基于I2C總線(xiàn)的電氣化鐵路導線(xiàn)磨耗儀的設計與應用

摘    要：本文簡(jiǎn)要介紹了基于內部集成電路總線(xiàn)I2C的電氣化鐵路導線(xiàn)磨耗儀的設計與應用。在開(kāi)發(fā)電氣鐵路導線(xiàn)磨耗遙測儀的過(guò)程中，通過(guò)使用I2C電路和單片機AT89C52的I/O口，可以控制DS1307、AT24C256和IC卡。這種設計方法縮短了開(kāi)發(fā)周期，提高了系統的整體穩定性。
關(guān)鍵詞：導線(xiàn)磨耗；I2C電路；AT89C52；電氣化鐵路

引言
接觸網(wǎng)斷線(xiàn)問(wèn)題一直是困擾電氣化鐵路牽引供電設備安全的主要問(wèn)題；同時(shí)，這也是接觸網(wǎng)系統各檢測項目中的難點(diǎn)。導線(xiàn)磨耗遙測儀的研究就是針對此問(wèn)題，利用CCD(電荷耦合器件)作為傳感器，利用微控制器進(jìn)行控制與數據傳輸，配合PC機構成的一套智能檢測系統。
本文設計的電氣鐵路導線(xiàn)磨耗遙測儀，采用測量導線(xiàn)磨耗殘存高度的方法，比較好的解決了接觸網(wǎng)帶電測量的問(wèn)題。

導線(xiàn)磨耗儀系統結構與原理
導線(xiàn)磨耗目前比較典型的測量方法主要有以下三種：測量接觸導線(xiàn)的磨耗滑面寬度；測量導線(xiàn)截面積；測量接觸導線(xiàn)的殘存高度。
通過(guò)分析對比，我們選擇了測量導線(xiàn)磨耗殘高的方法。這種方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)由于接觸線(xiàn)磨耗面有波狀磨耗、局部磨耗，表面狀態(tài)各異。采用反射法測殘面高度，不可避免的存在反射光不均勻，凹陷處反射特性很差，因此必然造成目標邊緣模糊。而且反射法的檢測精度受接觸線(xiàn)高度影響較大，高懸掛點(diǎn)處磨耗檢測值精度隨距離增大而降低，對偏磨更是無(wú)能為力。而本文法則能很好解決這一問(wèn)題。
(2)精度高：采用本方法，測量精度可小于0.05mm。
(3)檢測直觀(guān)：我國限于檢測手段，只能用卡尺測量殘高。所以這種方法檢測直觀(guān)方便、不必進(jìn)行換算。
便攜式導線(xiàn)磨耗帶電遙測儀分為檢測裝置、地面接收機和上位機三部分。檢測裝置由光學(xué)照明系統、光學(xué)成像系統、CCD陣列及驅動(dòng)電路、光電信息處理電路、穩功率電源、調制發(fā)射電路等組成。其結構框圖見(jiàn)圖1。
測量時(shí)，光學(xué)照明系統產(chǎn)生一束均勻的平行光，從接觸線(xiàn)側面平行射入，線(xiàn)高經(jīng)光學(xué)成像系統映射在CCD線(xiàn)陣靶面上，并在線(xiàn)陣響應的像元中獲得一定寬度的脈沖信號。該信號經(jīng)光電信息處理后變成二進(jìn)制信號，經(jīng)調制后發(fā)射出去。
地面接收裝置由紅外接收電路、解調電路、單片機、串行口等組成。結構框圖見(jiàn)圖2。
地面接收裝置將接收到的特征信號解調后，經(jīng)單片機系統計算出導線(xiàn)殘留高度及磨耗百分比，顯示在LCD上，也可通過(guò)串行口上傳到PC機中。上位機是安裝有Windows 9x/2000操作系統的PC機，本設計使用微軟公司的Visual C++ 6.0編寫(xiě)數據接收、處理、存儲和顯示的程序，界面友好，簡(jiǎn)潔易用。

I2C總線(xiàn)及其硬件設計
I2C總線(xiàn)原理
I2C總線(xiàn)通過(guò)一根數據線(xiàn)SDA和一根時(shí)鐘線(xiàn)SCL實(shí)現全雙工的同步數據通信。同一總線(xiàn)上可以連接多個(gè)帶有I2C接口的器件，每個(gè)器件都有一個(gè)唯一的地址，既可以是單接收的器件，也可以是能夠接收發(fā)送的器件。發(fā)送器或接收器可以在主模式或從模式下操作，這取決于芯片是否必須啟動(dòng)數據的傳輸還是僅僅被尋址。I2C還是一個(gè)多主總線(xiàn)，即它可以由多個(gè)連接的器件控制。圖3顯示了I2C總線(xiàn)上的數據穩定規則，圖4是I2C總線(xiàn)的起始位和停止位。
每次數據傳輸都是以一個(gè)起始位開(kāi)始，而以停止位結束。傳輸的字節數由主機決定，沒(méi)有限制。最高有效位MSB將首先被傳輸，接收方收到第8位數據后會(huì )發(fā)出應答位。數據傳輸通常分為兩種：主機發(fā)送從機接收和從機發(fā)送主機接收。這兩種模式都需要主機發(fā)送起始位和停止位。應答位由接收方產(chǎn)生。從機地址一般是1或2個(gè)字節，用于區分連接在同一I2C上的不同器件。
I2C相關(guān)硬件設計
本導線(xiàn)磨耗儀系統中有三個(gè)部分帶有I2C接口，分別是實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1307、串行EEPROM AT24C256和IC卡AT24C16。
DS1307內部具有地址指針，每次讀寫(xiě)操作之后會(huì )自動(dòng)加1，到達存儲器的末尾(3FH)會(huì )翻轉為0。時(shí)間信息的地址是00H~06H，因此讀取之前應先向3FH中寫(xiě)入一個(gè)字節的數據，以便將地址指針復位到00H。
AT24C256是帶I2C電路的串行EEPROM，對AT24C256寫(xiě)操作可分為字節模式和頁(yè)模式。如果采用字節模式，主機在發(fā)送從機地址(1字節)和字地址(2字節)之后，再送出1字節的數據，而后EEPROM返回應答位，主機以停止位結束操作。然后AT24C256進(jìn)入自定時(shí)的寫(xiě)周期，將收到的數據寫(xiě)入非揮發(fā)性的存儲器，此時(shí)對于任何的輸入都不會(huì )作出響應。而頁(yè)模式的初始化過(guò)程與字節模式相同，在收到第1個(gè)數據字節的應答位之后，主機并不產(chǎn)生停止位，而是繼續發(fā)送數據，每頁(yè)最多包括64個(gè)字節。每收到1個(gè)字節的數據，EEPROM都會(huì )返回應答位，直到主機產(chǎn)生停止位結束操作。AT24C256讀操作的初始化過(guò)程與寫(xiě)操作基本相同，只是從機地址的最低位設置略有差別。
IC卡AT24C256具有2K字節的EEPROM。由于帶電插拔可能會(huì )對IC卡造成損傷，因此需要在硬件和軟件兩方面對它的電源進(jìn)行控制。如果有卡插入，卡座內部的按鍵被按下，通知主機可以進(jìn)行檢測。主機應首先檢查插入的卡片是否會(huì )將電源Vcc與地GND短路，若沒(méi)有問(wèn)題可以打開(kāi)IC卡的電源，否則提示插入的是廢卡。如果插入的卡片是已經(jīng)擊穿的壞卡或者金屬片，不經(jīng)檢測就打開(kāi)電源會(huì )造成供電回路的短路，嚴重時(shí)甚至導致整個(gè)系統損壞。單片機的I/O口通過(guò)一個(gè)小功率三極管控制IC卡的電源開(kāi)關(guān)，每次插卡并檢測后接入5V電源，讀寫(xiě)完畢后應及時(shí)切斷，以便IC卡的拔出。

軟件設計
導線(xiàn)磨耗遙測系統的軟件主要分由主控制程序、接口程序、輔助程序、上位機軟件等幾部分組成。
(1)導線(xiàn)磨耗系統的主控制程序控制整個(gè)系統的流程，主要完成程序的初始化、中斷方式的設置、計數器的工作方式的設置及相關(guān)子程序的調用。主控制程序除了管理資源、控制各模塊、處理數據外，還包括開(kāi)機界面的六個(gè)顯示子菜單：測量溫度、參數設置、查看記錄、上傳數據、時(shí)鐘和休眠。
在數據處理算法方面，則使用采樣取平均的方法。在對查表得到溫度值的基礎上，與室溫比較，并進(jìn)行距離、輻射率的補償。
(2)接口程序即各個(gè)接口的驅動(dòng)程序，包括存儲器、時(shí)鐘、液晶、鍵盤(pán)、串口、ADC、時(shí)鐘和定時(shí)器。每個(gè)接口程序都應分別進(jìn)行調試，按照協(xié)議編寫(xiě)，注意時(shí)序問(wèn)題。I2C電路可根據其接口時(shí)序進(jìn)行調試。由于AT89C52單片機資源有限，所以需要注意資源的管理。
(3)輔助程序主要是字模提取和寫(xiě)入，包括圖像圖標和文字的字模提取與保存，圖象的旋轉、縮放、平移、反顯，顏色與大小的修改等。
(4)上位機軟件可以用VC或VB編寫(xiě)，由串行端口控件MSComm來(lái)為應用程序提供串行通信，打開(kāi)串口、讀取數據、存儲和顯示。上位機軟件還可以統計數據、連接數據庫和遠程管理。數據庫可以使檢測記錄格式統一，便于集中處理。遠程管理可以加快數據傳輸速度，節省時(shí)間，減少事故發(fā)生的機會(huì )。
另外，由于這套系統要長(cháng)期在野外工作，對穩定性要求較高。除了設置硬件看門(mén)狗外，還在編程時(shí)增加了許多軟件陷阱，使得程序必要時(shí)可以迅速復位。

結語(yǔ)
I2C總線(xiàn)電路結構簡(jiǎn)單，符合系統設計向小型化低功耗方向的發(fā)展趨勢。在軟件方面，由于使用平臺模式的VIIC軟件包，保證了在較短的時(shí)間內開(kāi)發(fā)出高穩定性的驅動(dòng)程序。
本導線(xiàn)磨耗帶電遙測儀基于I2C總線(xiàn)設計，可以快速準確的帶電遙測輸電導線(xiàn)殘高，并能夠自動(dòng)計算和存儲，還可保存環(huán)境溫度、電源電壓與時(shí)間信息。具有操作簡(jiǎn)單、界面友好、易擴充等優(yōu)點(diǎn)，對促進(jìn)電氣鐵路的管理科學(xué)化具有重要的應用和推廣價(jià)值?！?/p>

參考文獻
1 孫涵芳、徐愛(ài)卿著(zhù).MCS51/96系列單片機原理及應用(修訂版).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1996
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