C8051F320列車(chē)安全巡檢儀的設(shè)計(jì)
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，乘列車(chē)出行、旅游已成為人們主要的交通方式之一，為了保障列車(chē)安全運(yùn)行，定期或不定期地對(duì)列車(chē)進(jìn)行安全巡檢是一項(xiàng)極其重要的工作，列檢人員在列車(chē)到站時(shí)需要對(duì)列車(chē)安全巡檢。一般的巡查管理制度難以核實(shí)固定車(chē)次、站點(diǎn)和時(shí)間，因此難以實(shí)現(xiàn)合理規(guī)范化管理。針對(duì)這種需求，提出了基于超低功耗單片機(jī)C8051F320的列車(chē)安全巡檢儀，結(jié)合計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件管理程序，可使鐵路列車(chē)巡檢管理工作更規(guī)范更科學(xué)。
2 C8051F320單片機(jī)簡(jiǎn)介
C805lF320是完全集成在混合信號(hào)片上的系統(tǒng)型MCU。內(nèi)核采用高速、流水線結(jié)構(gòu)，指令集完全與標(biāo)準(zhǔn)805l兼容，70％的指令的執(zhí)行時(shí)間為l或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，只有4條指令的執(zhí)行時(shí)間大于4個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。片內(nèi)外設(shè)包括電源穩(wěn)壓器(5～3 V)；2個(gè)片內(nèi)電壓比較器：全速、非侵入式的在線系統(tǒng)調(diào)試接口；通用串行總線(USB)功能控制器(8個(gè)靈活的端點(diǎn)管道，集成收發(fā)器和l kB FIF0 RAM)；10位200 Ks／s的17通道單端／差分ADC(帶模擬多路器)；片內(nèi)電壓基準(zhǔn)和溫度傳感器；片內(nèi)電壓比較器；高精度可編程的12 MHz內(nèi)部振蕩器和4倍時(shí)鐘乘法器；硬件實(shí)現(xiàn)SMBus／I2C、增強(qiáng)型UART和增強(qiáng)型SPI串行接口；4個(gè)通用16位定時(shí)器；具有5個(gè)捕捉／比較模塊和看門(mén)狗定時(shí)器功能的可編程計(jì)數(shù)器／定時(shí)器陣列(PCA)；片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器和時(shí)鐘丟失檢測(cè)器。存儲(chǔ)器有16 KB可在系統(tǒng)編程的Flash存儲(chǔ)器和2 304字節(jié)片內(nèi)RAM(256字節(jié)內(nèi)部RAM+l KB外部RAM+l KB USB FIFO)。
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
3．1 系統(tǒng)方案說(shuō)明
為了判斷列檢人員是否到達(dá)指定的地點(diǎn)進(jìn)行安全巡檢，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用i—Button信息鈕作為外部信息載體，與PCF8563高精度時(shí)鐘器件相配合，實(shí)現(xiàn)巡檢地點(diǎn)(用惟一的注冊(cè)碼代替)和時(shí)間的準(zhǔn)確記錄，并利用SD35TR液晶顯示模塊顯示時(shí)間和注冊(cè)碼；巡檢人員可利用TN9紅外測(cè)溫模塊測(cè)量車(chē)軸溫度。為了便于巡檢人員夜間工作，本巡檢儀還具有高亮度的LED照明功能，并預(yù)留USB接口，方便與PC機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)，以備日后數(shù)據(jù)處理、查詢(xún)。根據(jù)巡檢儀的功能設(shè)計(jì)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖l所示，主要包括主電路、信息采集、溫度采集、液晶顯示和照明電路等模塊。
主電路模塊如圖2所示，該模塊以C805lF320單片機(jī)為核心，采用PCF8563為系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘，并且外擴(kuò)512 KB的E2PROM存儲(chǔ)器24LC512，用于存儲(chǔ)采集信息、溫度和時(shí)間；通過(guò)C805lF320的片內(nèi)USB控制器外接一個(gè)迷你型USB母座作為巡檢儀與PC機(jī)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)接口；兩個(gè)按鍵作為外部中斷輸入，分別啟動(dòng)信息采集和溫度采集；蜂鳴器作為提示和報(bào)警輸出。主電路還包括電池電壓檢測(cè)，用于監(jiān)測(cè)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(jiān)固的數(shù)據(jù)載體，內(nèi)部光刻ROM含有國(guó)際惟一的64位注冊(cè)碼，不銹鋼紐扣型外殼，可防塵、防潮、防震。通過(guò)l—Wire總線協(xié)議傳輸信號(hào)。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。如圖3所示，DSl990A信息鈕的紐扣外形分兩部分作為信號(hào)連接；中心為l—Wire總線的I／O連接．周?chē)鸀樾盘?hào)地連接。DS9092讀取探頭為杯狀外形，中心為1一Wire總線的I／0連接，周?chē)鸀樾盘?hào)地連接，實(shí)現(xiàn)與紐扣外形的充分接觸。DS9092背后引出兩條連線，其中一條為1一Wire總線的I／O連接到C805lF320單片機(jī)，另一條則為信號(hào)地。由于l—Wire總線為上拉傳輸，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(guò)一個(gè)低電平按鍵中斷進(jìn)行啟動(dòng)的，所以在單片機(jī)上再連接一按鍵，提供信息采集中斷信號(hào)。
3．3 TN9測(cè)溫模塊接口電路
TN9紅外測(cè)溫模塊采用紅外非接觸測(cè)溫，其測(cè)溫原理應(yīng)用斯特凡一玻耳茲曼定律和維恩位移定律。TN9模塊引出5條連接線，依次為：電源(V)、SPI數(shù)據(jù)(D)、SPI時(shí)鐘(C)、地(G)和測(cè)試引腳(A)。其中SPI數(shù)據(jù)(D)和SPI時(shí)鐘(C)用于傳輸溫度信息，分別連接C805lF320單片機(jī)的PO．4和P0．2引腳作為SPI總線的MOSI和SCK。測(cè)試引腳(A)是TN9測(cè)溫模塊的啟動(dòng)信號(hào)，低電平有效，故通過(guò)一只1kΩ電阻上拉至3．3 V，再通過(guò)按鍵接地，然后連接到C8051F320單片機(jī)的PO．5引腳作為溫度采集的中斷信號(hào)。按鍵按下后將測(cè)試引腳(A)置為低電平，啟動(dòng)TN9測(cè)溫，同時(shí)通知C8051F320準(zhǔn)備接收溫度數(shù)據(jù)。按鍵松開(kāi)，測(cè)試引腳被上拉為高電平并停止測(cè)溫。其電路如圖4所示。
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(qū)動(dòng)器。全顯示有4個(gè)數(shù)字位、1個(gè)冒號(hào)和1個(gè)小數(shù)點(diǎn)。亮度調(diào)節(jié)分為4級(jí)，并用4個(gè)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，依次為：LED背光源正極(Vcc)、電源正極(Vdd)、地(Vss)、串行數(shù)據(jù)輸入(DATA)、寫(xiě)信號(hào)(WR)、片選信號(hào)(CS)。其中三線串行接口串行數(shù)據(jù)輸入(DATA)、寫(xiě)信號(hào) (WR)和片選信號(hào)(CS)分別連接C805lF320單片機(jī)的P2．7、P2．6和P2．5引腳，直接采用單片機(jī)模擬總線控制SD35TR液晶顯示模塊。其電路如圖5所示。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4．1 系統(tǒng)主流程圖
本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)讀取數(shù)據(jù)(從DSl9—90A)、溫度測(cè)量(列車(chē)軸承溫度)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和顯示數(shù)據(jù)的功能。系統(tǒng)初始化后，先檢測(cè)電池電壓，然后檢測(cè)按鍵。若無(wú)按鍵按下或按鍵無(wú)效時(shí)則讀取并顯示一次時(shí)間；若有按鍵按下并且有效時(shí)，則執(zhí)行相應(yīng)的按鍵子程序，子程序執(zhí)行完后再讀取并顯示一次時(shí)間。此后程序進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待中斷喚醒，返回到電池電壓檢測(cè)進(jìn)行循環(huán)。中斷在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中只執(zhí)行喚醒功能。該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。
4．2 信息采集模塊
進(jìn)入信息鈕信息采集子程序時(shí)，首先關(guān)閉所有中斷，然后發(fā)送初始化脈沖。初始化成功后，單片機(jī)發(fā)送DSl990A的讀ROM命令。按位讀取其64位注冊(cè)號(hào)并進(jìn)行校驗(yàn)，通過(guò)后單片機(jī)將顯示“PASS”5秒，蜂鳴器短響一聲，表示信息鈕的注冊(cè)碼讀取成功。同時(shí)讀入采集時(shí)間并和采集到的信息一同存入E2PROM。整個(gè)過(guò)程中，如果初始化或校驗(yàn)失敗，程序?qū)@示“Err”5秒、蜂鳴器長(zhǎng)響一聲，表示信息鈕讀取失敗。信息鈕信息采集流程如圖7所示。
4．3 紅外測(cè)溫模塊
進(jìn)入測(cè)溫子程序后，關(guān)閉所有中斷，再使能C805lF320的SPI功能，讀入一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，然后禁止SPI功能復(fù)位計(jì)數(shù)器；判斷數(shù)據(jù)是否為0DH，若不是就返回到SPI使能進(jìn)行循環(huán)，若是則數(shù)據(jù)校驗(yàn)。校驗(yàn)通過(guò)后，計(jì)算實(shí)際溫度值并將數(shù)值顯示5秒、蜂嗚器短響一聲，表示溫度采集成功。同時(shí)讀入測(cè)溫時(shí)間將其和溫度數(shù)據(jù)一起存入EEpROM。程序中若校驗(yàn)沒(méi)有通過(guò)則顯示“Err”5秒、蜂鳴器長(zhǎng)響一聲，表示溫度采集失敗。其流程如圖8所示。
5 結(jié)語(yǔ)
列車(chē)安全巡檢儀是以C8051F320單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)了離線信息采集、軸溫檢測(cè)、照明等功能，有效監(jiān)督鐵路列車(chē)安全工作。該巡檢儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、體積小、低功耗和性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)證明，該巡檢儀工作穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、操作方便，從而說(shuō)明該巡檢儀軟硬件設(shè)計(jì)比較合理，具有廣闊的應(yīng)用前景。
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