摘要：給出了一套基于單片機的多功能起撥道補償控制系統(tǒng)的設(shè)計方法,。該方法以步進(jìn)式搗固車起撥道作業(yè)為基礎(chǔ),，結(jié)合了四點法和三點法的檢測原理與補償原理，因而結(jié)構(gòu)簡單,，操作方便,，并可根據(jù)用戶需求修改作業(yè)參數(shù)。實驗證明,，該系統(tǒng)抗干擾能力強,，穩(wěn)定性好，精度較高,。
關(guān)鍵字：連續(xù)式搗固車,；起撥道補償；單片機
0 引言
我國養(yǎng)路機械的發(fā)展起步較晚,。長期以來,。我國搗固車電氣控制技術(shù)都依靠國外進(jìn)口。由于受制于國外的技術(shù)壟斷,，因而嚴(yán)重阻礙了我國養(yǎng)路機械的發(fā)展進(jìn)程,。為了走自主發(fā)展的道路，打破現(xiàn)有的國外壟斷局面,，擺脫國外技術(shù)的控制,，實現(xiàn)電氣控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電氣控制系統(tǒng),，本文針對09-32型連續(xù)式搗固車起撥道的補償控制技術(shù)進(jìn)行了研究,。
傳統(tǒng)的起撥道補償系統(tǒng)大多采用運算電路組成的模擬電路來完成，這種方式控制復(fù)雜，系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性都比較差,。為此，本文介紹了一種基于單片機的多功能起撥道補償控制系統(tǒng),，因篇幅原因,，本文僅介紹撥道補償?shù)乃惴ㄔO(shè)計與實驗。
1 撥道補償算法設(shè)計
為了使09-32搗固車達(dá)到更高的效率并提高操作人員的舒適性,，本設(shè)計采用連續(xù)作業(yè)的方式,，其主要的作業(yè)裝置裝在一個可相對移動的衛(wèi)星作業(yè)小車上。在作業(yè)的過程中,，大車一直向前運動,，作業(yè)小車則通過制動系統(tǒng)停下來作業(yè)。作業(yè)完成后再加速趕上大車,。由于測量系統(tǒng)中的C點將隨作業(yè)小車的位置不斷變化而變化,，C點的撥道正矢也隨C點變化，因此,，為了準(zhǔn)確撥道,，設(shè)計時就必須加一個補償值。
1．1 四點法補償算法設(shè)計
圖1所示是四點法補償算法的原理圖,。設(shè)衛(wèi)星作業(yè)小車由C點移動距離x后到達(dá)點C’,，C點正矢設(shè)為H1，C’的正矢設(shè)為*****,，B點的正矢為H2,，D點的方向偏移距離為FD。圖1中的“1”表示正確的圓曲線位置,； “2”表示有方向偏差的圓曲線,；“3”表示整正后的圓曲線。
設(shè)由D點的方向偏移所產(chǎn)生的補償值為△H1F,，C點產(chǎn)生的偏移誤差為FC,，C’的偏移誤差為
，那么,，根據(jù)相似三角形的比例關(guān)系可知
1．2 三點法補償算法設(shè)計
三點法和四點法相比,，其少了一個檢測點A，其余的檢測原理與補償原理都相同,，同理,，就可推出系統(tǒng)的總補償值為：
2 起撥道補償控制系統(tǒng)
2．1 起撥道控制系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成
搗固車進(jìn)行起撥道作業(yè)時，首先應(yīng)進(jìn)行線路各參數(shù)的檢測,，再結(jié)合沉降補償,、曲線修正、作業(yè)小車移動補償?shù)冗M(jìn)行計算處理，從而得到正確的起道值和撥道值,，最終控制起撥道裝置對線路進(jìn)行起撥道作業(yè),，其系統(tǒng)框圖如圖2所示。
2．2 起撥道補償控制系統(tǒng)要求
由模擬控制系統(tǒng)可知,，起撥道補償控制系統(tǒng)主要包括模擬量輸入輸出,、數(shù)字量輸入以及外部中斷信號。模擬量輸入包括7路：即衛(wèi)星小車位置,、左前起道量,、右前起道量、后擺超高差,、作業(yè)點理論正矢,、前端偏移、模擬地,；模擬量輸出有3路：包括左起道補償值,、右起道補償值、撥道補償值,；此外有2路數(shù)字量輸入,，即左超高信號和衛(wèi)星小車在后位信號。
對于系統(tǒng)的輸入信號范圍,，由于其左右起道量的轉(zhuǎn)換關(guān)系為50 mV／mm,，故根據(jù)最大起道量可得出其輸入電壓范圍為±7．5 V；而作業(yè)點的理論正矢傳感器轉(zhuǎn)換關(guān)系為25 mV／mm,，故其輸入電壓范圍為±3．75 V,；衛(wèi)星小車位置可根據(jù)衛(wèi)星小車驅(qū)動控制板位移傳感器得出，其輸入電壓范圍為±10 V,；此外,，其前端偏移量轉(zhuǎn)換關(guān)系為50mV／mm，輸入電壓范圍為±7．5 V,。
而對于系統(tǒng)的輸出信號范圍,，可根據(jù)補償算法反推，其輸出信號范圍為-3．1387～+1．046 V,。
3 起撥道補償系統(tǒng)的硬件設(shè)計
3．1 硬件電路結(jié)構(gòu)
根據(jù)系統(tǒng)需求,，本文設(shè)計的基于單片機的多功能起撥道補償控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。該系統(tǒng)以單片機為控制核心,，外加模擬量采樣輸入單元A／D,、模擬量輸出單元D／A、數(shù)字量輸入單元8255A,、I2C通訊單元,、串口通訊單元以及其他外圍電路構(gòu)成。該系統(tǒng)具有可視化操作界面，可將不同車型的作業(yè)參數(shù)通過串口通訊的方式在顯示器上顯示出來,，并可通過鍵盤修改作業(yè)參數(shù),，參數(shù)修改值可通過I2C通訊方式保存到一片EEPROM24C08存儲器中，從而可保證前后作業(yè)參數(shù)的一致性,。
3．2 電路器件說明
系統(tǒng)的單片機采用的是DALLAS公司生產(chǎn)的DS80C320,，該單片機與8051單片機的引腳和指令集均兼容。因其采用CHMOS工藝,，因而具有高速度,、高密度,、低功耗等特點,。DS80C320具有256個字節(jié)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲單元，其最大尋址能力為64 KB ROM和64 KB RAM,，指令周期可由8031的12個機器周期縮短為4個,，最高時鐘頻率為33 MHz，故可大大縮短指令周期,，滿足系統(tǒng)的高速要求,，同時具有雙數(shù)據(jù)指針，可利用雙數(shù)據(jù)
指針進(jìn)行數(shù)據(jù)的快速移動,，這一點在菜單修改和顯示時尤其重要,，此外，DS80C320還具有可編程看門狗定時器和斷電預(yù)警中斷功能,。
系統(tǒng)中的模擬量輸入單元采用BURRBROWN公司的A／D轉(zhuǎn)換芯片ADS7805和8通道多路選擇開關(guān)組成,，并通過程序控制來實現(xiàn)對各通道模擬量的采樣與轉(zhuǎn)換。ADS7805采用先進(jìn)的CMOS結(jié)構(gòu),，是一個完整的16位A／D轉(zhuǎn)換器,，其輸入電壓范圍為±10 V，可滿足系統(tǒng)輸入電壓范圍的要求,，ADS7803的采樣頻率為100 kHz,，且轉(zhuǎn)換精度高(ILSB=0．305 mV)，其最大積分非線性度為±3LSB,，可滿足系統(tǒng)精度要求和信號范圍的要求,。
模擬量輸出單元采用AD公司的D／A轉(zhuǎn)換芯片AD7841，該芯片的基準(zhǔn)電源為±5 V,，具有14位并行數(shù)據(jù)輸入,，分辨率為14位，因而分辨率高(1LSB=1．22mV),，并可輸出8路模擬信號,，輸出電壓范圍為-10～10 V。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計與試驗結(jié)果
4．1 軟件設(shè)計
本文介紹的起撥道補償系統(tǒng)控制軟件的主要功能包括串口菜單顯示、通過菜單修改作業(yè)參數(shù),、外部信號采樣輸入,、補償計算、數(shù)據(jù)處理以及信號輸出等,。其軟件流程如圖4所示,。
4．2 實驗結(jié)果
筆者分別用三點法和四點法對本設(shè)計進(jìn)行了撥道補償測試。測試時假設(shè)衛(wèi)星小車零點在后,，前端偏移為20 mm,，作業(yè)點理論正矢為30 mm，測試中,，衛(wèi)星小車的位置從-10 V到+10 V變化,，每次給定的移動距離變化量為1 V(100 mm)，檢測弦線BC長度為4700 mm,，BD14750 mm,，AD為20750 mm，表1所列是三點法撥道補償?shù)臏y試結(jié)果,。
從表1可見,，三點法撥道補償值的最大誤差值為0．06 mm。
表2所列是四點法撥道補償值的測試結(jié)果數(shù)據(jù),。從表2所列數(shù)據(jù)可以看出,，四點法撥道補償值的最大誤差為0．04mm。
5 結(jié)束語
事實上,，這種多功能起撥道補償系統(tǒng)在實際應(yīng)用中還加入了硬件抗干擾措施和軟件抗干擾措施,。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度，對模擬量輸入還采用硬件濾波和軟件濾波等方法來減小誤差,，由表1和表2中的數(shù)據(jù)可知,，三點法補償?shù)淖畲笳`差為0．06 mm，四點法補償?shù)淖畲笳`差為0．04mm,，可見系統(tǒng)的穩(wěn)定性強,，精度較高。目前,，該補償系統(tǒng)已投入生產(chǎn),。