摘要：給出了一套基于單片機(jī)的多功能起撥道補(bǔ)償控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(diǎn)法和三點(diǎn)法的檢測(cè)原理與補(bǔ)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(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，精度較高。
關(guān)鍵字：連續(xù)式搗固車；起撥道補(bǔ)償；單片機(jī)

0 引言
    我國養(yǎng)路機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)電氣控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電氣控制系統(tǒng)，本文針對(duì)09-32型連續(xù)式搗固車起撥道的補(bǔ)償控制技術(shù)進(jìn)行了研究。
    傳統(tǒng)的起撥道補(bǔ)償系統(tǒng)大多采用運(yùn)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(jī)的多功能起撥道補(bǔ)償控制系統(tǒng)，因篇幅原因，本文僅介紹撥道補(bǔ)償?shù)乃惴ㄔO(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)。

1 撥道補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)
    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(jì)采用連續(xù)作業(yè)的方式，其主要的作業(yè)裝置裝在一個(gè)可相對(duì)移動(dòng)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(yùn)動(dòng)，作業(yè)小車則通過制動(dòng)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(cè)量系統(tǒng)中的C點(diǎn)將隨作業(yè)小車的位置不斷變化而變化，C點(diǎn)的撥道正矢也隨C點(diǎn)變化，因此，為了準(zhǔn)確撥道，設(shè)計(jì)時(shí)就必須加一個(gè)補(bǔ)償值。
1．1 四點(diǎn)法補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)
    圖1所示是四點(diǎn)法補(bǔ)償算法的原理圖。設(shè)衛(wèi)星作業(yè)小車由C點(diǎn)移動(dòng)距離x后到達(dá)點(diǎn)C’，C點(diǎn)正矢設(shè)為H1，C’的正矢設(shè)為*****，B點(diǎn)的正矢為H2，D點(diǎn)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(diǎn)的方向偏移所產(chǎn)生的補(bǔ)償值為△H1F，C點(diǎn)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(diǎn)法補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)
    三點(diǎn)法和四點(diǎn)法相比，其少了一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)A，其余的檢測(cè)原理與補(bǔ)償原理都相同，同理，就可推出系統(tǒng)的總補(bǔ)償值為：


2 起撥道補(bǔ)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(shí)，首先應(yīng)進(jìn)行線路各參數(shù)的檢測(cè)，再結(jié)合沉降補(bǔ)償、曲線修正、作業(yè)小車移動(dòng)補(bǔ)償?shù)冗M(jìn)行計(jì)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(duì)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(bǔ)償控制系統(tǒng)要求
    由模擬控制系統(tǒng)可知，起撥道補(bǔ)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(hào)。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(diǎn)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(bǔ)償值、右起道補(bǔ)償值、撥道補(bǔ)償值；此外有2路數(shù)字量輸入，即左超高信號(hào)和衛(wèi)星小車在后位信號(hào)。
    對(duì)于系統(tǒng)的輸入信號(hào)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(diǎn)的理論正矢?jìng)鞲衅鬓D(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(dòng)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(duì)于系統(tǒng)的輸出信號(hào)范圍，可根據(jù)補(bǔ)償算法反推，其輸出信號(hào)范圍為-3．1387～+1．046 V。

3 起撥道補(bǔ)償系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
3．1 硬件電路結(jié)構(gòu)
    根據(jù)系統(tǒng)需求，本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的多功能起撥道補(bǔ)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(jī)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(chǔ)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(jī)采用的是DALLAS公司生產(chǎn)的DS80C320，該單片機(jī)與8051單片機(jī)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(diǎn)。DS80C320具有256個(gè)字節(jié)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(gè)機(jī)器周期縮短為4個(gè)，最高時(shí)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(shí)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(dòng)，這一點(diǎn)在菜單修改和顯示時(shí)尤其重要，此外，DS80C320還具有可編程看門狗定時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)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(hào)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(hào)，輸出電壓范圍為-10～10 V。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果
4．1 軟件設(shè)計(jì)
    本文介紹的起撥道補(bǔ)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(hào)采樣輸入、補(bǔ)償計(jì)算、數(shù)據(jù)處理以及信號(hào)輸出等。其軟件流程如圖4所示。

4．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    筆者分別用三點(diǎn)法和四點(diǎn)法對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行了撥道補(bǔ)償測(cè)試。測(cè)試時(shí)假設(shè)衛(wèi)星小車零點(diǎn)在后，前端偏移為20 mm，作業(yè)點(diǎn)理論正矢為30 mm，測(cè)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(dòng)距離變化量為1 V(100 mm)，檢測(cè)弦線BC長度為4700 mm，BD14750 mm，AD為20750 mm，表1所列是三點(diǎn)法撥道補(bǔ)償?shù)臏y(cè)試結(jié)果。
    從表1可見，三點(diǎn)法撥道補(bǔ)償值的最大誤差值為0．06 mm。

    表2所列是四點(diǎn)法撥道補(bǔ)償值的測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)。從表2所列數(shù)據(jù)可以看出，四點(diǎn)法撥道補(bǔ)償值的最大誤差為0．04mm。

5 結(jié)束語
    事實(shí)上，這種多功能起撥道補(bǔ)償系統(tǒng)在實(shí)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(duì)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(diǎn)法補(bǔ)償?shù)淖畲笳`差為0．06 mm，四點(diǎn)法補(bǔ)償?shù)淖畲笳`差為0．04mm，可見系統(tǒng)的穩(wěn)定性強(qiáng)，精度較高。目前，該補(bǔ)償系統(tǒng)已投入生產(chǎn)。