基于W77E532單片機的鎖定軌溫測試系統(tǒng)

趙 旭，連翠玲，張翠華

(河北省自動化研究所，河北石家莊 050081)

隨著無縫線路的大量輔設，鐵路有關部門對無縫線路養(yǎng)護維修及安全使用更加重視，而無縫線路的鎖定軌溫是安排養(yǎng)護維修的重要依據，實際鎖定軌溫的準確與否是保證無縫線路安全使用的重要因素。如果養(yǎng)護不當，鎖定軌溫會隨著外界環(huán)境溫度的變化升高或降低，造成線路脹軌或斷軌等現(xiàn)象，可能成為列車顛覆重大事故的安全隱患，威脅人民群眾的生命財產安全，并造成惡劣的社會影響。由此可見，測量當前線路的實際鎖定軌溫，并以此為依據養(yǎng)護線路至關重要［1-2］。

本系統(tǒng)以W77E532單片機為控制核心，測試時對所測鋼軌施加一定的外力，將鋼軌形變與應力狀態(tài)通過傳感器方式數(shù)值化，可快速、較準確地測量出線路的實際鎖定軌溫，為線路的養(yǎng)護提供行之有效的數(shù)據保障［3-4］。

1 鎖定軌溫及其測量方法

1.1 鎖定軌溫

無縫線路的實際鎖定軌溫是指長軌節(jié)應力狀態(tài)為零時，即無溫度應力狀態(tài)時的軌溫。實際鎖定軌溫反映出無縫線路在運營中的應力狀態(tài)，隨著應力狀態(tài)的變化，無溫度力狀態(tài)的軌溫也發(fā)生變化，因此，實際鎖定軌溫是個可變量［5-6］。

1.2 測量方法

本系統(tǒng)采用同心力變法測量線路的鎖定軌溫。具體方法是:首先利用線路養(yǎng)護工具和養(yǎng)護方法使部分鋼軌懸空，然后將施力機構與千分表分別固定在懸空鋼軌中心處的兩側，其中施力機構的施力中心與千分表測量觸頭在一條直線上，通過施力機構向鋼軌施加不同的壓力使得鋼軌產生彎曲變形，千分表可測量此變形的量值，經公式運算可得出線路的鎖定軌溫［7］。測量方法示意圖如圖1所示。

圖1 測量方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of measurement method

1.3 計算公式

有關部門主要采用觀測樁法或巴克豪森噪聲效應原理測量無縫線路的鎖定軌溫，其不僅費時、費力，而且還對鋼軌造成一定的損害。在此理論的基礎上，本研究將其原理性的部分做了改進，主要是利用對鋼軌的作用力和位移變化量與溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)擬合出經驗公式，經過大量實驗和在試驗線路實際測量，鎖定軌溫值與傳統(tǒng)方法測試出的相差無幾。鎖定軌溫計算公式如下:

式中:k為濕度系數(shù);m為溫度系數(shù);n為長度系數(shù);F為壓力值;l為懸空段鋼軌長度;d為位移值;T為當前鋼軌溫度［8］。

2 硬件設計

2.1 系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)采用51系列單片機W77E532為控制核心，W77E532是臺灣華邦公司生產的快速8051兼容微控制器。促使選擇其作為本系統(tǒng)控制核心的主要理由如下:

1)執(zhí)行速度快 W77E532的時鐘速度、存儲器訪問周期速度和指令執(zhí)行速度比標準8051整體速度要快2.5倍。

2)存儲空間大 編譯后，本系統(tǒng)的程序量為70 KB左右，市面上一般的C51芯片的EPROM最大僅為64 KB，只能外接存儲芯片，實現(xiàn)程序的存儲。而W77E532內含 128KB可區(qū)域尋址的 Flash EPROM，滿足了本系統(tǒng)的程序存儲空間要求。

3)可擴展性好 W77E532接口定義多樣化，可根據控制字靈活定義I/O口的不同功能，使用起來非常方便。

利用其提供的I/O口及接口電路組成系統(tǒng)，硬件原理如圖2所示。

圖2 硬件原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of hardware theory

SL811HS電路使用USB移動存儲設備接口芯片SL811HS為核心，實現(xiàn)了測試數(shù)據轉存至U盤的功能;DS1302電路使用時鐘芯片DS1302為核心，實現(xiàn)了日期與時間的記錄和讀取;8255電路組成行列鍵盤陣列，實現(xiàn)了外部數(shù)據、資料的輸入［9-10］。

本系統(tǒng)共有4路模擬量輸入，分別為壓力、溫度、濕度和電壓信號，由12位A/D轉換器ADS774進行A/D轉換。

對位移量的采集使用的是千分表，其輸出為數(shù)字信號，接口協(xié)議為RS232，通過RS232收發(fā)器，MAX232和單片機的TXD，RXD連接建立通信，即可有條件的讀出位移變化值。

系統(tǒng)采用存儲空間為32 KB的EPROM芯片28C256F作為內部存儲單元，可按照一定格式存儲測量數(shù)據，液晶顯示采用的是240×64點陣的液晶屏，可實現(xiàn)人機交互的功能。

系統(tǒng)的硬件設計實現(xiàn)了利用外部中斷讀寫功能、RS232通信功能、A/D采集功能和存儲顯示功能，具有較高的集成度［11-12］。

2.2 接口設計

W77E532是基于51單片機原理的擴展型單片機。本系統(tǒng)利用其數(shù)據總線P0口和P2口作為地址總線，采用3線－8線譯碼器74ls138作為各功能模塊的選通接口，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的協(xié)調運行。以下介紹系統(tǒng)的主要接口設計。

2.2.1 A/D采集接口設計

由于系統(tǒng)共有4路模擬量輸入，但是ADS774為單輸入A/D轉換芯片，所以需進行分時復用設計實現(xiàn)多路A/D信號的采集。系統(tǒng)采用8通道多路復用器ISL43741實現(xiàn)上述功能，通過軟硬件結合，進行4路模擬信號的采集和A/D轉換。同時，需對模擬輸入和數(shù)據接口進行光電隔離處理，以使數(shù)據轉換更加精確。本系統(tǒng)A/D采集接口設計如圖3所示。電壓信號等4路模擬量分別接到ISL43741的模擬量輸入端No1～No4上，哪一路信號輸出由ADD1～ADD3的狀態(tài)值控制。當ADD1～ADD3為000時，No1輸出，依此類推。ADS774的數(shù)據線DB0～DB11接至總線A0～A11，用于傳輸轉換過來的12位數(shù)據值，STATUS為觸發(fā) A/D轉換指令［13-14］。

2.2.2 按鍵響應接口設計

本系統(tǒng)共有20個按鍵，如果直接使用單片機的I/O口進行按鍵響應，勢必會造成I/O口不夠用，因此，系統(tǒng)使用并行I/O芯片8255進行按鍵響應接口設計。20個按鍵采用4行5列行列按鍵原理設計，9個I/O口即可實現(xiàn)功能。按鍵響應接口原理如圖4所示。8255的片選接至3－8譯碼器74ls138的輸出Y1端，PA0～PA3為行列按鍵的行，PB0－PB4為行列按鍵的列，組成4×5的按鍵行列。當對應按鍵按下時，可讀出相應按鍵值。

圖3 A/D采集接口設計圖Fig.3 Design picture of A/D acquisition interface

圖4 按鍵響應接口設計圖Fig.4 Design picture of key response interface

2.2.3 液晶顯示接口設計

系統(tǒng)使用240×64點陣液晶屏作為人機界面，其采用8位并行數(shù)據接口和單片機數(shù)據連通，利用多總線控制器與外圍模塊和CPU之間轉換數(shù)據，保證了信號處理的快速性和實時性，通過編程處理和設計，滿屏可顯示15×4行漢字。接口設計電路如圖5所示。24064液晶屏的片選接至3－8譯碼器74ls138的輸出Y2端，F(xiàn)S為液晶屏的字符點陣控制，當其為低電平時，為8×8點陣字符。

圖5 液晶顯示接口設計圖Fig.5 Design picture of LCD interface

3 軟件設計

系統(tǒng)的控制軟件由Keil C編制，軟件組成主要包括A/D轉換、鍵盤響應、液晶顯示、數(shù)據存儲讀取及分析計算等部分?，F(xiàn)場應用照片如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場應用照片F(xiàn)ig.6 Field application photo

3.1 A/D轉換程序

據前文所述，本系統(tǒng)共有4路模擬量輸入，需定義通道控制命令字，需要A/D轉換時，首先指定A/D通道，然后向A/D轉換器地址寫入任意數(shù)值即可啟動一次A/D轉換，A/D轉換部分程序如下。

3.2 鍵盤響應

本系統(tǒng)采用掃描方式處理按鍵響應。當對應按鍵按下時，行列按鍵對應的掃描線將相應按鍵特征值記錄下來，由單片機讀取該值，作出按鍵的判斷并執(zhí)行對應程序。

3.3 分析計算

分析計算程序基于鎖定軌溫計算公式。經研究人員大量試驗得知，濕度參數(shù)系數(shù)雖然變化不大，但是仍然不可忽略，在整體濕度范圍內不為線性表示，但是在某一段范圍內可大致認為是線性。具體如下定義:

code float damp［10］={0.958，0.976，0.983，0.989，0.996，1.003，1.009，1.018，1.029，1.036}。

使用時，根據當前濕度值讀取對應范圍，并得出系數(shù)參數(shù)。

其他參數(shù)由各傳感器信號提供，最終經公式得出當前點的鎖定軌溫，并存儲至系統(tǒng)內部存儲器。

3.4 數(shù)據存儲讀取

本系統(tǒng)有2種存儲方式，一種是系統(tǒng)內EPROM存儲，一種是外部USB設備存儲，系統(tǒng)內存儲實現(xiàn)的軟件編制采用按位寫入基地址+位地址的方式，外部USB存儲寫入為采用外部中斷給單片機指令，再由單片機讀取內部存儲記錄以并行寫入方式存儲至USB設備。

3.5 液晶顯示

本系統(tǒng)采用240×64點陣液晶屏，將漢字編碼存至代碼段，使用時讀取對應的編碼輸出到液晶屏顯示，并控制好行、列位置，每個漢字編碼不同，因此這段代碼較多，占用存儲空間較大［15-16］。

以上為軟件設計的介紹，軟件編譯后大小為70 KB左右，利用Keil C提供的程序分塊功能分為兩塊，分別寫入W77E532的APFlash0和APFlash1中，實現(xiàn)了系統(tǒng)方案確定的全部功能。

4 結語

本文介紹的無縫線路鎖定軌溫測試系統(tǒng)由于采用的是非破壞性檢測方法，在檢測速度上要高于傳統(tǒng)檢測方法，而且據有關部門檢定其檢測精度也符合要求。目前，該系統(tǒng)已在國內多家鐵路工務養(yǎng)護車間試用。另外，該系統(tǒng)體積較小，測試時攜帶方便，且工作穩(wěn)定，滿足了鐵路部門日常養(yǎng)護工作的需求。

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