高速鐵路作為當今世界鐵路高新技術(shù)的一項重大成就，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，在許多國家得到迅猛發(fā)展并日益贏得人們的歡迎和贊賞。而對其車速、軸溫、制動缸和列車管壓力、車廂溫度、列車供電以及其他有關(guān)的輔助設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷是保證列車高速安全運行的重要手段。不斷發(fā)展的智能傳感器技術(shù)、微型計算機技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)及信號處理技術(shù)為之提供了堅實的技術(shù)支持。
傳統(tǒng)的監(jiān)測儀表以電信號的產(chǎn)生、傳輸、模擬處理和顯示（包括指針指示和數(shù)字顯示）為主來反映被測量的變化，存在著嚴重不足：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)復雜；輸入—輸出特性存在非線性，且隨時間漂移，存在交叉靈敏度；信噪比低，傳輸?shù)哪M信號易受外界噪聲干擾，測量結(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，兼有信號檢測與信息處理的功能，它將檢測到的信號經(jīng)過變換處理后，以數(shù)字量形式通過現(xiàn)場總線與高/上位機進行串行通訊，可以大大削減現(xiàn)場與高/上位機之間的一對一連接導線，簡化整個系統(tǒng)的布線和設(shè)計，節(jié)約初期安裝費用。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格性能比等特點，在測量距離遠、安裝空間小、測點多的高速機車狀態(tài)監(jiān)測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車軸溫監(jiān)測中的具體應(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均含有一個惟一的64位硅串行數(shù)，通過識別該碼可以區(qū)分不同的傳感器，因此可以在一根總線上掛接多個DS1820，由上位機通過選擇傳感器和硅串行數(shù)對選定的傳感器進行讀、寫、啟動轉(zhuǎn)換和設(shè)置報警參數(shù)等操作，從而在結(jié)構(gòu)上大大簡化系統(tǒng)設(shè)計和安裝維護工作。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，當總線上是高電平時，傳感器從總線上獲得能量并儲存在內(nèi)部電容上；當總線上是低電平時，由內(nèi)部電容向傳感器供電。DS1820由3個主要的數(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位為每個傳感器惟一的出廠序列編號，后8位為前56位的校驗碼。溫度感應(yīng)器負責將被測溫度量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏俊H、TL觸發(fā)器用于存儲用戶設(shè)定的溫度報警上、下限TH、TL值。
DS1820測溫原理如圖1—2所示。在DS1820內(nèi)部有兩個不同溫度系數(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送給計數(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)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。－55℃對應(yīng)的一個基數(shù)值預置在計數(shù)器1和溫度寄存器內(nèi)，并由計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值加1，計數(shù)器1的預置值重新被裝入并再次進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2的值減到0為止，此時停止溫度寄存器的累加，其內(nèi)部數(shù)值即為當前所測溫度。斜率累加器用來補償和修正測量過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器1的預置值。
DS1820本身可以達到0.5℃的溫度分辨率，為了滿足分辨率的測量需求，還提供了直接讀取計數(shù)器和寄存器的途徑。首先，讀取當前溫度值，將9位數(shù)據(jù)的最低位舍棄，變成一個8位數(shù)據(jù)記為A，隨后讀取在門時期停止后留在計數(shù)器中的殘留值，記為B，然后再讀取每一度產(chǎn)生的計數(shù)個數(shù)，記為C，最后運用下面的公式計算實際溫度值T，可以得到0.1℃以上的溫度分辨率。
T＝A＋0.75－B/C
二、高速機車軸溫監(jiān)測系統(tǒng)
機車速度的提高和牽引功率的增大，機車與鋼軌之間的沖擊、動力效應(yīng)和振動增大，必然會導致機車行走部分的軸箱軸承、牽引電機軸承、抱軸承和空心軸承的發(fā)熱增多。為了保障機車的高速安全運行，開發(fā)研制了基于數(shù)字式智能溫度傳感器的軸溫監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據(jù)不同車型隨意增減測溫點數(shù)，實時顯示各測點的溫度，超標時可聲光報警并記錄報警信息。
（一）系統(tǒng)硬件構(gòu)成
軸溫監(jiān)測系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖2—1所示。為保證系統(tǒng)的安全可靠運行，傳感器與上位機之間采用了環(huán)形雙總線串行傳輸方式，當一個總線因故障中斷時，可自動轉(zhuǎn)換到另一條總線工作，并有指示燈顯示，不會因某處中斷而影響系統(tǒng)工作。安裝在機車下部的傳感器、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，對環(huán)境適應(yīng)能力強。
機車上存有許多大功率電氣設(shè)備，如驅(qū)動電機、變壓器、制動器、前大燈等，這些設(shè)備的動作會使系統(tǒng)的供電電源受到瞬時干擾，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?shù)拇怒h(huán)以吸收、抑止干擾，在輸入端加裝濾波器進一步減弱干擾。同時，將主電路板上的電源線和地線加粗，使地線有效可靠接地，可以使瞬時干擾的能量迅速釋放掉。主電路板和電源分開設(shè)計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通，將驅(qū)動蜂鳴器等部件的三極管改為小繼電器，可有效避免誤報警。
（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個功能模塊：參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)監(jiān)測和事件查詢。參數(shù)設(shè)置的核心是傳感器編號的設(shè)置，通過總線給傳感器發(fā)送指令碼，讀出內(nèi)部的惟一編號并存儲在上位機的EEPROM中。狀態(tài)監(jiān)測主要完成上位機與傳感器的串行通訊，首先根據(jù)內(nèi)部編號選定傳感器，啟動溫度轉(zhuǎn)換，然后上位機接收溫度數(shù)據(jù)，進行報警判斷和數(shù)據(jù)存儲，此時總線上其他的傳感器處于屏蔽狀態(tài)，不允許和上位機進行通訊。系統(tǒng)提供了兩種報警方式：絕對溫度（一般為75℃）超標報警和相對溫度（環(huán)境溫度＋50℃）超標報警（可根據(jù)不同車型和不同測點的要求而自由設(shè)定），同時還能存儲各測點的最大溫升率和對應(yīng)的發(fā)生時間。系統(tǒng)運行一段時間后，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間段內(nèi)發(fā)生的報警事件和溫度情況，還可通過RS－485接口將數(shù)據(jù)傳送到PC機或工作站作進一步的分析和診斷。
當系統(tǒng)受到強干擾而出現(xiàn)程序混亂時，該軟件可自動復位、自行初始化后繼續(xù)正常工作。對因瞬態(tài)干擾而產(chǎn)生畸變的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)軟件自動多次測量可以避免漏測和漏報警。
三、結(jié)論
采用上述軟硬件配置的高速機車軸溫監(jiān)測系統(tǒng)具有測溫精度高、抗干擾能力強、工作穩(wěn)定可靠等特點，完全可以滿足高速機車的需要。該系統(tǒng)已應(yīng)用在SS7D型高速機車（最高時速可達200km/h）上的軸溫監(jiān)測中，運行結(jié)果證明了其可行性、高可靠性和實用性，也可應(yīng)用于其他類型的高速機車。
智能數(shù)字式溫度傳感器在高速機車狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，維護和更換部件更為簡單方便，降低了成本，在技術(shù)上較傳統(tǒng)的模擬式溫度測量有著明顯的優(yōu)勢。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，信號采集、信號處理和信息融合、數(shù)據(jù)通訊的功能將更為強大，在高速機車狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷及過程控制中將有更廣闊的應(yīng)用前景，為機車的安全高速運行發(fā)揮更重要的作用。
