机械几何量智能测量仪的研究

目前，随着铁路大规模提速，对机车检修的质量要求越来越高。而在机车部件的几何量的测量和检测方面，目前还停留在手工测量（或目测）、人工记录等阶段，精度低，工作量较大。其监测数据的可靠性建立在个人的工作经验和责任心的基础上。某种程度上制约了修车质量的提高。在科学技术现代化飞速发展的今天，如何实现对机车部件的自动测量、存储判断、处理是目前检修工作关注的主要问题之一。机械几何量智能测试系统就是集数据采集、存储、传送、处理等多项功能为一体的几何量测试系统。

系统结构框图如下：

本系统由数字测量尺、智能测试仪和微机数据管理系统三部分组成。下面将对各个部分进行详细分析。

（一） 容栅式数显尺

容栅式传感器与其他大位移传感器（如光栅、感应同步器、磁栅）相比，具有体积小，造价低，环境适应能力强和实现了机电一体化等特点，在国内主要用于电子数显量尺中。由于篇幅有限，本文不具体介绍容栅式数显尺的工作原理。在智能测量仪系统中，要读取数显尺的数据，需研制与数显尺的连接接口。本套系统采用软件的方法，用PIC单片机，加上简单的电平转换电路，来接收检测时钟和数据信号。

1、容栅式传感器及其协议

容栅式传感器的输入输出共有四根引线，以颜色区分，分别为黄色地线、蓝色数据线、红色时钟线和白色电源线。这种传感器的优点在于量程大，精度高，无温漂、时漂等特点。传感器的输出为数字信号，且输出的频率较高。根据厂家提供的资料并经过实际测试，其具体格式如图：

从图中可以看出，一帧输出数据分为两组，每一组包含24bit。第一组表示包含基准零位的数据，第二组是减去基准零位以后的数据。数据线上输出的码型为单极性不归零码。以时钟每次下跳变时刻为准读取数据线上的电平，为高则该位为1，为低则该位为0。24bit表示一个整形数，编码形式为二进制原码，低位在前，高位在后。传感器每250ms输出一帧数据，输出时钟频率为90kHz,两帧数据之间为低电平。

2、接口方案设计

接口要完成的工作包括时钟跳变的捕获，信号电平的判别与储存，以及将数据变成PC机标准接口所能接受的形式。为此，设计了专门的电平转换电路，如下图所示：

（二）智能测量仪

智能测量仪是一个手持机,是测量的主要部件。要完成接收数显尺传过来的数据，以及记录、修改、存储，上传、查询等多种功能。还要有时间、标识号码的输入等功能。其系统的结构框图如下：

如果将时钟信号接在单片机的外中断引脚上，每次时钟跳变触发一次中断。在中断响应过程中采集数据线上的电平并保存结果，从而完成采集工作。但是对于这套系统来说，这种采集方法是行不通的。原因是相对于90kHz的时钟频率，中断相应的处理速度太慢。虽然PIC单片机使用单周期的指令集，用最短的语句也至少要需要10us再加上进入中断到开始执行的时间，要15us左右，而在90kHz的时钟频率下,每一位数据有效周期仅11-12us,中断响应的速度无论如何也赶不上数据输出的速度。所以，在程序设计中，采用查询的办法来解决数据的采集问题。

要想完整的接收一帧数据，必须要从开始的那一段低电平开始查询接收。搜寻这一段地电平程序如下：

BSF CLOCK

BSF CDATA

CIR : MOVLW， #16

MOVWF，LENGTH

WAIT: BTFSS CLOCK，CIRCLE

DECFSZ LENGTH，WAIT

READY:

…………

…………

具体的功能流程图如下：

在项目下载的功能中，上位机将所要测量的项目下载到测量仪上。这样，每一个测量仪可以根据不同的需要去测量任意一个被测量，做到了较大范围内的“自适应”。同时系统中还备有电源监测系统，在屏幕上显示了电池的电量，一旦电量不足，蜂鸣器将提示用户尽快的予以充电。

（三）数据管理系统

数据管理系统是在Visual Basic 平台下开发的一套系统软件。要求对测量仪所上传的数据进行整理，写入SQL数据库。同时可以进行查询、打印、删除等功能并通过网络进行数据共享。也可以对新添加的测试项目同下位机进行数据下载。

部件选项中包括对部件的添加、删除、下载及部件标准值的设置。如果接收过来的响应数据超过标准值，系统将给出提示。对于数据的查询，采用了多种查询组合的方式，非常方便。

整套测试系统利用通数显尺的接口，将大量的手工测量变成了自动化测量，节约了大量的时间和劳动量。目前已在铁路段得到实际应用。