本发明提供了一种基于CAN总线的轨道衡计量系统，其主要包括传感器电路、信号放大电路、A/D转换电路、CAN总线接口电路、CAN总线及上位机。所述信号放大电路为由两个运算放大器组成的两级差分放大电路，外部直流电源经稳压和滤波处理后向放大电路提供功率。CAN总线接口电路包括CAN总线控制器、光学耦合器及CAN总线收发器，CAN总线控制器与CAN总线收发器之间通过光学耦合器进行通信以实现电气隔离。CAN总线控制器被设置成具有控制系统开关信号及故障报警信号的功能。
1.一种基于CAN总线的轨道衡计量系统，其包括传感器电路、信号放大电路、A/D转换电路、CAN总线接口电路、CAN总线及上位机，所述传感器电路中采用电阻应变片式传感器，其特征在于：所述信号放大电路为包括两个运算放大器U1和U2的两级差分放大电路，外部直流电源经稳压和滤波处理后向所述信号放大电路供电；所述CAN总线接口电路包括CAN总线控制器、光学耦合器及CAN总线收发器，所述CAN总线控制器与CAN总线收发器之间通过光学耦合器进行通信，所述CAN总线控制器被设置成用于控制所述轨道衡计量系统的开关信号及故障报警信号；所述传感器电路包括应变全桥电路；
其中，所述信号放大电路包括具有第一运算放大器U1的第一级放大电路和具有第二运算放大器U2的第二级放大电路；在包括运算放大器U1的第一级放大电路中，信号输入端IN+、IN-分别经电阻R1和R2接入运算放大器U1的引脚2和引脚3，构成差分输入；信号输入端IN+还电连接有电容C2，信号输入端IN-还连接电阻R3和电容C1的并联电路，电容C1、C2和电阻R3的另一端电连接在一起，其中电容C1和C2能够对输入信号提供滤波作用；
运算放大器U1的引脚1经电阻R7与引脚8形成电连接；运算放大器U1的引脚4与地GND电连接；运算放大器U1的引脚5经电阻R5被接至地GND；运算放大器U1的引脚6经电阻R17、电阻R4与电容C3的并联电路、及电阻R1与运算放大器U1的引脚2电连接，构成电压反馈放大回路；运算放大器U1的引脚7经电阻R8与电源Vcc形成电连接；电源Vcc通过电容C4与电容C5和电阻R6的并联电路连接至地GND，为电源Vcc的输出信号提供稳压处理；差分输入的模拟信号经运算放大器U1放大后经引脚6输出第一级放大信号；第二级放大电路包括运算放大器U2，运算放大器U1的引脚6经电阻R11电连接至运算放大器U2的引脚3，将第一级放大信号引入第二级放大电路中；运算放大器U2的引脚2经电阻R10电连接至可变电阻R9的脚1，可变电阻R9的脚3与电源Vcc电连接，脚2与地GND形成电连接；运算放大器U2的引脚1经电阻R12与可变电阻R14的脚3电连接，运算放大器U2的引脚8电连接至可变电阻R14的脚1；运算放大器U2的引脚7经电阻R13与电源Vcc电连接；运算放大器U2的引脚4经电容C6电连接至地GND，同时又经电阻R16与电源-Vcc电连接；运算放大器U2的引脚5与第一级放大电路共同与地GND形成电连接；运算放大器U2的引脚6经电阻R15连接信号输出端OUT，同时经电容C7电连接电源-Vcc；输出端OUT经电容C8与地GND形成电连接；其中，运算放大器U2的引脚1与电阻R10形成分压电路，通过调节可变电阻R9的阻值，可以改变电阻R10的分压阻值，实现放大电压的调节功能；通过引脚2引入正向电压与引脚3形成差分输入，借助对正向输入电压的调节可以提供调零功能，消除由于电桥不平衡造成的输出对信号检测的影响；
所述A/D转换电路采用24位∑-△型A/D转换器AD7734，其中，AD7734的引脚AIN1连接信号输入端IN；引脚MCLK IN和MCLK OUT分别连接晶振X的两端，同时晶振X的两端分别经电容Cad2和Cad3与地GND电连接；引脚REF IN(+)经电容Cad1与地GND电连接，同时连接可变电阻Rad1的脚3；引脚REF IN(-)与地GND电连接，同时电连接可变电阻Rad1的脚2，可变电阻Rad1的脚1与转换器的引脚AIN4电连接；引脚DVdd被连接至+5V直流电源，同时经电容Cad4与地GND电连接；引脚DGND与地GND电连接，同时经电容Cad5与引脚DVdd电连接；引脚AVdd连接+5V交流电源，同时经电容Cad6与地GND电连接；引脚AGND与地GND电连接，同时经电容Cad7与引脚AVdd电连接；引脚DOUT连接信号输出端OUT，输出经转换的数字信号。
2.如权利要求1所述的基于CAN总线的轨道衡计量系统，其中，在所述CAN总线接口电路中，所述CAN总线控制器为PIC18F258 CAN总线控制器，所述总线收发器为MCP2551 CAN总线收发器；数字信号被发送至所述总线控制器的SDI端口，所述总线控制器的CANTX端口经光电耦合器与所述总线收发器的TXD端口连接，CANRX端口经所述光电耦合器与所述总线收发器的RXD端口连接，所述总线收发器的端口CANH、CANL分别经电阻与CAN总线相连，所述端口CANH、CANL还分别经电容与地GND连接，所述总线收发器的端口RS经120欧姆电阻与地GND电连接。
3.如权利要求1或2所述的基于CAN总线的轨道衡计量系统，其中，所述CAN总线控制器的RC3端口被设置成用于控制计量系统的开关，所述CAN总线控制器的端口INT0被设置成接收计量系统的故障信号。
一种基于CAN总线的轨道衡计量系统
技术领域
[0001] 本发明涉及称重技术领域，特别是涉及一种基于CAN总线的轨道衡计量系统。
背景技术
[0002] 轨道衡是安装在铁路上对列车装载货物重量进行计量的设备。轨道衡通常由承重台、传感器、称重显示器及数字打印机等辅助设备组成，能够自动显示称重数值，具有远传信息、连续计量等特点。由于这些特点，目前轨道衡技术已经广泛被应用于工厂、矿山、冶金、外贸和铁路部门对货车散装货物的称重。
[0003] 目前，常见的轨道衡采用的传感器为模拟信号传感器，一般情况下每一个传感器都有一根信号线走几十米穿线管接入总控制器，需要更换传感器时比较困难，而且模拟信号易受干扰，不便于长距离传输。采用串行接口传输的数字信号轨道衡存在采样速率较慢的问题。
[0004] 控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）是由德国BOSCH公司于1986年开发出的面向汽车且最终ISO国际标准化的串行通信协议。，其目前已经成为了国际上应用最为广泛的现场总线之一。
[0005] CAN是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。与目前许多RS-485基于R线构建的分布式控制系统而言，基于CAN总线的分布式控制系统具有以下方面的明显优越性：（1）网络各节点之间的数据通信实时性强；（2）具有完善的通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现，从而大大降低系统开发难度，能够有效缩短开发周期；（3）通信速率高、容易实现且性价比高。由于CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性等良好性能及独特设计，CAN总线越来越受到人们的重视。
[0006] 除了最初在汽车领域上的应用，CAN总线目前已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器及建筑、环境控制等众多部门。控制器局部网在国内越获得了较为普及的推广。在轨道衡领域，现有技术中也出现了一些有关CAN总线的应用。例如，在201020532762.3号中国实用新型专利中就提出了一种基于CAN总线的动态轨道衡称重仪器；徐顺清也提出了一种基于CAN总线的轨道衡计量系统。这些方案的提出，解决了长期以来轨道衡施工时需要穿很多根几十米线缆的问题，拆换、维修传感器也更加方便。
[0007] 然而，现有技术中的CAN总线的轨道衡计量系统存在系统整体设计不够完善，功能不全，现有功能电路结构设计不够优化，例如放大电路结构不够优化、共模抑制比不足、对传感器的适应能力不佳等问题。
发明内容
[0008] 为解决上述问题，本发明提供了一种新颖的基于CAN总线的轨道衡计量系统，其中通过对各功能电路的设计进行优化，提高了对传感器电路的适应性，改善了数据测量的准确性、系统的可操纵性及抗干扰性等。
[0009] 根据本发明的基于CAN总线的轨道衡计量系统，其主要包括传感器电路、信号放大电路、A/D转换电路、CAN总线接口电路、CAN总线及上位机。其中，所述传感器电路中采用电阻应变片式传感器。所述信号放大电路为包括两个运算放大器U1和U2的两级差分放大电路，外部直流电源经稳压和滤波处理后向所述信号放大电路供电。所述CAN总线接口电路包括CAN总线控制器、光学耦合器及CAN总线收发器，所述CAN总线控制器与CAN总线收发器之间通过光学耦合器进行通信，所述CAN总线控制器被设置成用于控制所述轨道衡计量系统的开关信号及故障报警信号。
[0010] 所述传感器电路包括应变全桥电路，以改善测量灵敏度。
[0011] 所述信号放大电路包括第一级放大电路和第二级放大电路。在第一级放大电路中，信号输入端IN+、IN-分别经电阻R1和R2接入运算放大器U1的引脚2和引脚3，构成差分输入，同时信号输入端IN+还电连接有电容C2，信号输入端IN-还连接电阻R3和电容C1的并联电路，电容C1、C2和电阻R3的另一端电连接在一起，通过并联电容C1和C2能够对输入信号进行滤波。运算放大器U1的引脚1经电阻R7与引脚8形成电连接。运算放大器U1的引脚4与地GND电连接。运算放大器U1的引脚5经电阻R5被接至地GND。运算放大器U1的引脚6经电阻R17、电阻R4与电容C3的并联电路、及电阻R1与运算放大器U1的引脚2电连接，构成电压反馈放大回路。运算放大器U1的引脚7经电阻R8与电源Vcc形成电连接。电源Vcc通过电容C4与电容C5和电阻R6的并联电路连接至地GND，为电源Vcc的输出信号提供稳压处理。差分输入的模拟信号经运算放大器U1放大后经引脚6输出第一级放大信号。第二级放大电路包括运算放大器U2，运算放大器U1的引脚6经电阻R11电连接至运算放大器U2的引脚3，将第一级放大信号引入第二级放大电路中。运算放大器U2的引脚2经电阻R10电连接至可变电阻R9的脚1，可变电阻R9的脚3与电源Vcc电连接，脚2与地GND形成电连接。运算放大器U2的引脚1经电阻R12与可变电阻R14的脚3电连接，运算放大器U2的引脚8电连接至可变电阻R14的脚1。运算放大器U2的引脚7经电阻R13与电源Vcc电连接。运算放大器U2的引脚4经电容C6电连接至地GND，同时又经电阻R16与电源-Vcc电连接。运算放大器U2的引脚5与第一级放大电路共同与地GND形成电连接。运算放大器U2的引脚6经电阻R15连接信号输出端OUT，同时经电容C7电连接电源-Vcc。输出端OUT经电容C8与地GND形成电连接。其中，运算放大器U2的引脚1与电阻R10形成分压电路，通过调节可变电阻R9的阻值，可以改变电阻R10的分压阻值，实现放大电压的调节功能。由于引脚2为正向输入端，由此可以通过该引脚2引入正向电压与引脚3的输入形成差分输入，然后可以通过调节该正向输入电压提供调零功能，消除由于电桥不平衡造成的输出对信号检测的影响。
[0012] 所述A/D转换电路采用24位∑-△型A/D转换器AD7734，其中，AD7734的引脚AIN1连接信号输入端IN；引脚MCLK IN和MCLK OUT分别连接晶振X的两端，同时晶振X的两端分别经电容Cad2和Cad3与地GND电连接；引脚REF IN(+)经电容Cad1与地GND电连接，同时连接可变电阻Rad1的脚3；引脚REF IN(-)与地GND电连接，同时电连接可变电阻Rad1的脚2，可变电阻Rad1的脚1与转换器的引脚AIN4电连接；引脚DVdd被连接至+5V直流电源，同时经电容Cad4与地GND电连接；引脚DGND与地GND电连接，同时经电容Cad5与引脚DVdd电连接；引脚AVdd连接+5V交流电源，同时经电容Cad6与地GND电连接；引脚AGND与地GND电连接，同时经电容Cad7与引脚AVdd电连接；引脚DOUT连接信号输出端OUT，输出经转换的数字信号。
[0013] 所述CAN总线控制器为PIC18F258 CAN总线控制器，所述总线收发器为MCP2551 CAN总线收发器；数字信号被发送至所述总线控制器的SDI端口，所述总线控制器的CANTX端口经所述光电耦合器与所述总线收发器的TXD端口连接，CANRX端口经光电耦合器与所述总线收发器的RXD端口连接，所述总线收发器的端口CANH、CANL分别经电阻与CAN总线相连，所述端口CANH、CANL还分别经电容与地GND连接，所述总线收发器的端口RS经120欧姆电阻与地GND电连接。
[0014] 在所述CAN总线控制器中，还可以将其RC3端口设置成用于控制计量系统的开关信号。进一步地，还可以将所述总线控制器的端口INT0设置成用于接收计量系统的故障信号。
附图说明
[0015] 图1示出了根据本发明的基于CAN总线的轨道衡计量系统的一般原理图；
[0016] 图2示出了根据本发明的基于CAN总线的轨道衡计量系统中信号放大电路的原理图；
[0017] 图3示出了根据本发明的基于CAN总线的轨道衡计量系统中A/D转换电路的原理图。
具体实施方式
[0018] 图1示出了基于CAN总线的轨道衡计量系统的一般构成。整个计量系统主要由传感器电路、信号放大电路、A/D转换电路、CAN总线接口电路、CAN总线及上位机构成。其中传感器电路中采用电阻应变片式传感器，包括传感器电路、信号放大电路、A/D转换电路的计量单元通过CAN总线接口电路接入CAN总线，进而与上位机进行通信，从而构成一个CAN现场总线网络系统，实现在线测量的目的，同时确保了数据传输的准确性、可靠性及传输速度。
[0019] 基于CAN总线的轨道衡计量系统的工作流程大致如下：称重物体（通常为载有待称货物的列车）到达称重台面时，位于台面下方的电阻应变片式传感器因受到压力作用而产生形变，进而转化成应变片的阻值大小发生变化，传感器电路输出相应的模拟信号发送给信号放大电路，放大电路将模拟信号进行放大，使其适于进行模数转换，然后将经放大的模拟信号输出到A/D转换器中，通过A/D转换电路转换为可通过CAN总线进行数据传输的数字信号，经A/D转换的数字信号经CAN总线接口电路被发送到CAN总线进行传输，最后CAN信号被转换成RS232信号送至上位机（例如PC）进行进一步的数据处理或显示。
[0020] 为了准确反映车皮的重量，采用桥式电路来取得电阻应变片式传感器的输出信号。应变式传感器输出的信号通常为差模信号且其原始输出信号较为微弱，其中往往含有较大的共模信号，而这种共模信号在信号强度上可能远远大于有效的差模信号。因此，在本发明的轨道衡计量系统中，设计了一种信号放大电路，其能够在精确放大信号的同时，提供高的增益及共模抑制比，并且保证具有较低的漂移和噪声，并且对传感器电路的适应能力提高。
[0021] 图2示出了根据本发明的信号放大电路的原理图。如图所示，该信号放大电路包括两个运算放大器U1和U2的两级信号放大电路。
[0022] 在包括运算放大器U1的第一级放大电路中，信号输入端IN+、IN-分别经电阻R1和R2接入运算放大器U1的引脚2和引脚3，构成差分输入。信号输入端IN+还电连接有电容C2，信号输入端IN-还连接电阻R3和电容C1的并联电路，电容C1、C2和电阻R3的另一端电连接在一起，其中电容C1和C2将能够对输入信号提供滤波作用。运算放大器U1的引脚1通过电阻R7与引脚8形成电连接。运算放大器U1的引脚4与地GND形成电连接。运算放大器U1的引脚5经电阻R5与地GND形成电连接。运算放大器U1的引脚6经电阻R17、电阻R4与电容C3的并联电路、及电阻R1与运算放大器U1的引脚1形成电连接，从而构成一个电压反馈放大回路。运算放大器U1的引脚7经电阻R8与电源Vcc形成电连接。
电源Vcc通过电容C4与电容C5和电阻R6的并联电路连接地GND，从而为电源输出信号提供稳压处理。差分输入的模拟信号经运算放大器U1放大后经引脚6输出第一级放大信号。
[0023] 第二级放大电路包括运算放大器U2，运算放大器U1的引脚6（输出端）经电阻R11与运算放大器U2的引脚3形成电连接，将第一级放大信号引入第二级放大电路中。运算放大器U2的引脚2经电阻R10电连接至可变电阻R9的脚1，可变电阻R9的脚3与电源Vcc电连接，脚2与地GND形成电连接。运算放大器U2的引脚1经电阻R12与可变电阻R14的脚3电连接，运算放大器U2的引脚8电连接至可变电阻R14的脚1。运算放大器U2的引脚7经电阻R13与电源Vcc电连接。运算放大器U2的引脚4经电容C6电连接至地GND，同时又经电阻R16与电源-Vcc电连接。运算放大器U2的引脚5与第一级放大电路共同与地GND形成电连接。运算放大器U2的引脚6经电阻R15连接信号输出端OUT，同时经电容C7电连接电源-Vcc。输出端OUT经电容C8与地GND形成电连接。引脚1与电阻R10形成分压电路，通过调节可变电阻R9的阻值，可以改变电阻R10的分压阻值，实现放大电压的调节功能。引脚2为正向输入端，通过正向电压的引入与引脚3形成差分输入，通过调节正向输入电压可以提供调零功能，对电桥不平衡造成的输出进行调节，消除这种不平衡输出对信号检测的影响。第二级放大电路可以实现增益可调、高的共模抑制比及高的输入电阻等特性，借助可调差分输入的设计，实现了电桥不平衡条件下对输入偏差的调节，从而能够为后续信号处理（例如模数转换）提供准确、稳定的输出信号。
[0024] 此外，可以采用外部直流电压供电，经稳压和滤波处理后提供给运算放大器U1和U2，从而提供稳定的工作电压和电流。
[0025] 本发明的轨道衡计量系统在模数转换电路中采用ANALOG公司的24位∑-△型A/D转换器AD7734。如图3所示，在该模数转换电路中，信号放大电路的输出信号经输入端IN进入AD7734的引脚AIN1。AD7734的引脚MCLK IN和MCLK OUT分别连接晶振X的两端，同时晶振X的两端分别经电容Cad2和Cad3与地GND电连接。AD7734的引脚REF IN(+)经电容Cad1与地GND电连接，同时连接可变电阻Rad1的脚3。AD7734的引脚REF IN(-)与地GND电连接，同时电连接可变电阻Rad1的脚2。AD7734的引脚AIN4电连接可变电阻Rad1的脚1。AD7734的引脚DVdd连接+5V直流电源，同时经电容Cad4与地GND电连接。AD7734的引脚DGND与地GND电连接，同时经电容Cad5与引脚DVdd电连接。AD7734的引脚AVdd连接+5V交流电源，同时经电容Cad6与地GND电连接。AD7734的引脚AGND与地GND电连接，同时经电容Cad7与引脚AVdd电连接。AD7734的引脚DOUT连接信号输出端OUT，输出经转换的数字信号。
[0026] 经A/D转换后得到的数字信号经CAN通信接口被发送到CAN总线上。本发明的CAN通信接口电路主要由Microchip公司生产的PIC18F258 CAN总线控制器、光电耦合器及MCP2551CAN总线收发器构成。模数转换电路的信号输出端与CAN总线控制器的SDI端口电连接。PIC18F258 CAN总线控制器的CANTX端口经光电耦合器与CAN总线收发器MCP2551的TXD端口连接，CANRX端口经光电耦合器与CAN总线收发器MCP2551的RXD端口连接，借助光电耦合器实现总线节点的电气隔离，从而避免发生短路故障。CAN总线收发器MCP2551的端口CANH、CANL分别经电阻与CAN总线相连，这些电阻将起到一定的限流作用以保护收发器免受过流冲击，同时CANH、CANL还可以分别经一电容与地GND连接，从而消除总线上高频成分的干扰。MCP2551的端口RS经120欧姆的电阻与地GND电连接。在本发明的CAN通信接口中，还可以通过PIC18F258 CAN总线控制器的RC3端口直接向计量系统提供开关信号，以及通过端口INT0接收计量系统的故障信号。
[0027] 在本发明的轨道衡计量系统中，由于采用了上述信号放大电路、模数转换电路及CAN总线通信接口设计，以及专门的电源电路设计，优化了现有技术的基于CAN总线的轨道衡计量系统结构，改善了称重数据的测量准确性，计量系统的可操纵性及抗干扰性，提供了系统出错报警功能，增强了信号处理电路对传感器的适应能力等等。
[0028] 上述实施例仅是以举例的方式说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，其仍然可以对前述实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分特征进行等同替换，而这些修改或者等同替换，并不使得相应技术方案的本质脱离本发明实施例的技术方案的范围。
