基于dsPIC30F6011A單片機(jī)的機(jī)車軸溫采集盒的設(shè)計(jì)

魏柏榮，李可為

(1.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，成都 610031;2.成都電子機(jī)械高等?？茖W(xué)校 通信工程系，成都 610031)

基于dsPIC30F6011A單片機(jī)的機(jī)車軸溫采集盒的設(shè)計(jì)

魏柏榮1，李可為2

(1.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，成都 610031;2.成都電子機(jī)械高等?？茖W(xué)校 通信工程系，成都 610031)

機(jī)車軸溫監(jiān)測系統(tǒng)是確保機(jī)車行車安全的重要設(shè)備，溫度采集盒是該系統(tǒng)的重要組成部分。針對傳統(tǒng)溫度采集盒在運(yùn)用中出現(xiàn)的問題，提出了采用dsPIC30F6011A單片機(jī)對其進(jìn)行改進(jìn)的解決方案，介紹了溫度采集盒的系統(tǒng)原理，并闡述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

軸溫監(jiān)測系統(tǒng);機(jī)車安全;監(jiān)測系統(tǒng);dsPIC30F6011A

機(jī)車作為重要的鐵路運(yùn)輸設(shè)備，其運(yùn)行狀況的好壞直接影響鐵路運(yùn)輸指標(biāo)。車軸是機(jī)車走行部上的重要部件，一旦發(fā)生故障，將直接危機(jī)行車安全。一般來說，車軸發(fā)生故障前會有急劇的溫升現(xiàn)象，因此軸溫可以看成是安全行車的一項(xiàng)重要指標(biāo)。研制性能可靠的軸溫監(jiān)測系統(tǒng)，對保障機(jī)車安全運(yùn)行具有重要意義。本文采用dsPIC30F6011A單片機(jī)，對傳統(tǒng)溫度采集盒在運(yùn)用中出現(xiàn)的問題提出了解決方案，并詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

1 傳統(tǒng)軸溫監(jiān)測系統(tǒng)

傳統(tǒng)軸溫監(jiān)測系統(tǒng)一般由顯示器、主機(jī)和溫度采集盒3個部分組成。溫度采集盒安裝在機(jī)車走行部上，負(fù)責(zé)采集軸溫?cái)?shù)據(jù)，并通過現(xiàn)場總線將數(shù)據(jù)傳送給主機(jī);主機(jī)布置在機(jī)車機(jī)械間，接收和處理采集盒送來的數(shù)據(jù)，并把處理結(jié)果送到顯示器;顯示器布置在兩端的司機(jī)室，接收并顯示主機(jī)送來的數(shù)據(jù)，向司機(jī)提供軸溫信息。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

傳統(tǒng)的溫度采集盒選用51單片機(jī)作為處理器，不僅自身處理速度慢，而且需要外部擴(kuò)展，增大了采集盒的體積，因此抗震性較差，無法滿足高速重載機(jī)車的運(yùn)用要求。

圖1 6軸機(jī)車軸溫監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

針對傳統(tǒng)軸溫監(jiān)測系統(tǒng)溫度采集盒的不足，筆者采用一款新型單片機(jī)，對采集盒進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，使之在滿足使用要求的情況下，減小體積，并考慮預(yù)留了以后的功能擴(kuò)展。

2 采集盒設(shè)計(jì)原理

溫度采集盒是連接傳感器和主機(jī)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其主要功能就是完成溫度數(shù)據(jù)的采集、存儲和傳輸。其原理框圖如圖2所示。

電源模塊將主機(jī)提供的15 V電源轉(zhuǎn)為5 V，為采集盒供電;單總線傳感器采集機(jī)車軸箱軸承、電機(jī)軸承和抱軸的溫度，并傳送給單片機(jī);采集盒主控芯片使用dsPIC30F6011A單片機(jī)，完成主機(jī)幀解析、單總線傳感器控制、溫度數(shù)據(jù)采集與存儲等功能;各架采集盒之間、采集盒與主機(jī)之間使用RS485總線連接，主機(jī)與采集盒之間為主從通信方式。

圖2 溫度采集盒原理框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 電源模塊

電源模塊采用摩托羅拉公司MC33063AD芯片，該芯片使用廣泛，成本低。在電路中使用大量的濾波電容，可有效去除雜波干擾，提高電源的品質(zhì)。

3.2 通信模塊

通信模塊采用ADM489AR芯片，從滿足通訊要求和減少布線的角度出發(fā)，RS485總線通信采用雙線半雙工通信。

3.3 溫度采集與數(shù)據(jù)處理模塊

測溫模塊采用DALLAS公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器DS18B20［1］。該傳感器測溫范圍為-55～125℃，最大線性偏差小于1℃，體積小，抗干擾能力強(qiáng)，“一線總線”數(shù)字傳輸方式，適用于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。

處理器采用微芯公司的dsPIC30F6011A單片機(jī)［2］。該單片機(jī)具有30 MIPS的工作速度，通用I/O口較多，自帶內(nèi)部看門狗，只需外接一個晶振電路即可工作，無需外部擴(kuò)展，抗震性和抗干擾性較強(qiáng)，正常工作溫度為-40～70℃，工作電壓波動可以在3.5～5.5 V之間。

DS18B20的數(shù)據(jù)總線直接與單片機(jī)的I/O相連，單片機(jī)可以同時對多個傳感器進(jìn)行操作，提高了測溫效率，也便于對單個傳感器進(jìn)行故障檢測。部分硬件電路如圖3所示。

圖3 DS18B20、晶振與單片機(jī)連接部分電路

4 軟件設(shè)計(jì)

在采集盒軟件設(shè)計(jì)中，RS485驅(qū)動和主程序設(shè)計(jì)是重點(diǎn)。

圖4 RS485收發(fā)控制狀態(tài)機(jī)

4.1 RS485驅(qū)動

為了使采集盒能夠滿足寬進(jìn)嚴(yán)出的通信要求，采用有限狀態(tài)機(jī)來控制RS485的收發(fā)，如圖4所示。

當(dāng)一個主幀接收完成時，可以進(jìn)入到允許發(fā)送狀態(tài);從機(jī)幀發(fā)送完畢時，立即轉(zhuǎn)到接收狀態(tài);如果發(fā)送從機(jī)幀的過程中，受各種原因的影響，到達(dá)最大允許響應(yīng)時間還沒發(fā)送完成，則停止發(fā)送從機(jī)幀，強(qiáng)制轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)。

4.2 主程序

主機(jī)每隔一定的時間發(fā)出主機(jī)幀輪詢每一個采集盒，采集盒解析主機(jī)幀并執(zhí)行主機(jī)幀命令。采集盒主程序圍繞主幀命令執(zhí)行相應(yīng)的操作，向主機(jī)提供溫度數(shù)據(jù)，其簡化流程見圖5。

初始化程序先對硬件進(jìn)行初始化，并進(jìn)行一次溫度采集和存儲。每個采集盒在使用前均由主機(jī)配置地址，未分配地址的采集盒地址統(tǒng)一為“0xFF”。采集盒接收主機(jī)幀，首先判斷主機(jī)幀的目標(biāo)地址是否為本機(jī)地址，如果是本機(jī)地址，就存儲并解析主機(jī)幀;如果不是本機(jī)地址，則丟棄該主機(jī)幀，繼續(xù)接收新的主機(jī)幀。

主機(jī)幀有多種命令，包括分配采集盒地址、對DS18B20的EEPROM進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫、讀取溫度等，處理主機(jī)幀的部分代碼如下:

圖5 主程序的簡化流程

采集盒在執(zhí)行完主機(jī)命令后，繼續(xù)接收主機(jī)幀。

5 系統(tǒng)測試

根據(jù)采集盒的功能特點(diǎn)，在25℃的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，將其固定在振動臺上，對其主要功能進(jìn)行了連續(xù)測試。用PC機(jī)模擬軸溫監(jiān)測系統(tǒng)主機(jī)給采集盒發(fā)主幀，采集盒根據(jù)主幀命令完成配置地址、采集和傳送溫度數(shù)據(jù)等操作。測試流程如圖6所示。

圖6 PC機(jī)模擬系統(tǒng)主機(jī)測試流程

通過多次測試統(tǒng)計(jì)，傳輸錯誤率為0.005﹪。將20 m長雙絞線的一端與采集盒的RS485接口相連，在雙絞線的另一端用示波器觀察采集盒的數(shù)據(jù)發(fā)送情況，數(shù)據(jù)波形良好，無畸變，滿足軸溫監(jiān)測系統(tǒng)對傳輸距離的要求，如圖7所示。

圖7 RS485波形

6 結(jié)語

針對傳統(tǒng)機(jī)車軸溫監(jiān)測系統(tǒng)溫度采集盒的不足，采用dsPIC30F6011A單片機(jī)對其進(jìn)行了小型化改進(jìn)，使新型采集盒具有體積小、便于安裝、工作可靠的特點(diǎn)。由于條件所限，僅在實(shí)驗(yàn)室中做了一般性的測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采集盒性能指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求，可以投入實(shí)際使用。

［1］美國DALLAS半導(dǎo)體公司.DS18B20數(shù)據(jù)手冊［Z］.2008.

［2］Microchip Technology Inc.dsPIC30F6011A_6012A_6013A_6014A中文數(shù)據(jù)手冊［Z］.2006.

［3］彭娜，黎英，林慶超，等.基于RS-485總線主從通信協(xié)議及其實(shí)現(xiàn)［J］.云南大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29(S2):259-262.

［4］張明峰.PIC單片機(jī)入門與實(shí)戰(zhàn)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

［5］王宇.PIC單片機(jī)入門與提高［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［6］彭樹生.PIC單片機(jī)實(shí)踐與系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

Design of Axle Temperature Gather-Box in Locomotive Based on dsPIC30F6011A Single-Chip Microcomputer

WEI Bairong1and LI Kewei2
(1.School of Electrical Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China;2.Department of Communication Engineering，Chengdu Electromechanical College，Chengdu 610031，China)

The axle temperature for locomotive safe running is an important in locomotive monitoring system in which axle temperature gather-box is a key unit.The conventional axle temperature monitoring systems are reviewed briefly.The focus is then concentrated on the design of the axle temperature gather-box based on dsPIC30F6011A，including hardware module，software module，and system testing.

Axle temperature gather-box;locomotive safe;monitoring system;dsPIC30F6011A

U268.3

A

1008-5440(2012)01-0028-04

2011-12-21

魏柏榮(1983-)，男(漢族)，遼寧錦州人，在讀碩士研究生，研究方向:運(yùn)載工具與智能控制。

李可為(1961-)，男(漢族)，吉林省吉林市人，副教授，碩士，研究方向:智能控制。