基于ATmega16的便携式机车信号发生器的设计研究

内容摘要：便携式机车速度信号发生器能够模拟机车运行参数，准确输出速度变化信号，便于检修工作人员及时排查故障点，提高检修效率。该设备采用手持式结构，主集成了脉冲形成模块、功率放大模块、故障诊断、信息显示及输入输出等功能模块，形成一套完善的系统，能够独立，精确模拟机车速度信号，并能方便，有效，可靠的检测出机车速度信号相关的线路状况，本文详细叙述了该信号发生器的研发方案、系统构成和主要功能特点，并介绍了其现场使用情况。

机车速度检测系统是关系机车可靠控制和机车安全运行的重要环节，直接影响机车运行的安全正点。目前周内铁路主要干线机车机车的过渡装置、监控装置、防空转系统、车载轴承检测装置所需的机车速度信号，是由安装在机车轮对车轴上的速度传感器提供的。普遍采用了光电速度传感器，速度信号提供给速度表、列车运行监控记录装置系统、机车控制电子柜以及内燃机车微机励磁系统。当机车回段检修时，由于不能动车或动车速度不高，没有速度信号输出或输出速度信号强度不够，因而这些需要速度信号的系统检测就成了机车测试、检修中一项比较困难的工作。为此，设计研制机车光电速度传感器模拟信号发生器，使机车在静态不动车情况下模拟发出速度信号，对满足机车检修工作的需要有着重要意义。

1 总体方案

1.1 系统设计原理

该设备发出的模拟信号要求与国内铁路各干线上目前所用的DF4D，DF8，DF11，SS7，SS8及SS9等型机车上所装的速度传感器输出信号相互兼容，同时由于各种机车轮径不同，该设备要能够调节轮径大小，并输出对应频率脉冲，该机车速度信号发生器应达到如下要求：1)信号输出为占空比为50%的方波信号，高电平选取12V;2)输出带宽为2～9 999Hz;3)输出最大直流电流为10 mA;4)输出精度为1%;5)采用数字

液晶表头显示对应机车速度;6)适用DF-16型各种光电式速度传感器。

1.2 主系统框图

主系统框图如图1所示。

2 系统设计

2.1 硬件电路设计

2.1.1单片机来模拟传感器的脉冲信号发生电路

由于单片机的工作频率高达12 MHz，而机车速度信号经过换算后的最高频率是4.23 KHz(按300 km/h)，因此用单片机设置模拟信号精度高(<0.05%)，而且操作简单，界面友好。

2.1.2电源系统

电源系统主要是为各个系统供电，为保证速度信号发生器和机车电路的安全，所有电源都采用了光耦隔离措施，确保了机车与发生器独立工作，本装置主要需要5 V、3.3 V等电源，均采用模块化的DC—DC开关电源，DC—DC开关电源具有极宽的输入范围。

2.1.3 人机交互界面

采用3.5寸彩色液晶屏，该显示器采用TFT总线型，具有全硬件实现。不死机，稳定可靠。

2.1.4 速度信号输出与采集电路

为保证速度信号发生器和机车电路的安全，信号的输入输出都采用了光耦隔离措施，确保了机车与发生器独立工作。

2.2 软件设计

ATmega16在软件上能有效支持C语言及汇编语言。C语言目前已成为设计嵌入式系统的标准语言，它既有普通高级语言结构化编程、可读性好、维护方便的特点，又具有汇编等低级语言对硬件访问方便、代码效率高的特点。本设计是用C语言编程实现的，具有很好的可移植性，其程序流程图如图5所示。

2.2.1 脉冲产生软件设计

速度信号发生器最重要的数据输出就是速度信号，速度信号的脉冲频率直接由速度和轮径决定，并且与速度成正比，与轮径成反比。该设备通过软件设定实际机车的轮径，并设定模拟速度，通过软件计算发送出对应的速度信号，下面介绍程序里的速度脉冲信号产生部分：

程序思路为：先由设定的速度和轮径，通过计算得出车轮转速，由车轮转速计算得出需要信号的周期，并对周期加以分析，通过特定参数对周期修正，得出需要的频率，最后配置定时器在I/O口输出对应的脉冲信号。

3 结束语

基于ATmega16单片机的便携式机车信号发生器具有功耗低、结构简单、性价比高等优点，并且减少了外围接口器件，提高了系统工作可靠性。

在实际应用中能同时测试四路机车速度信号，具有使用简单、可靠、维修方便、容易、操作安全、灵活等多种优点，测试结果直观，能直接显示出机车速度检测部分的电源错误、断路错误和速度检测准确度等。