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基于I2C总线的电气化铁路导线磨耗仪的设计与应用

作者:■ 南开大学信息学院 廖日坤 李宁宇 林锐 葛颖时间:2005-04-28来源:eaw收藏

摘    要:本文简要介绍了基于内部集成电路总线I2C的仪的设计与应用。在开发电气铁路遥测仪的过程中,通过使用和单片机的I/O口,可以控制DS1307、AT24C256和IC卡。这种设计方法缩短了开发周期,提高了系统的整体稳定性。
关键词:

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/5415.htm

引言
接触网断线问题一直是困扰牵引供电设备安全的主要问题;同时,这也是接触网系统各检测项目中的难点。导线磨耗遥测仪的研究就是针对此问题,利用CCD(电荷耦合器件)作为传感器,利用微控制器进行控制与数据传输,配合PC机构成的一套智能检测系统。
本文设计的电气铁路导线磨耗遥测仪,采用测量导线磨耗残存高度的方法,比较好的解决了接触网带电测量的问题。

导线磨耗仪系统结构与原理
导线磨耗目前比较典型的测量方法主要有以下三种:测量接触导线的磨耗滑面宽度;测量导线截面积;测量接触导线的残存高度。
通过分析对比,我们选择了测量导线磨耗残高的方法。这种方法具有以下优点:
(1)由于接触线磨耗面有波状磨耗、局部磨耗,表面状态各异。采用反射法测残面高度,不可避免的存在反射光不均匀,凹陷处反射特性很差,因此必然造成目标边缘模糊。而且反射法的检测精度受接触线高度影响较大,高悬挂点处磨耗检测值精度随距离增大而降低,对偏磨更是无能为力。而本文法则能很好解决这一问题。
(2)精度高:采用本方法,测量精度可小于0.05mm。
(3)检测直观:我国限于检测手段,只能用卡尺测量残高。所以这种方法检测直观方便、不必进行换算。
便携式导线磨耗带电遥测仪分为检测装置、地面接收机和上位机三部分。检测装置由光学照明系统、光学成像系统、CCD阵列及驱动电路、光电信息处理电路、稳功率电源、调制发射电路等组成。其结构框图见图1。
测量时,光学照明系统产生一束均匀的平行光,从接触线侧面平行射入,线高经光学成像系统映射在CCD线阵靶面上,并在线阵响应的像元中获得一定宽度的脉冲信号。该信号经光电信息处理后变成二进制信号,经调制后发射出去。
地面接收装置由红外接收电路、解调电路、单片机、串行口等组成。结构框图见图2。
地面接收装置将接收到的特征信号解调后,经单片机系统计算出导线残留高度及磨耗百分比,显示在LCD上,也可通过串行口上传到PC机中。上位机是安装有Windows 9x/2000操作系统的PC机,本设计使用微软公司的Visual C++ 6.0编写数据接收、处理、存储和显示的程序,界面友好,简洁易用。

I2C总线及其硬件设计
I2C总线原理
I2C总线通过一根数据线SDA和一根时钟线SCL实现全双工的同步数据通信。同一总线上可以连接多个带有I2C接口的器件,每个器件都有一个唯一的地址,既可以是单接收的器件,也可以是能够接收发送的器件。发送器或接收器可以在主模式或从模式下操作,这取决于芯片是否必须启动数据的传输还是仅仅被寻址。I2C还是一个多主总线,即它可以由多个连接的器件控制。图3显示了I2C总线上的数据稳定规则,图4是I2C总线的起始位和停止位。
每次数据传输都是以一个起始位开始,而以停止位结束。传输的字节数由主机决定,没有限制。最高有效位MSB将首先被传输,接收方收到第8位数据后会发出应答位。数据传输通常分为两种:主机发送从机接收和从机发送主机接收。这两种模式都需要主机发送起始位和停止位。应答位由接收方产生。从机地址一般是1或2个字节,用于区分连接在同一I2C上的不同器件。
I2C相关硬件设计
本导线磨耗仪系统中有三个部分带有I2C接口,分别是实时时钟芯片DS1307、串行EEPROM AT24C256和IC卡AT24C16。
DS1307内部具有地址指针,每次读写操作之后会自动加1,到达存储器的末尾(3FH)会翻转为0。时间信息的地址是00H~06H,因此读取之前应先向3FH中写入一个字节的数据,以便将地址指针复位到00H。
AT24C256是带的串行EEPROM,对AT24C256写操作可分为字节模式和页模式。如果采用字节模式,主机在发送从机地址(1字节)和字地址(2字节)之后,再送出1字节的数据,而后EEPROM返回应答位,主机以停止位结束操作。然后AT24C256进入自定时的写周期,将收到的数据写入非挥发性的存储器,此时对于任何的输入都不会作出响应。而页模式的初始化过程与字节模式相同,在收到第1个数据字节的应答位之后,主机并不产生停止位,而是继续发送数据,每页最多包括64个字节。每收到1个字节的数据,EEPROM都会返回应答位,直到主机产生停止位结束操作。AT24C256读操作的初始化过程与写操作基本相同,只是从机地址的最低位设置略有差别。
IC卡AT24C256具有2K字节的EEPROM。由于带电插拔可能会对IC卡造成损伤,因此需要在硬件和软件两方面对它的电源进行控制。如果有卡插入,卡座内部的按键被按下,通知主机可以进行检测。主机应首先检查插入的卡片是否会将电源Vcc与地GND短路,若没有问题可以打开IC卡的电源,否则提示插入的是废卡。如果插入的卡片是已经击穿的坏卡或者金属片,不经检测就打开电源会造成供电回路的短路,严重时甚至导致整个系统损坏。单片机的I/O口通过一个小功率三极管控制IC卡的电源开关,每次插卡并检测后接入5V电源,读写完毕后应及时切断,以便IC卡的拔出。

软件设计
导线磨耗遥测系统的软件主要分由主控制程序、接口程序、辅助程序、上位机软件等几部分组成。
(1)导线磨耗系统的主控制程序控制整个系统的流程,主要完成程序的初始化、中断方式的设置、计数器的工作方式的设置及相关子程序的调用。主控制程序除了管理资源、控制各模块、处理数据外,还包括开机界面的六个显示子菜单:测量温度、参数设置、查看记录、上传数据、时钟和休眠。
在数据处理算法方面,则使用采样取平均的方法。在对查表得到温度值的基础上,与室温比较,并进行距离、辐射率的补偿。
(2)接口程序即各个接口的驱动程序,包括存储器、时钟、液晶、键盘、串口、ADC、时钟和定时器。每个接口程序都应分别进行调试,按照协议编写,注意时序问题。I2C电路可根据其接口时序进行调试。由于单片机资源有限,所以需要注意资源的管理。
(3)辅助程序主要是字模提取和写入,包括图像图标和文字的字模提取与保存,图象的旋转、缩放、平移、反显,颜色与大小的修改等。
(4)上位机软件可以用VC或VB编写,由串行端口控件MSComm来为应用程序提供串行通信,打开串口、读取数据、存储和显示。上位机软件还可以统计数据、连接数据库和远程管理。数据库可以使检测记录格式统一,便于集中处理。远程管理可以加快数据传输速度,节省时间,减少事故发生的机会。
另外,由于这套系统要长期在野外工作,对稳定性要求较高。除了设置硬件看门狗外,还在编程时增加了许多软件陷阱,使得程序必要时可以迅速复位。

结语
I2C总线电路结构简单,符合系统设计向小型化低功耗方向的发展趋势。在软件方面,由于使用平台模式的VIIC软件包,保证了在较短的时间内开发出高稳定性的驱动程序。
本导线磨耗带电遥测仪基于I2C总线设计,可以快速准确的带电遥测输电导线残高,并能够自动计算和存储,还可保存环境温度、电源电压与时间信息。具有操作简单、界面友好、易扩充等优点,对促进电气铁路的管理科学化具有重要的应用和推广价值。■

参考文献
1 孙涵芳、徐爱卿著.MCS51/96系列单片机原理及应用(修订版).北京:北京航空航天大学出版社,1996
2 周航慈著.单片机应用程序设计技术.北京:北京航空航天大学出版社,1991



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