基于嵌入式的地鐵雜散電流監測裝置的設計

1 地鐵雜散電流產(chǎn)生原理
地鐵牽引供電一般為直流供電，而當直流大電流沿地面敷設的軌道流動(dòng)時(shí)，直流電流除了在軌道中流動(dòng)外，還會(huì )從軌道泄漏到大地，在大地中的各種金屬物體上流動(dòng)，然后再回到電源系統。這部分泄漏出來(lái)的電流稱(chēng)為雜散電流，在地鐵工程中又稱(chēng)為迷流，如圖0所示。由于雜散電流對埋入地下金屬產(chǎn)生腐蝕作用，就可能使得某些地方的地下金屬在自然腐蝕的同時(shí)又受到嚴重的雜散電流電腐蝕作用，導致地鐵電化腐蝕速度加快。有關(guān)地鐵雜散電流的原因、危害、防治可以參考《地鐵雜散電流腐蝕防護技術(shù)規程 CJJ49-92》。

2 實(shí)驗室模擬裝置的設計
由于地下鐵道的特殊環(huán)境, 理論上和實(shí)際中都難以在現場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗, 因此這類(lèi)課題的研究和實(shí)驗, 多數情況下往往要在實(shí)驗室里進(jìn)行,圖1是自行設計的一個(gè)實(shí)驗室模擬地下鐵道雜散電流的產(chǎn)生和對地下金屬腐蝕作用的實(shí)驗裝置。

3 數據采集系統的設計
3.1 系統概述
本系統由硬件和軟件兩部分組成。硬件以SST89C51 和8位ADC 芯片AD0809 為核心,具有鍵盤(pán)控制和液晶顯示功能，該系統還具有實(shí)時(shí)時(shí)間顯示和看門(mén)狗功能,可以通過(guò)RS232接口與外部(微機) 通信。系統的軟件以實(shí)時(shí)嵌入式操作系統ucos2 為基礎,采用多任務(wù)機制,通過(guò)任務(wù)調度和任務(wù)監視,系統具有較好的實(shí)時(shí)性和安全性。ucosII 是源碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統,采用優(yōu)先級調度算法完成任務(wù)間的調度,并支持搶占式調度。ucosII 具有可裁減的體系結構,并具有內存管理、中斷管理和任務(wù)控制塊( TCB) 擴展的功能。ucosII 還提供很多系統服務(wù),例如郵箱、消息隊列、信號量等等。還具有可移植性好，結構簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
3.2 系統的硬件設計
系統的硬件組成框圖如圖2 所示。各電阻電壓信號經(jīng)過(guò)隔離放大，然后通過(guò)線(xiàn)性光耦的隔離后，分別傳送到多路采集A/D轉換芯片0809的輸入端進(jìn)行數據采集。經(jīng)A/ D轉換后的數字量被單片機讀入,經(jīng)處理后可，在液晶上顯示出具體數據。同時(shí)也可以由通信接口讀入微機進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析。液晶有系統提示和實(shí)時(shí)時(shí)間顯示,可以通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行選擇和控制。
A/ D 轉換可采用價(jià)格低廉又通用的8位逐次逼近式ADC ,適合數據采集,轉換時(shí)間可達100 us 。系統外部擴展32 kROM 和RAM ,供緩存數據和存貯程序。液晶采用日立公司系列產(chǎn)品中的D44780 ,可以顯示16字×2行的字符模組。時(shí)間芯片采用的是M48T86 ,具有實(shí)時(shí)時(shí)間和日歷顯示功能。整個(gè)系統采用全地址譯碼法,外部設備和存儲器統一編址。CPU 訪(fǎng)問(wèn)外部存貯器的一切指令均可用于對I/O 端口的訪(fǎng)問(wèn), 大大增強了CPU 對外設端口信息的處理能力。

3.3 系統的軟件設計
3.3.1 傳統的程序流程
一個(gè)典型的單片機數據采集系統的程序通常包括輸入/ 輸出控制、數據處理和顯示、鍵盤(pán)管理等模塊。程序采用循環(huán)方式,流程如圖3所示。