高速鐵路作為當(dāng)今世界鐵路高新技術(shù)的一項(xiàng)重大成就，以其安全性能好、旅行速度快、能源消耗低、環(huán)境污染低、經(jīng)濟(jì)效益好等不可比擬的優(yōu)越性而成為安全可靠的現(xiàn)代化交通工具，在許多國(guó)家得到迅猛發(fā)展并日益贏得人們的歡迎和贊賞。而對(duì)其車速、軸溫、制動(dòng)缸和列車管壓力、車廂溫度、列車供電以及其他有關(guān)的輔助設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷是保證列車高速安全運(yùn)行的重要手段。不斷發(fā)展的智能傳感器技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)及信號(hào)處理技術(shù)為之提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持。
傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)儀表以電信號(hào)的產(chǎn)生、傳輸、模擬處理和顯示（包括指針指示和數(shù)字顯示）為主來反映被測(cè)量的變化，存在著嚴(yán)重不足：結(jié)構(gòu)尺寸大，傳感器與儀表之間連線多，中間環(huán)節(jié)多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜；輸入—輸出特性存在非線性，且隨時(shí)間漂移，存在交叉靈敏度；信噪比低，傳輸?shù)哪M信號(hào)易受外界噪聲干擾，測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性差。而智能傳感器賦予傳感器與微處理器以智能相結(jié)合，兼有信號(hào)檢測(cè)與信息處理的功能，它將檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)過變換處理后，以數(shù)字量形式通過現(xiàn)場(chǎng)總線與高/上位機(jī)進(jìn)行串行通訊，可以大大削減現(xiàn)場(chǎng)與高/上位機(jī)之間的一對(duì)一連接導(dǎo)線，簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)的布線和設(shè)計(jì)，節(jié)約初期安裝費(fèi)用。該類傳感器具有高精度、高可靠性和穩(wěn)定性、高信噪比和高分辨率及低的價(jià)格性能比等特點(diǎn)，在測(cè)量距離遠(yuǎn)、安裝空間小、測(cè)點(diǎn)多的高速機(jī)車狀態(tài)監(jiān)測(cè)和過程控制中具有廣闊的應(yīng)用前景。該文以DS1820型數(shù)字式溫度傳感器為例探討智能傳感器在高速機(jī)車軸溫監(jiān)測(cè)中的具體應(yīng)用。
一、數(shù)字式溫度傳感器DS1820
125℃，精度0.5℃。傳感器和上位機(jī)之間只須一根總線即可完成信息的讀寫，DS1820本身供電、數(shù)據(jù)的讀寫和溫度變換所需功率均來自于該總線，不需要額外的電源。每片DS1820均含有一個(gè)惟一的64位硅串行數(shù)，通過識(shí)別該碼可以區(qū)分不同的傳感器，因此可以在一根總線上掛接多個(gè)DS1820，由上位機(jī)通過選擇傳感器和硅串行數(shù)對(duì)選定的傳感器進(jìn)行讀、寫、啟動(dòng)轉(zhuǎn)換和設(shè)置報(bào)警參數(shù)等操作，從而在結(jié)構(gòu)上大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安裝維護(hù)工作。傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外接引線如圖1—1所示。
圖1—1中，GND為地線，DQ為數(shù)據(jù)輸入/輸出管腳（單線接口，可作寄生供電），VDD為電源電壓。DS1820既可以寄生供電又可以外部＋5V供電。寄生供電時(shí)，當(dāng)總線上是高電平時(shí)，傳感器從總線上獲得能量并儲(chǔ)存在內(nèi)部電容上；當(dāng)總線上是低電平時(shí)，由內(nèi)部電容向傳感器供電。DS1820由3個(gè)主要的數(shù)字元件組成：64位ROM；溫度感應(yīng)器；非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL。64位ROM中前8位為傳感器種類代碼（DS1820均為10H），中間48位為每個(gè)傳感器惟一的出廠序列編號(hào)，后8位為前56位的校驗(yàn)碼。溫度感應(yīng)器負(fù)責(zé)將被測(cè)溫度量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏俊H、TL觸發(fā)器用于存儲(chǔ)用戶設(shè)定的溫度報(bào)警上、下限TH、TL值。
DS1820測(cè)溫原理如圖1—2所示。在DS1820內(nèi)部有兩個(gè)不同溫度系數(shù)的晶振，低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率隨溫度的變化而明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。－55℃對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值預(yù)置在計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器內(nèi)，并由計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值重新被裝入并再次進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2的值減到0為止，此時(shí)停止溫度寄存器的累加，其內(nèi)部數(shù)值即為當(dāng)前所測(cè)溫度。斜率累加器用來補(bǔ)償和修正測(cè)量過程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。
DS1820本身可以達(dá)到0.5℃的溫度分辨率，為了滿足分辨率的測(cè)量需求，還提供了直接讀取計(jì)數(shù)器和寄存器的途徑。首先，讀取當(dāng)前溫度值，將9位數(shù)據(jù)的最低位舍棄，變成一個(gè)8位數(shù)據(jù)記為A，隨后讀取在門時(shí)期停止后留在計(jì)數(shù)器中的殘留值，記為B，然后再讀取每一度產(chǎn)生的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)，記為C，最后運(yùn)用下面的公式計(jì)算實(shí)際溫度值T，可以得到0.1℃以上的溫度分辨率。
T＝A＋0.75－B/C
二、高速機(jī)車軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
機(jī)車速度的提高和牽引功率的增大，機(jī)車與鋼軌之間的沖擊、動(dòng)力效應(yīng)和振動(dòng)增大，必然會(huì)導(dǎo)致機(jī)車行走部分的軸箱軸承、牽引電機(jī)軸承、抱軸承和空心軸承的發(fā)熱增多。為了保障機(jī)車的高速安全運(yùn)行，開發(fā)研制了基于數(shù)字式智能溫度傳感器的軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據(jù)不同車型隨意增減測(cè)溫點(diǎn)數(shù)，實(shí)時(shí)顯示各測(cè)點(diǎn)的溫度，超標(biāo)時(shí)可聲光報(bào)警并記錄報(bào)警信息。
（一）系統(tǒng)硬件構(gòu)成
軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖2—1所示。為保證系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，傳感器與上位機(jī)之間采用了環(huán)形雙總線串行傳輸方式，當(dāng)一個(gè)總線因故障中斷時(shí)，可自動(dòng)轉(zhuǎn)換到另一條總線工作，并有指示燈顯示，不會(huì)因某處中斷而影響系統(tǒng)工作。安裝在機(jī)車下部的傳感器、接線盒、接插件等都采用防塵、防水的密封結(jié)構(gòu)，性能可靠，對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。
機(jī)車上存有許多大功率電氣設(shè)備，如驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變壓器、制動(dòng)器、前大燈等，這些設(shè)備的動(dòng)作會(huì)使系統(tǒng)的供電電源受到瞬時(shí)干擾，為防止影響系統(tǒng)正常工作，在電源的輸入和輸出端裝入?yún)?shù)適當(dāng)?shù)拇怒h(huán)以吸收、抑止干擾，在輸入端加裝濾波器進(jìn)一步減弱干擾。同時(shí)，將主電路板上的電源線和地線加粗，使地線有效可靠接地，可以使瞬時(shí)干擾的能量迅速釋放掉。主電路板和電源分開設(shè)計(jì)并在其間加裝屏蔽鋼板。考慮到三極管的基極受干擾后容易導(dǎo)通，將驅(qū)動(dòng)蜂鳴器等部件的三極管改為小繼電器，可有效避免誤報(bào)警。
（二）系統(tǒng)軟件功能
系統(tǒng)的程序流程如圖2—2所示。
該系統(tǒng)有3個(gè)功能模塊：參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和事件查詢。參數(shù)設(shè)置的核心是傳感器編號(hào)的設(shè)置，通過總線給傳感器發(fā)送指令碼，讀出內(nèi)部的惟一編號(hào)并存儲(chǔ)在上位機(jī)的EEPROM中。狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要完成上位機(jī)與傳感器的串行通訊，首先根據(jù)內(nèi)部編號(hào)選定傳感器，啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換，然后上位機(jī)接收溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行報(bào)警判斷和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，此時(shí)總線上其他的傳感器處于屏蔽狀態(tài)，不允許和上位機(jī)進(jìn)行通訊。系統(tǒng)提供了兩種報(bào)警方式：絕對(duì)溫度（一般為75℃）超標(biāo)報(bào)警和相對(duì)溫度（環(huán)境溫度＋50℃）超標(biāo)報(bào)警（可根據(jù)不同車型和不同測(cè)點(diǎn)的要求而自由設(shè)定），同時(shí)還能存儲(chǔ)各測(cè)點(diǎn)的最大溫升率和對(duì)應(yīng)的發(fā)生時(shí)間。系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，有關(guān)技術(shù)人員可以調(diào)用事件查詢功能模塊查詢此時(shí)間段內(nèi)發(fā)生的報(bào)警事件和溫度情況，還可通過RS－485接口將數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)或工作站作進(jìn)一步的分析和診斷。
當(dāng)系統(tǒng)受到強(qiáng)干擾而出現(xiàn)程序混亂時(shí)，該軟件可自動(dòng)復(fù)位、自行初始化后繼續(xù)正常工作。對(duì)因瞬態(tài)干擾而產(chǎn)生畸變的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)軟件自動(dòng)多次測(cè)量可以避免漏測(cè)和漏報(bào)警。
三、結(jié)論
采用上述軟硬件配置的高速機(jī)車軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有測(cè)溫精度高、抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，完全可以滿足高速機(jī)車的需要。該系統(tǒng)已應(yīng)用在SS7D型高速機(jī)車（最高時(shí)速可達(dá)200km/h）上的軸溫監(jiān)測(cè)中，運(yùn)行結(jié)果證明了其可行性、高可靠性和實(shí)用性，也可應(yīng)用于其他類型的高速機(jī)車。
智能數(shù)字式溫度傳感器在高速機(jī)車狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，維護(hù)和更換部件更為簡(jiǎn)單方便，降低了成本，在技術(shù)上較傳統(tǒng)的模擬式溫度測(cè)量有著明顯的優(yōu)勢(shì)。隨著傳感器集成化程度的提高，其智能化程度將得到更大的發(fā)展，信號(hào)采集、信號(hào)處理和信息融合、數(shù)據(jù)通訊的功能將更為強(qiáng)大，在高速機(jī)車狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷及過程控制中將有更廣闊的應(yīng)用前景，為機(jī)車的安全高速運(yùn)行發(fā)揮更重要的作用。
