軌道電路是信號聯鎖的室外重要設備，起著保證行車和調車作業安全的作用。它能監督檢查某一固定區段內的線路（包括站線）是否有列車運行、調車作業或車輛佔用的情況，並能顯示該區段內的鋼軌是否完整。它是以鋼軌為導線，軌縫間用接續線連續起來，一端接電源，另一端連接受電器，通過軌道電流來工作。
軌道電路能否正常工作直接影響到列車的安全行駛，因此，對軌道電路的檢測尤為重要，目前市場上的檢測設備還很少，而且普遍存在功耗大，價格昂貴，體積大等不足。為此，本文通過對軌道電路分析研究，設計一種高精度的壓力測試儀器來模擬火車對軌道的壓力，從而驗證軌道電路的性能。
系統的組成及其工作原理
本系統以PIC16F876A單片機為核心，通過軟體編程實現其對數據處理、系統實時控制。系統框圖如圖1所示，由主控MCU模塊、A/D採樣模塊、電源管理模塊、顯示模塊和傳感器組成。
圖1 系統結構圖
本系統各部分的主要功能是：電源管理主要負責對電池電壓進行檢測和升壓穩壓，當電壓低於3V，系統停止工作，並進行欠壓報警。主控MCU負責對採集來的壓力信號進行數學計算，將電壓信號轉換為壓力值，在數碼管上顯示，並可以進行手動調零及滿量程調整。系統精度要求是±0.1kN；可以進行超量程報警和未接傳感器報警。為了達到低功耗的目的，在軟體中做了休眠和關機的功能。
系統硬體設計
1 電源管理電路設計
電源管理主要是對電池電壓進行升壓和穩壓，同時還能夠進行過壓保護和低壓報警功能。採用TPS60230晶片組成升壓電路，TPS60230是TI公司生產的一種新型電荷泵DC/DC轉換器。其應用原理如圖2所示。電池的電壓2～5.4V接入TPS60230輸入腳IN，圖中C1、C2為電荷泵電容，採用等效電阻小的電容。R1、R2分壓來確定低電壓報警門限，當低於R1、R2的分壓值時，LBO輸出低電平，單片機查詢到有低電平後就控制模擬開關切斷後續電路電源；輸出5V接後面的模擬開關和單片機。
圖2 電源管理電路
2 單片機與採樣電路設計
根據精度要求，本系統採用ADI公司的16位A/D晶片AD7705，AD7705晶片將放大、濾波和A／D轉換單元集於一體，是一種低成本、寬動態範圍、高解析度的A／D轉換晶片。AD7705與單片機通過SPI進行數據通信，連接如圖3所示，其中，CH1和CH2為差模輸入通道，REF為滿量程電平，通過調節RP1來設置滿量程電平。單片機作為主機，通過四線（CS、SCLK、DI、DO）SPI與AD7705相連，DRDY為數據轉換完成信號，低電平有效，與單片機RC2口相連，單片機查詢到RC2口有低電平時，就開始向AD7705發讀寄存器指令來獲取AD值。CH1+和CH1-為來自壓力傳感器的壓力信號，CH2+和CH2-為調零電位器送來的信號。
圖3 採樣電路
3 顯示與報警電路設計
顯示與報警電路如圖4所示，顯示部分採用7段4位數碼管顯示，PORTB口連接數碼管的段碼，RC0、RC1、RC6、RC7口經過三極體驅動放大控制數碼管的選擇端。當單片機檢測到RA1口有低電平信號後，控制模擬開關切斷後續電路的電源，與此同時，D1和蜂鳴器B發出報警信號。當壓力超過系統量程時，D2和蜂鳴器報警。為了區分低壓報警和超量程報警，D1和D2採用不同的顏色，蜂鳴器在等間隔內響的次數不同。
圖4 顯示與報警電路
系統軟體設計
1 採樣和數據處理
①AD7705的讀寫時序
AD7705通過四線SPI與單片機通信，其讀寫時序圖如圖5(a)、(b)所示，讀寫過程中串行數據高位在前，低位在後。DRDY為低電平說明A/D已經轉換完畢，數據已準備好，可以啟動讀寫指令。任何時候要對AD7705進行讀寫操作都須檢查DRDY是否為低。
圖5 AD7705讀寫時序圖
②AD7705的寄存器
第一個是通信寄存器(communication Register)，選擇採集通道、下一次操作是讀還是寫，以及下一次讀寫哪一個寄存器。
第二個是設置寄存器（Setup Register），決定校準模式、增益設置、極性設置以及緩衝模式。
第三個是時鐘寄存器(CLOCK Register)，設置濾波器記憶時鐘控制位。
軟體編程思路也是按這個順序寫的，先設置通信寄存器，其次寫設置寄存器，最後設置時鐘寄存器。設置完之後，只要檢測到DRDY為低電平，就可以啟動時鐘來讀取AD7705數據寄存器中已轉換好的數據。
2 數據處理算法思路
數據處理主要是將電壓信號轉換成壓力值，將採集來的數據進行轉換。已知：傳感器的參數為10mV對應的是30kN，A/D的滿量程電壓為1.5V，設採集的A/D值為K，設換算後的壓力為X，10mV對應的A/D值為D，增益為64，則由以上參數可求出：
(1)
(2)
式(2)就是轉換後的壓力值和採集的A/D值的關係。
因為單片機不支持浮點運算，為了能精確的顯示結果，用軟體模擬浮點除法運算，其主要思想是：定義一整型變量INTD，將除的結果存入INTD中，因為是整型變量，所以除法的結果只取了整數部分，例如5/4=1，模擬除法的算法主要依據這一特性。
第一步，如果採集來的值K大於932，K/932存入整型變量中即可得到整數部分。
第二步，用K對932取餘得到R，顯然R小於932，然後得到小數點後第一位，再用R×10對932取餘得到R1，小數點後第二位,以此類推，得到小數點後第三位dec3。
第三步，如果採集來的值K小於932，直接進行第二步操作。
第四步，與邏輯零點進行比較，得到理論壓力值，並進行BCD轉換在數碼管上顯示。
圖6 軟體流程圖
3 程序編程思路及流程圖
系統軟體編程採用狀態機機制，上電之後進行各個模塊的初始化，包括I/O口初始化、定時器初始化、SPI初始化等。初始化完後進入系統循環，在循環體中根據任務標誌位進行任務處理，主要任務有：欠壓處理、數據採集、睡眠、關機等。在數據處理時，先採集通道2的值，然後採集通道1，如果傳感器未接，則採集來的值為零或者近似零，系統報警等待。如果採集來的值大於零，則參與運算。求出理論值顯示。