基于數字傾角傳感器的線(xiàn)路電子檢測尺工作原理及硬

引言

線(xiàn)路道岔電子檢測尺是列車(chē)運行安全的重要保障，其主要用途是測量軌道的軌距、水平度，目的是為了預防因外界環(huán)境溫度的影響而使鋼軌狀態(tài)變形。此外，它也可消除人工機械式測量帶來(lái)的誤差大、工作效率低等不良因素，從而進(jìn)一步提高鐵路安全保障措施。

本文所設計的系統可以測量標準軌距為1435mm軌道的水平度、軌距，可實(shí)現自動(dòng)檢測、自動(dòng)存儲。通過(guò)RS232接口與計算機數據通信后，可用專(zhuān)用軟件查詢(xún)分析所有測量數據，并可打印報表。

系統工作原理及硬件設計

線(xiàn)路道岔電子檢測尺的功能包括兩項：軌距和水平度，該儀器的結構如圖1所示，由數字傾角(角度)傳感器、高精度位移測量傳感器、單片機及外圍電路、橫尺、直擋、測量滑塊、和液晶顯示器等部分構成。其中高精度位移測量傳感器和測量滑塊用于測量軌距。軌距由兩部分構成，一部分是橫尺上的標準長(cháng)度部分 s1(該部分為固定值)，另外一部分是以標準長(cháng)度末端A點(diǎn)為起點(diǎn)的測量長(cháng)度s2(該部分由高精度位移測量傳感器測量得到)，總的軌距s=s1+s2?？紤]到溫度的影響，單片機自帶溫度傳感器，用來(lái)補償溫度對測量數據的影響。橫尺上的數字傾角(角度)傳感器測量橫尺的水平度(角度)，通過(guò)角度和軌距可測量左右軌的高差。液晶顯示部分顯示軌距、左右軌高差和時(shí)間等信息，相關(guān)數據可以保存在儀器中，也可通過(guò)RS232接口與計算機通訊讀出來(lái)形成匯總，在計算機中保存、打印相關(guān)數據。

線(xiàn)路道岔電子檢測尺主要通過(guò)位移傳感器和數字傾角(角度)傳感器對鋼軌的軌距、水平度進(jìn)行測量。傳感器信號通過(guò)RS232接口和特殊功能計數器后進(jìn)入單片機，單片機計算出軌距后，再由傾角傳感器測量的傾角與軌距這兩組數據，根據正弦函數算出兩軌道相差高度。單片機把這兩組數據與設定的門(mén)限值進(jìn)行比較來(lái)判斷測量點(diǎn)是否合格。液晶屏顯示輸出數據結果，鍵盤(pán)可以設定門(mén)限值、所測點(diǎn)的位置，并具備刪除和保存數據等功能。系統設計框圖見(jiàn)圖2。

數字傾角(角度)傳感器

數字傾角(角度)傳感器利用重力對流體的作用引起膜電位變化的原理而制成，是新型的慣性傳感器，它具有體積小、高靈敏度、線(xiàn)性好、壽命長(cháng)、寬動(dòng)態(tài)范圍、高穩定性、超強抗沖擊性等特點(diǎn)。

數字傾角(角度)傳感器通過(guò)RS232與單片機接口。紅線(xiàn)為電源輸入，黑線(xiàn)為地(RS232地與電源地共用)，黃線(xiàn)為傳感器的RS232輸入，綠線(xiàn)為傳感器的RS232輸出。輸入電源電壓為7V-24V，推薦值9V。傳感器應豎直安裝，安裝面與垂直面的夾角不大于2°。安裝示意圖見(jiàn)圖3。

C8051F060單片機

為了減少外圍器件、提高系統穩定性，采用自帶溫度傳感器的C8051F060器件，它是完全集成的混合信號系統級MCU芯片，使用Cygnal的專(zhuān)利 CIP-51微控制器內核，CIP-51與MCS-51指令集完全兼容。C8051F060內部有1個(gè)SMBUS/I2C接口、2個(gè)具有增強型波特率配置的全雙工UART和1個(gè)增強型SPI接口，每種串行總線(xiàn)完全由硬件實(shí)現，都能向CIP-51產(chǎn)生中斷。C8051F060具有五個(gè)通用的16位定時(shí)器;具有6個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計數器/定時(shí)器數組;具有片內看門(mén)狗定時(shí)器、VDD監視器、時(shí)鐘振蕩器。C8051F060是真正能獨立工作的片上系統。所有模擬和數字外設均可由用戶(hù)固件使能/禁止和配置。FLASH存儲器還具有在系統重新編程能力，可用于非易失性數據存儲，并允許現場(chǎng)更新8051固件。

C8051F060有大量的數字資源需要通過(guò)4個(gè)低端I/O端口P0、P1、P2和P3才能使用。P0、P1、P2和P3中的每個(gè)引腳既可定義為通用的端口I/O(GPIO)引腳，又可以分配給一個(gè)數字外設或功能(例如：UART0 或INT1)。系統設計者控制數字功能的引腳分配，只受可用引腳數的限制。這種資源分配的靈活性是通過(guò)使用優(yōu)先權交叉開(kāi)關(guān)譯碼器實(shí)現的。不管引腳被分配給一個(gè)數字外設或是作為通用 I/O，總是可以通過(guò)讀相應的數據寄存器得到端口 I/O 引腳的狀態(tài)。

優(yōu)先權交叉開(kāi)關(guān)譯碼器按優(yōu)先權順序將端口0~3的引腳分配給器件上的數位外(UART、SMBus、PCA、定時(shí)器等)。端口引腳的分配順序從P0.0開(kāi)始，可以一直分配到P3.7。當交叉開(kāi)關(guān)配置寄存器 XBR0、XBR1、XBR2和XBR3中外設的對應使能位被設置為邏輯1時(shí)，交叉開(kāi)關(guān)將端口引腳分配給外設。端口0～3中所有未被交叉開(kāi)關(guān)分配的引腳都可以作為通用I/O(GPIO)引腳，通過(guò)讀或寫(xiě)相應的端口數據寄存器訪(fǎng)問(wèn)，這是一組既可以按位尋址也可以按字節尋址的SFR。被交叉開(kāi)關(guān)分配的那些端口引腳的輸出狀態(tài)，受使用這些引腳的數字外設的控制。向端口資料寄存器(或相應的端口位)寫(xiě)入時(shí)對這些引腳的狀態(tài)沒(méi)有影響。

C8051F060單片機的P0.0引腳被配置為UART0的TX0，P0.1引腳被配置為UART0的RX0，UART0用來(lái)與數字傾角(角度)傳感器進(jìn)行通訊。UART0是一個(gè)具有幀錯誤檢測和地址識別硬件的增強型串行口。UART0 可以工作在全雙工異步方式或半雙工同步方式，并支持多處理器通信。接收數據被暫存于一個(gè)保持寄存器中，這就允許UART0 在軟件尚未讀取前一個(gè)數據字節的情況下開(kāi)始接收第二個(gè)輸入數據字節。一個(gè)接收覆蓋位用于指示新的接收數據已被鎖存到接收緩沖器，而前一個(gè)接收數據尚未被讀取。對UART0的控制和訪(fǎng)問(wèn)是通過(guò)相關(guān)的特殊功能寄存器即串行控制寄存器(SCON0)和串行數據緩沖器(SBUF0)來(lái)實(shí)現的。用同一個(gè) SBUF0 地址可以訪(fǎng)問(wèn)發(fā)送寄存器和接收寄存器。讀SBUF0將自動(dòng)訪(fǎng)問(wèn)接收寄存器，而寫(xiě) SBUF0 自動(dòng)訪(fǎng)問(wèn)發(fā)送寄存器。UART0可以工作在查詢(xún)或中斷方式，它有兩個(gè)中斷源：一個(gè)發(fā)送中斷標志 TI0(SCON0.1，數據字節發(fā)送結束時(shí)置位)和一個(gè)接收中斷標志 RI0(SCON0.0，接收完一個(gè)數據字節后置位)。

C8051F060單片機的P0.2被配置為UART1的TX1， P0.3引腳被配置為UART1的RX1， UART1用來(lái)與上位PC機進(jìn)行通訊。對UART1的控制基本與UART0相同。

C8051F060單片機的P0.4被配置為外部中斷源(/INT0)的輸入腳，接收位移傳感器的零點(diǎn)復位信號，減少由于多次來(lái)回運動(dòng)造成的累積測量誤差。/INT0被配置為下降沿觸發(fā)輸入。

C8051F060單片機的P0.5被配置為定時(shí)器/計數器 3的計數輸入腳(T3)，接收位移傳感器的位移脈沖。P0.6被配置為定時(shí)器/計數器3計數方向控制腳(T3EX)，用來(lái)判斷位移傳感器的移動(dòng)方向。C/T3位被置1時(shí)，將定時(shí)器配置為計數器方式(即在 T3 輸入引腳上的負跳變使計數器/定時(shí)器的寄存器加1或減 1)。定時(shí)器配置寄存器中的減 1 使能位(DCEN3)被置1，定時(shí)器可以向上或向下計數。當 DCEN3=1時(shí)，定時(shí)器的計數方向受 T3EX引腳上的邏輯電平的控制。當 T3EX =1 時(shí)，計數器/定時(shí)器向上計數;當T3EX=0時(shí)，計數器/定時(shí)器向下計數。T3EX必須在數字交叉開(kāi)關(guān)中被使能并且被配置為數字輸入。

位移傳感器

采用DC20型光柵尺位移傳感器作為軌距測量工具。DC20型光柵尺采用雙層防護膠條密封，可保證最佳的密封性能。讀數頭滾動(dòng)系統采用450式五軸承滾動(dòng)系統，保證光學(xué)感應系統能長(cháng)期穩定地在光柵尺上順暢滑行以及它高等級的測量精度。

位移傳感器輸出信號波形見(jiàn)圖4。

調試電路

C8051F060的片內 JTAG 調試電路允許使用安裝在最終應用系統上的產(chǎn)品進(jìn)行非侵入式(不占用片內資)、全速、在系統調試。該調試系統支持觀(guān)察并修改存儲器和寄存器，支持斷點(diǎn)、觀(guān)察點(diǎn)、單步及行和停機命令。在使用 JTAG調試時(shí)，所有的模擬和數字外設都可全功能運行。JTAG接口使用MCU上的4個(gè)專(zhuān)用引腳(TMS、TCK、TDI、TDO)。

萬(wàn)年歷時(shí)鐘芯片電路

每次測量后記錄測量時(shí)間，以便在上位PC機形成報表。DS1302 是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計時(shí)，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5V～5.5V。DS1302內部有一個(gè)31×8的用于臨時(shí)性存放數據的RAM寄存器。采用三線(xiàn)接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節的時(shí)鐘信號或RAM數據。

DS1302與CPU的連接需要三條線(xiàn)，即SCLK(7)、I/O(6)、RST(5)。DS1302與CPU的連接如圖5所示。

EEPROM電路

測量的數據保存在EEPROM中。AT24C512是ATMEL公司推出的具有I2C總線(xiàn)容量達512Kbit(64K×8)的EEPROM，該芯片的主要特性如下：存儲容量為65536byte;與100kHz、400kHz、1MHz I2C總線(xiàn)兼容;100000次編程/擦寫(xiě)周期;單電源、讀寫(xiě)電壓為1.8V~5.5V;ESD保護電壓>4kV;數據可保存40年;寫(xiě)保護功能，當WP為高電平時(shí)，進(jìn)入寫(xiě)保護狀態(tài);CMOS低功耗技術(shù)，最大寫(xiě)入電流為3mA;128byte頁(yè)寫(xiě)入緩存器;自動(dòng)定時(shí)的寫(xiě)周期;具有8引腳DIP及20 引腳SOIC封裝等多種封裝形式。EEPROM電路見(jiàn)圖6。

RS232電平轉換電路

MAX232是單電源雙RS232發(fā)送/接受芯片，采用單一+5V電源供電，只需外接4個(gè)電容，便可構成標準的RS232通信接口。單片機和計算機、數字傾角(角度)傳感器接口電路如圖7所示。圖中的C3、C4、C5、C6是電荷泵升壓及電壓反轉部分電路，產(chǎn)生V+、V-電源供EIA電平轉換使用，C7 是VCC對地去藕電容，其值均為0.1μF。電容C3~C7安裝時(shí)必須盡量靠近MAX232芯片引腳，以提高抗干擾能力。

液晶顯示電路

JM19264A是具有192*64點(diǎn)陣的圖形點(diǎn)陣液晶模塊，它與單片機聯(lián)接構成功能強、結構簡(jiǎn)單、人機對話(huà)界面豐富的應用系統。本儀器中，單片機采用直接訪(fǎng)問(wèn)式接口電路與液晶顯示電路進(jìn)行控制。

液晶屏顯示內容及鍵盤(pán)布局

線(xiàn)路道岔電子檢測尺外部由JM19264A液晶顯示屏、RS232接口和4*4的鍵盤(pán)構成，右端是可旋轉移動(dòng)的軸，通過(guò)軸的移動(dòng)產(chǎn)生位移信號輸入單片機，單片機每隔0.5s刷新一次液晶顯示屏數據。H后的+號代表左端高，-號表示左端低。L后的+表示比標準值大，-表示比標準值小。液晶屏顯示及鍵盤(pán)布局見(jiàn)圖8。

線(xiàn)路道岔電子檢測尺的使用

在使用線(xiàn)路道岔電子檢測尺進(jìn)行測量時(shí)，線(xiàn)路道岔電子檢測尺的左端緊挨著(zhù)鋼軌的一側，另一端用螺旋器移動(dòng)中心軸使之接觸鋼軌另一側，按下鍵盤(pán)上的確認鍵后，該系統便會(huì )很精確地將需要的數據測量出來(lái)。測量完成后按下保存鍵便可保存該點(diǎn)的數據。通過(guò)RS232與PC機連接后可獲取所測量點(diǎn)的所有信息。

抗震動(dòng)、防沖擊的結構設計

由于線(xiàn)路道岔電子檢測尺輕巧便攜，因此也很容易產(chǎn)生碰撞、跌落。為了讓系統可靠地工作，應避免震動(dòng)、沖擊直接作用到傳感元件上，因此在設計結構上采取了金屬盒裝的結構。將控制裝置緊固安裝在金屬盒內，僅留外部接口、液晶顯示屏和鍵盤(pán)在金屬盒外，避免內部元件直接受外部沖擊、碰撞，提高了器件抗沖擊能力。

系統的編程

采用Silicon Laboratories IDE集成編輯、編譯、仿真、下載軟件包，用C語(yǔ)言進(jìn)行軟件編寫(xiě)。系統通電后，首先要對單片機進(jìn)行初始化，包括單片機的I/O端口和交叉開(kāi)關(guān)、定時(shí)器的初始化、兩個(gè)串行通訊口的初始化，液晶顯示器的初試化等。整個(gè)程序由器件初始化程序、液晶顯示器的初試化程序、串行口中斷程序、外部中斷0處理程序、顯示程序、鍵盤(pán)掃描處理程序、軌距和水平計算程序程序、萬(wàn)年歷時(shí)鐘芯片DS1302讀寫(xiě)程序、EEPROM AT24C512讀寫(xiě)程序等組成。

部分源代碼程序如下：

位移測量傳感器過(guò)零信號中斷入口程序

void Init0_ISR() interrupt 0 // 外部中斷0，邊沿觸發(fā)

{

uchar distance_flag; //位移測量傳感器運動(dòng)方向標志保存字

SFRPAGE=0x01;

TMR3H=0; //過(guò)零點(diǎn),復位計數器為零.

TMR3L=0;

P05=1;

distance_flag=P0;

distance_flag=distance_flag0x20; //位移測量傳感器B信號腳

if(distance_flag==0)

{

distance_positive_flag=0;//位移測量傳感器運動(dòng)方向標志位為0表示負方向運動(dòng)

}

else

{

distance_positive_flag=1; //位移測量傳感器運動(dòng)方向標志位為1表示正方向運動(dòng)

}

}

向數字傾角(角度)傳感器發(fā)送命令子程序

void sendserial(unsigned char *senddata,unsigned char len2)

{

uchar i;

ES0=0; //禁止中斷 for(i=0;i

{

SFRPAGE=0x00;

SBUF0=*(senddata+i); //將數據送出

while(TI0==0); //發(fā)送標志位是否產(chǎn)生

TI0=0;

}

ES0=1; //允許中斷

}

結語(yǔ)

線(xiàn)路道岔電子檢測尺從方案的調研、論證和選取及電路的設計、軟件的控制等各個(gè)環(huán)節，都充分考慮外界環(huán)境的各種可能的情況，對鋼軌軌距、水平度實(shí)現了高精確數字化測量，可以起到提前排除因軌道變化引起的行車(chē)安全隱患。該裝置的準確性和高速測量提高了鐵路的安全性，并降低了員工的勞動(dòng)強度。