专利名称：动态轨道衡快速多通道板卡系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种动态轨道衡系统，尤其涉及一种动态轨道衡快速多通道板卡 系统。
背景技术：
最早的动态轨道衡是有基坑形式的，这种结构形式的轨道衡对火车机车的通过速 度有限制，通道的采样速率要求也相对较低，一般只能满足通过时速为20km以下的机车。 每路称重传感器输出的模拟信号经过放大、滤波电路后，接入单独的A/D (模/数)转换器， 由单片机对多个A/D转换进行控制，并通过RS485串行总线方式将批量数字信号传输至上 位机。单片机是分时对A/D转换器进行控制的，需要的通道数量越多，系统转换速率越慢； A/D转换器是串行传输方式，这种转换方式虽然精度较高，但是本身的转换速率就比较慢； 单片机通过串行RS485方式将数据批量传输至上位机，再次局限了传输速率。现今随着无基坑不断轨轨道衡的成功研发，铁路列车通过动态轨道衡的速度有了 明显提升，这也要求通道要有更快的转换速度和传输速度。每路称重传感器输出的模拟信 号经过多路放大、滤波电路后，直接接入采用模拟多路选择器方式的A/D采样卡，将数据并 行传输至上位机。现有的系统结构示意图如
图1所示。这种方式解决了转换速度和传输速 度的问题，但是却出现了精度问题。A/D采样卡采用模拟多路选择器方式，相邻通道的数据 容易受到干扰，转换精度和转换稳定度都会受到不小影响。另外，这种方式必须将放大、滤 波电路和模拟多路选择器方式的A/D采样卡分开，集成度不够高。现有的系统在技术上虽然解决了采样和传输的速率问题，但是A/D采样卡普遍存 在采用模拟式的多路选择器原理，各通道之间会相互干扰，其稳定度和精度不高，系统集成 度也不高。
实用新型内容在保证转换和传输速率的基础上，为了解决现有系统在技术上所存在的稳定度、 精度不高及系统集成度也不高的问题，本实用新型提供了一种动态轨道衡快速多通道板卡 系统。本实用新型所采用的技术方案是一种动态轨道衡快速多通道板卡系统，它由电 源模块、放大滤波模块、A/D转换模块及多通道扩展模块组成；多通道扩展模块由ISA地址 线信号输出模块、译码信号选择电路模块和ISA数据线信号输入模块构成；各模块通过ISA 总线相连接。本实用新型主要实现了模拟信号的放大滤波、模数转换、多通道扩展，并通过ISA总 线的进行数据传输，不仅提高了转换精度，加快了转换和传输速率，还大大增加了集成度。
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步详细的说明。
3[0009]图1为现有的系统结构示意图。图2为本实用新型系统结构示意图。图3为ISA地址线信号输出示意图。图4为译码信号选择电路结构示意图。图5为译码选择电路原理图。图6为ISA数据线信号输入示意图。图7为放大滤波电路结构示意图。图8为放大滤波原理示意图。图9为ADS7821硬件布局图。
具体实施方式
如图2所示本实用新型由四个模块组成，分别是电源模块1、放大滤波模块2、A/ D (模/数)转换模块3及多通道扩展模块。一、电源模块如图2所示，电源模块1提供了本实用新型中称重传感器需要的直流供桥电压，放 大滤波电路和A/D转换模块需要的高精度直流，前者决定了通道板卡输入信号的稳定度， 后者直接影响了通道板卡的精度。电源模块1采用二级稳压的双电源模式对传感器和通道板卡供电。经过交流稳压 电源和UPS后，220V交流电压先通过的变压器送往整流桥；产生直流电压通过三端稳压器 LM7810与LM7910分别产生士 IOV电压；此电压通过两组可调三端稳压器LM317和LM337 分别产生士7V与士5V电压。其中，士5V为称重传感器供电电压；士7V为放大滤波供电电 压；除了 A/D芯片以外，所有集成芯片所需的+5V电压都来自ISA总线。在一级稳压电路中，整流电路将交流转变成脉动的直流。而在整流电路之后接入 一个较大容量的电解电容，利用其充放电特性，使整流后的脉动直流电压变成相对比较稳 定的直流电压。为了防止电路各部分供电电压因负载变化而产生变化，在电源的输出端及 负载的电源输入端接入数十至数百微法的电解电容。由于大容量的电解电容具有一定的电 感，对高频及脉冲干扰信号不能有效地滤除，在其两端并联了一只容量为0. 001-0. IpF的 校正电容，以滤除高频及脉冲干扰。另外，在低频信号的传递与放大过程中，为了防止前后 两级电路的静态工作点相互影响，采用大容量的电解电容进行藕合。二、多通道扩展模块多通道扩展模块是本实用新型实现多路信号处理的关键点，由ISA地址线信号输 出模块、译码信号选择电路模块和ISA数据线信号输入模块构成。1、ISA地址线信号输出ISA 总线(Industrial Standard Architecture，工业标准结构总线)分为四类， 数据线与地址线决定了数据传输的宽度和直接寻址的范围；控制线、时序线与中断信号线 决定了总线功能的强弱以及适应性的好坏；电源线和地线决定了电源的种类及地线的分布 和用法；备用线是厂家和用户作为性能扩充或作为特殊要求使用的信号线。该系统设计为工控机内部设备，需要有独立的地址。为了通道个数的扩展，设计 中最多可以扩展成4张卡，S卩16通道，选择的地址范围为7C0-7C8、7D0-7D8、7E0-7E8与
47F0-7F8。“7”作为高位是为了与其他设备不发生冲突；“C”、“D”、“E”、“F”作为可选的中位 地址是为了通道个数的扩展；低位地址分别扫描，以形成了多路数字信号在ISA总线上的 分时传输。通道个数的扩展，需要11位ISA地址线的控制才能实现。高三位地址线(A11、A10、 A9)必需要输出高电平；中四位地址线(A8、A7、A6、A5)通过电路输出不同的地址加以扩展； 低四位地址线(A4、A3、A2、A1)通过译码芯片，分时输出所需的电平。ISA地址线信号输出 如图3所示。2、译码信号选择电路译码信号选择电路的主要作用是通过译码器与控制电路，控制每张通道板卡4路 A/D转换与4张通道板卡的扩展，并最终实现16路A/D转换。本专利通过片选器与译码器来实现译码器信号的选择。在ISA中四位地址线输出 不同的地址信号后，片选器都能够准确地触发译码器的使能端。片选器选用74LS30芯片、 74LS00芯片与短接开关。74LS30芯片是八输入与非门，所有高电平信号的输入才能保证译 码使能低电平信号的输出。74LS00芯片与短接开关附加在A5、A6、A7地址线后，以保证译 码电路不受地址分配的影响最终输出高电平。其中，ISA地址线A5、A6、A7分别接入74LS00芯片的2A2B、1A1B、4A4B，并通过短 接块来选择输出高电平；ISA的读/写线接入74LS00芯片的3A3B，以选择输出高电平。这 些高电平与All、A10、A9、A8输出的高电平又通过74LS30芯片得到有效的低电平，此电平 就是保证译码芯片能够正常工作的使能有效低电平。译码信号选择电路结构如图4所示。译码器选用74LS154芯片。74LS154是4_16译码器，两个使能端都是低电平有效， 四个信号输入电平决定了低电平信号的输出引脚。使能端有效时，ISA低四位地址线信号 Al、A2、A3、A4直接输入74LS154的信号选择端A、B、C、D，并根据电平的排列选择片选信号 的输出引脚。译码选择电路原理如图5所示。3、ISA数据线信号输入译码过程的最终结果是通过ISA地址线控制，将各路A/D芯片的数据传输至ISA 的八位数据总线。在一张通道板卡中，要使四个经过A/D转换后的16位数据同时传输到8 位的ISA数据线，需要在译码环节后增加数据缓冲环节。本专利采用74LS244作为ISA数据缓冲器。74LS244是8输入8输出触发器，片选 端在低电平有效，其输入端直接与16位A/D芯片中的八个并行引脚相连，输出端与ISA数 据线连接，片选端与译码器的输出端连接。译码器通过ISA低四位地址线的分时选择输入， 形成8个输出端低电平的轮流输出，以形成8个数据触发器片选端的触发。最终，通过数据 缓冲器，ISA数据线上也可以依次得到4个A/D芯片的高8位与低8位信号。ISA数据线输 入结构如图6所示。三、放大滤波模块放大滤波模块是本专利对传感器输出电压进行放大和滤波的电路模块，此模块最 终产生的电压最终输入至A/D转换模块，其设计方案为经过计算对传感器产生的毫伏信 号进行放大，通过基准电压对放大电路输出值进行调整，通过滤波器对进入A/D转换模块 的电压进行有源滤波。在设计放大滤波模块中，除了选用品质优秀的放大器、滤波器外和毫 伏信号放大之前先进行R/C滤波电路，还要对放大倍数进行计算。放大滤波电路结构如图7所示。传感器的灵敏度S= l.OMv/V;电源模块选择士5V作为供桥电压，即输入电压Vi =IOV0于是，Vo = Vi*S = 10mV。如果选用O 5V电压接收范围的A/D芯片，理论上至 少需要放大300倍；而在设计中，考虑到更换不同灵敏度系数的传感器与电压反馈的影响， 将放大倍数控制在100 200。本实用新型选用INA128作为放大器，0PA2227作为滤波器与基准电压跟随器。 INA128是低功耗高精度的通用仪表放大器，它由三个放大器所共同組成，形成差分放大，其 放大倍数最终取决于外接反馈电阻的阻值。0PA2227是双路放大器，在内部集成了两个运放 A和B。运放A对放大信号进行有源滤波；运放B作为电压跟随器，稳定基准电压。基准电压有非反馈式与反馈式两种产生方式。非反馈式是将数字地作为放大器 的基准，通过INA128的电压是相对地而言的；反馈式是将2. 5V作为放大器的基准，通过 INA128的电压就是相对此2. 5V的。对于零点电压为正的通道，可以应用非反馈式；而对于 零点电压为负的通道，必须通过反馈式才能保证满量程的输出和准确的线性。此外，选用 300 Ω的精密电阻作为ΙΝΑ128的放大电阻，通过公式最终可以放大152倍。放大滤波电路 原理如图8所示。四、A/D转换模块A/D转换模块是本实用新型实现模数转换的电路模块，A/D转换模块的输入信号 是经过放大滤波模块的电压信号，输出端是若干位二进制数字信号，其设计步骤包括A/D 芯片的选择和转换模式的选择。1、A/D芯片的选择该模块主要是设计出一种既要满足动态轨道衡较快的采样速率，达到较高的转换 精度，同时能够对ISA数据线进行传输的电路。为了满足以上要求，首先要选择合适的A/D 转换芯片，它必须是双积分型、并行输出，转换精度在14位以上。选择ADS7821作为A/D转 换芯片，其特点如下· 16位并行输出 每秒钟100KHZ的转换速度· O到+5V的电压输入范围· +5V的直流电压供电·内部参考电压与外部参考电压的共存模式2、转换模式的选择ADS7821的转换模式有三种，分别是CS为低电平时的输出激活转换、使用CS控制 与读取时间转换、使用CS与BYTE控制线转换。三种转换模式都是利用CS引脚进行转换的。 当R/C引脚为低电平，只需最小40ns、最大5us的时间进行转换。此时，BUSY脚将会变成低 电平并保持，直到转换完成以及输出寄存器被更新。当BUSY脚为高电平时，数据将会以标 准二进制的形式并行输出。BUSY脚为高电平时可以用于锁闭数据，BUSY脚为低电平时所有 的转换命令将会被忽略。ADS7821在转换结束后开始跟踪输入信号，并允许IOus的命令切 换，以保证获取新的正确的信号。转换模式的选择与ADS7821的硬件电路有关，在选择转换模式之前要先布置 ADS7821的硬件电路。选择模拟输入电压范围为O 5V，CS引脚接地以选择相对简单的转
6换模式，利用外部缓冲器将16位数字输出分两次输入至ISA数据线。ADS7821的硬件布局 如图9所示。
权利要求一种动态轨道衡快速多通道板卡系统，其特征在于它由电源模块、放大滤波模块、A/D转换模块及多通道扩展模块组成；多通道扩展模块由ISA地址线信号输出模块、译码信号选择电路模块和ISA数据线信号输入模块构成；各模块通过ISA总线相连接。
专利摘要本实用新型公开了一种动态轨道衡快速多通道板卡系统，它由电源模块、放大滤波模块、A/D转换模块及多通道扩展模块组成；多通道扩展模块由ISA地址线信号输出模块、译码信号选择电路模块和ISA数据线信号输入模块构成；各模块通过ISA总线相连接。本实用新型主要实现了模拟信号的放大滤波、模数转换、多通道扩展，并通过ISA总线的进行数据传输，不仅提高了转换精度，加快了转换和传输速率，还大大增加了集成度。
文档编号G08C19/00GK201689542SQ20102021448
公开日2010年12月29日 申请日期2010年6月4日 优先权日2010年6月4日
发明者顾佳捷 申请人:杭州钱江称重技术有限公司