基于數字傾角(角度)傳感器的線(xiàn)路道岔電子檢測尺設計

　　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。