C8051F320列車安全巡檢儀的設計
隨著科學技術的發(fā)展仙冕，乘列車出行妻坝、旅游已成為人們主要的交通方式之一箍伏，為了保障列車安全運行危葵，定期或不定期地對列車進行安全巡檢是一項極其重要的工作带漆，列檢人員在列車到站時需要對列車安全巡檢。一般的巡查管理制度難以核實固定車次蠢缚、站點和時間狐绽，因此難以實現(xiàn)合理規(guī)范化管理污祭。針對這種需求，提出了基于超低功耗單片機C8051F320的列車安全巡檢儀躺冕，結合計算機應用軟件管理程序慨蜒，可使鐵路列車巡檢管理工作更規(guī)范更科學。
2 C8051F320單片機簡介
C805lF320是完全集成在混合信號片上的系統(tǒng)型MCU畔怎。內核采用高速候塞、流水線結構，指令集完全與標準805l兼容果嗜，70％的指令的執(zhí)行時間為l或2個系統(tǒng)時鐘周期季键，只有4條指令的執(zhí)行時間大于4個系統(tǒng)時鐘周期。片內外設包括電源穩(wěn)壓器(5～3 V)补颗；2個片內電壓比較器：全速可都、非侵入式的在線系統(tǒng)調試接口；通用串行總線(USB)功能控制器(8個靈活的端點管道蚓耽，集成收發(fā)器和l kB FIF0 RAM)渠牲；10位200 Ks／s的17通道單端／差分ADC(帶模擬多路器)；片內電壓基準和溫度傳感器步悠；片內電壓比較器签杈；高精度可編程的12 MHz內部振蕩器和4倍時鐘乘法器；硬件實現(xiàn)SMBus／I2C鼎兽、增強型UART和增強型SPI串行接口答姥；4個通用16位定時器；具有5個捕捉／比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計數(shù)器／定時器陣列(PCA)谚咬；片內上電復位鹦付、VDD監(jiān)視器和時鐘丟失檢測器。存儲器有16 KB可在系統(tǒng)編程的Flash存儲器和2 304字節(jié)片內RAM(256字節(jié)內部RAM+l KB外部RAM+l KB USB FIFO)择卦。
3 系統(tǒng)設計方案
3．1 系統(tǒng)方案說明
為了判斷列檢人員是否到達指定的地點進行安全巡檢敲长，本系統(tǒng)設計利用i—Button信息鈕作為外部信息載體，與PCF8563高精度時鐘器件相配合秉继，實現(xiàn)巡檢地點(用惟一的注冊碼代替)和時間的準確記錄爬账，并利用SD35TR液晶顯示模塊顯示時間和注冊碼；巡檢人員可利用TN9紅外測溫模塊測量車軸溫度折司。為了便于巡檢人員夜間工作横罪，本巡檢儀還具有高亮度的LED照明功能，并預留USB接口负腻，方便與PC機數(shù)據(jù)轉儲嫡笔，以備日后數(shù)據(jù)處理、查詢淡窘。根據(jù)巡檢儀的功能設計了系統(tǒng)結構框圖辞仇，如圖l所示鹏汁，主要包括主電路、信息采集板拂、溫度采集磕艺、液晶顯示和照明電路等模塊。
主電路模塊如圖2所示嬉竞，該模塊以C805lF320單片機為核心光叉，采用PCF8563為系統(tǒng)提供實時時鐘，并且外擴512 KB的E2PROM存儲器24LC512挚躯，用于存儲采集信息强衡、溫度和時間；通過C805lF320的片內USB控制器外接一個迷你型USB母座作為巡檢儀與PC機的數(shù)據(jù)轉儲接口码荔；兩個按鍵作為外部中斷輸入漩勤，分別啟動信息采集和溫度采集；蜂鳴器作為提示和報警輸出缩搅。主電路還包括電池電壓檢測越败，用于監(jiān)測電池電量的飽和度。
3．2 i-Button信息鈕接口電路
i—Button信息鈕是一種堅固的數(shù)據(jù)載體硼瓣，內部光刻ROM含有國際惟一的64位注冊碼究飞，不銹鋼紐扣型外殼，可防塵堂鲤、防潮亿傅、防震。通過l—Wire總線協(xié)議傳輸信號筑累。本系統(tǒng)的i—Button信息鈕采集模塊主要包括DSl990A信息鈕和DS9092信息鈕讀取探頭兩部分袱蜡。如圖3所示，DSl990A信息鈕的紐扣外形分兩部分作為信號連接疗刮；中心為l—Wire總線的I／O連接．周圍為信號地連接。DS9092讀取探頭為杯狀外形蝌购，中心為1一Wire總線的I／0連接忿迷，周圍為信號地連接，實現(xiàn)與紐扣外形的充分接觸铅阎。DS9092背后引出兩條連線纫惰，其中一條為1一Wire總線的I／O連接到C805lF320單片機，另一條則為信號地歌饺。由于l—Wire總線為上拉傳輸瓢疤，故其I／O總線必須連接一上拉電阻至電源。由于信息采集是通過一個低電平按鍵中斷進行啟動的愤凭，所以在單片機上再連接一按鍵窥窜，提供信息采集中斷信號仪彪。
3．3 TN9測溫模塊接口電路
TN9紅外測溫模塊采用紅外非接觸測溫，其測溫原理應用斯特凡一玻耳茲曼定律和維恩位移定律划烫。TN9模塊引出5條連接線蒲坐，依次為：電源(V)、SPI數(shù)據(jù)(D)黄锤、SPI時鐘(C)搪缨、地(G)和測試引腳(A)。其中SPI數(shù)據(jù)(D)和SPI時鐘(C)用于傳輸溫度信息鸵熟，分別連接C805lF320單片機的PO．4和P0．2引腳作為SPI總線的MOSI和SCK副编。測試引腳(A)是TN9測溫模塊的啟動信號，低電平有效流强，故通過一只1kΩ電阻上拉至3．3 V齿桃，再通過按鍵接地，然后連接到C8051F320單片機的PO．5引腳作為溫度采集的中斷信號煮盼。按鍵按下后將測試引腳(A)置為低電平短纵，啟動TN9測溫，同時通知C8051F320準備接收溫度數(shù)據(jù)僵控。按鍵松開香到，測試引腳被上拉為高電平并停止測溫。其電路如圖4所示报破。
3．4 SD35TR液晶顯示模塊接口電路
SD35TR液晶顯示模塊采用HTl62l作為顯示驅動器悠就。全顯示有4個數(shù)字位、1個冒號和1個小數(shù)點烘梭。亮度調節(jié)分為4級阴应，并用4個發(fā)光二極管做為背光光源。液晶顯示模塊的接口共有6條引出線螺子，依次為：LED背光源正極(Vcc)姚沽、電源正極(Vdd)、地(Vss)偏笋、串行數(shù)據(jù)輸入(DATA)蟹助、寫信號(WR)、片選信號(CS)莱艺。其中三線串行接口串行數(shù)據(jù)輸入(DATA)捉痰、寫信號 (WR)和片選信號(CS)分別連接C805lF320單片機的P2．7、P2．6和P2．5引腳榄集，直接采用單片機模擬總線控制SD35TR液晶顯示模塊湖吭。其電路如圖5所示。
4 系統(tǒng)軟件設計
4．1 系統(tǒng)主流程圖
本系統(tǒng)軟件設計主要實現(xiàn)讀取數(shù)據(jù)(從DSl9—90A)苗率、溫度測量(列車軸承溫度)碉渡、存儲數(shù)據(jù)和顯示數(shù)據(jù)的功能聚谁。系統(tǒng)初始化后，先檢測電池電壓爆价，然后檢測按鍵垦巴。若無按鍵按下或按鍵無效時則讀取并顯示一次時間；若有按鍵按下并且有效時铭段，則執(zhí)行相應的按鍵子程序骤宣，子程序執(zhí)行完后再讀取并顯示一次時間。此后程序進入待機狀態(tài)序愚，等待中斷喚醒憔披，返回到電池電壓檢測進行循環(huán)。中斷在本系統(tǒng)設計中只執(zhí)行喚醒功能爸吮。該系統(tǒng)的軟件設計流程圖如圖6所示芬膝。
4．2 信息采集模塊
進入信息鈕信息采集子程序時，首先關閉所有中斷形娇，然后發(fā)送初始化脈沖锰霜。初始化成功后，單片機發(fā)送DSl990A的讀ROM命令桐早。按位讀取其64位注冊號并進行校驗谊某，通過后單片機將顯示“PASS”5秒，蜂鳴器短響一聲箕但，表示信息鈕的注冊碼讀取成功订岗。同時讀入采集時間并和采集到的信息一同存入E2PROM。整個過程中饰逝，如果初始化或校驗失敗囊骆，程序將顯示“Err”5秒、蜂鳴器長響一聲文浆，表示信息鈕讀取失敗筏匪。信息鈕信息采集流程如圖7所示。
4．3 紅外測溫模塊
進入測溫子程序后辽奥，關閉所有中斷籍囱，再使能C805lF320的SPI功能，讀入一個字節(jié)數(shù)據(jù)茶括，然后禁止SPI功能復位計數(shù)器；判斷數(shù)據(jù)是否為0DH佃戈，若不是就返回到SPI使能進行循環(huán)诅福，若是則數(shù)據(jù)校驗。校驗通過后拖叙，計算實際溫度值并將數(shù)值顯示5秒氓润、蜂嗚器短響一聲赂乐，表示溫度采集成功。同時讀入測溫時間將其和溫度數(shù)據(jù)一起存入EEpROM咖气。程序中若校驗沒有通過則顯示“Err”5秒挨措、蜂鳴器長響一聲，表示溫度采集失敗崩溪。其流程如圖8所示浅役。
5 結語
列車安全巡檢儀是以C8051F320單片機為核心，實現(xiàn)了離線信息采集伶唯、軸溫檢測觉既、照明等功能，有效監(jiān)督鐵路列車安全工作乳幸。該巡檢儀具有結構簡單瞪讼、成本低、體積小粹断、低功耗和性能可靠等優(yōu)點殖祈。實驗證明，該巡檢儀工作穩(wěn)定恼孩、抗干擾能力強粮戈、操作方便，從而說明該巡檢儀軟硬件設計比較合理惰渐，具有廣闊的應用前景闰幽。
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