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的設計方法。該方法以步進式搗固車起撥道作業為基礎，結合了四點法和三點法的檢測原理與補償原理，因而結構簡單，操作方便，并可根據用戶需求修改作業參數。實驗證明，該系統抗干擾能力強，穩定性好，精度較高。
關鍵字：連續式搗固車；起撥道補償；單片機
0 引言
我國養路機械的發展起步較晚。長期以來。我國搗固車電氣控制技術都依靠國外進口。由于受制于國外的技術壟斷，因而嚴重阻礙了我國養路機械的發展進程。為了走自主發展的道路，打破現有的國外壟斷局面，擺脫國外技術的控制，實現電氣控制系統的國產化，開發具有自主知識產權的電氣控制系統，本文針對09-32型連續式搗固車起撥道的補償控制技術進行了研究。
傳統的起撥道補償系統大多采用運算電路組成的模擬電路來完成，這種方式控制復雜，系統精度和穩定性都比較差。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，因篇幅原因，本文僅介紹撥道補償的算法設計與實驗。
1 撥道補償算法設計
為了使09-32搗固車達到更高的效率并提高操作人員的舒適性，本設計采用連續作業的方式，其主要的作業裝置裝在一個可相對移動的衛星作業小車上。在作業的過程中，大車一直向前運動，作業小車則通過制動系統停下來作業。作業完成后再加速趕上大車。由于測量系統中的C點將隨作業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，為了準確撥道，設計時就必須加一個補償值。
1．1 四點法補償算法設計
圖1所示是四點法補償算法的原理圖。設衛星作業小車由C點移動距離x后到達點C’，C點正矢設為H1，C’的正矢設為*****，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。
設由D點的方向偏移所產生的補償值為△H1F，C點產生的偏移誤差為FC，C’的偏移誤差為
，那么，根據相似三角形的比例關系可知
1．2 三點法補償算法設計
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，就可推出系統的總補償值為：
2 起撥道補償控制系統
2．1 起撥道控制系統的系統構成
搗固車進行起撥道作業時，首先應進行線路各參數的檢測，再結合沉降補償、曲線修正、作業小車移動補償等進行計算處理，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行起撥道作業，其系統框圖如圖2所示。
2．2 起撥道補償控制系統要求
由模擬控制系統可知，起撥道補償控制系統主要包括模擬量輸入輸出、數字量輸入以及外部中斷信號。模擬量輸入包括7路：即衛星小車位置、左前起道量、右前起道量、后擺超高差、作業點理論正矢、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路數字量輸入，即左超高信號和衛星小車在后位信號。
對于系統的輸入信號范圍，由于其左右起道量的轉換關系為50 mV／mm，故根據最大起道量可得出其輸入電壓范圍為±7．5 V；而作業點的理論正矢傳感器轉換關系為25 mV／mm，故其輸入電壓范圍為±3．75 V；衛星小車位置可根據衛星小車驅動控制板位移傳感器得出，其輸入電壓范圍為±10 V；此外，其前端偏移量轉換關系為50mV／mm，輸入電壓范圍為±7．5 V。
而對于系統的輸出信號范圍，可根據補償算法反推，其輸出信號范圍為-3．1387～+1．046 V。
3 起撥道補償系統的硬件設計
3．1 硬件電路結構
根據系統需求，本文設計的基于單片機的多功能起撥道補償控制系統的系統結構如圖3所示。該系統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成。該系統具有可視化操作界面，可將不同車型的作業參數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參數，參數修改值可通過I2C通訊方式保存到一片EEPROM24C08存儲器中，從而可保證前后作業參數的一致性。
3．2 電路器件說明
系統的單片機采用的是DALLAS公司生產的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個字節的內部數據存儲單元，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，滿足系統的高速要求，同時具有雙數據指針，可利用雙數據
指針進行數據的快速移動，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警中斷功能。
系統中的模擬量輸入單元采用BURRBROWN公司的A／D轉換芯片ADS7805和8通道多路選擇開關組成，并通過程序控制來實現對各通道模擬量的采樣與轉換。ADS7805采用先進的CMOS結構，是一個完整的16位A／D轉換器，其輸入電壓范圍為±10 V，可滿足系統輸入電壓范圍的要求，ADS7803的采樣頻率為100 kHz，且轉換精度高(ILSB=0．305 mV)，其最大積分非線性度為±3LSB，可滿足系統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轉換芯片AD7841，該芯片的基準電源為±5 V，具有14位并行數據輸入，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 系統軟件設計與試驗結果
4．1 軟件設計
本文介紹的起撥道補償系統控制軟件的主要功能包括串口菜單顯示、通過菜單修改作業參數、外部信號采樣輸入、補償計算、數據處理以及信號輸出等。其軟件流程如圖4所示。
4．2 實驗結果
筆者分別用三點法和四點法對本設計進行了撥道補償測試。測試時假設衛星小車零點在后，前端偏移為20 mm，作業點理論正矢為30 mm，測試中，衛星小車的位置從-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的測試結果。
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果數據。從表2所列數據可以看出，四點法撥道補償值的最大誤差為0．04mm。
5 結束語
事實上，這種多功能起撥道補償系統在實際應用中還加入了硬件抗干擾措施和軟件抗干擾措施。為了提高系統的穩定性和精度，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中的數據可知，三點法補償的最大誤差為0．06 mm，四點法補償的最大誤差為0．04mm，可見系統的穩定性強，精度較高。目前，該補償系統已投入生產。