無縫線路軌溫實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用
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1 系統(tǒng)框圖 本系統(tǒng)利用89C51單片機(jī)及其外圍電路完成對DS18B20單總線數(shù)字傳感器的控制和數(shù)據(jù)傳輸，利用以nRF401無線收發(fā)芯片為核心構(gòu)建的無線收發(fā)器完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，借助單片機(jī)和計(jì)算機(jī)之間的串行通信完成人機(jī)交互控制，并用VB語言開發(fā)了適應(yīng)于鐵路溫度測量系統(tǒng)的個(gè)性化交互辦是非界面。圖1所示是無線軌溫實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的原理圖，這種方式具有方便、快捷和靈活的優(yōu)點(diǎn)、同時(shí)克服了工程中布線的困難。 2 硬件實(shí)現(xiàn) 按照系統(tǒng)原理圖的設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)中需要用到的硬件芯片主要包括DS18B20單總線數(shù)字傳感器、nRF401無線收發(fā)芯片、MCS-51單片機(jī)、
MAX232等，這些芯片配以相應(yīng)的外圍電路，構(gòu)成系統(tǒng)的基本硬件結(jié)構(gòu)。下面對各硬件的特點(diǎn)及其在本系統(tǒng)中使用的相應(yīng)電路分別進(jìn)行介紹。 2.1 DS18B20單總線數(shù)字傳感器 DALLAS公司的DS18B20單總線數(shù)字傳感器工作溫度范圍是-55℃～125℃，在-30℃～85℃范圍內(nèi)溫度測量精度為%26;#177;5℃；具有溫度報(bào)警功能，用戶可設(shè)置最高和最低報(bào)警溫度，且設(shè)置值掉電不丟失；采用DALLAS公司特有的單總線通信協(xié)議，只用一條數(shù)據(jù)線就可實(shí)現(xiàn)與MCU的通信；此外，DS18B20能夠直接從數(shù)據(jù)線獲得電源，無需外部電池供電。 DS18B20與單片機(jī)的接口電路如圖2所示。DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端，GND為電源地，VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時(shí)接地）。 DS18B20主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的。相當(dāng)于給每個(gè)DS18B20分配了一個(gè)獨(dú)一無二的64比特地址序列碼，這就允許多個(gè)DS18B20工作同條一線總線上，從而大大簡化了分布式溫度傳感系統(tǒng)的應(yīng)用。溫度傳感器完成對溫度的測量，溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL以及配置寄存器的設(shè)置值均以一個(gè)字節(jié)的形式存儲(chǔ)在EEPROM中，使用一個(gè)存儲(chǔ)功能命令可對其寫入。 2.2 nRF401無線收發(fā)芯片 nRF401是NORDIC公司最新推出的單片無線收發(fā)一體化芯片中。該芯片采用藍(lán)牙核心技術(shù)設(shè)計(jì)。在一個(gè)20腳的芯片，包括高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制、FSK解調(diào)、多頻道切換等功能，是目前集成最高的無線數(shù)傳產(chǎn)品。圖3 它的功能特點(diǎn)如下： （1）工作頻率為國際通用的數(shù)傳頻率433MHz。 （2）FSK調(diào)制、直接數(shù)據(jù)輸入輸出、抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場合。 （3）采用DSS+PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性極好。 （4）靈敏主度高達(dá)-105dBm。 （5）功耗小，接收待機(jī)狀態(tài)時(shí)僅為8μA。 （6）最大發(fā)射功率達(dá)+10dBm。
（7）工作電壓為2.7V，可滿足低功耗設(shè)備的要求。 （8）具有多個(gè)頻道，可方便地切換工作頻率，滿足需要多信道工作的特殊場合的應(yīng)用。 （9）工作速率最高可達(dá)20kbit/s。 （10）僅外妝一晶體和幾個(gè)電阻、電容、電感元件，基本無需調(diào)試。 （11）低發(fā)射功率、高接收靈敏度，開闊地的使用距離最遠(yuǎn)可達(dá)1000m。 圖3是nRF401在本系統(tǒng)中應(yīng)用的電路原理圖，可直接應(yīng)用232串口異步傳輸。從圖中可以看到，外圍元件很少，包括一個(gè)基準(zhǔn)晶體及幾個(gè)無源器件，沒有調(diào)試部件，這給研制及生產(chǎn)帶來了極大的方便。圖中L1電感需要采用高Q高精度的巾片繞線高頻電感（Q>45），晶體X1城需要采用高穩(wěn)定度晶體，電容元件應(yīng)選用高穩(wěn)定貼片元件（如NPO高穩(wěn)定電容）以確保性能穩(wěn)定可靠。 2.3 MCS-51單片機(jī) 單片機(jī)是在一塊硅片上集成了各種部件的微型計(jì)算機(jī)，這些部件包括中央處理器CPU、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM、程序存儲(chǔ)器ROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和多種I/O接口電路。MCS-51是一種使用最廣泛的單片機(jī)，本系統(tǒng)中用它對溫度傳感器進(jìn)行控制和與計(jì)算機(jī)進(jìn)行串口數(shù)據(jù)通信。 2.4 串口通信 EIA-RS-232C對電器特性、邏輯電平和各種信號線功能都作了規(guī)定，在TxD和RxD上：邏輯1（MARK）取值范圍為-3V--15V；邏輯0（SPACE）取范圍為+3V--+15V。在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上：信號有效（接通、ON狀態(tài)、正電壓）取值范圍為3V--+15V；信號無效（斷開、OFF狀態(tài)、負(fù)電壓）取值范圍為為-3V---15V。EIA-RS-232C是用正負(fù)電壓表示邏輯狀態(tài)的，與TTL器件以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此，為了能夠同計(jì)算機(jī)接口或終端的TTL器件連接，必須在EIA-RS-232C與TTL電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的轉(zhuǎn)換。MAX232芯片可完成TTL與EIA的雙向電平轉(zhuǎn)換。在通信速率低于20kb/s時(shí)，RS-232C所能直接連接的最大物理距離為15m。 3 軟件實(shí)現(xiàn) 3.1 單片控制程序 這里使用單片機(jī)的C語言編寫單片機(jī)控制程序。
和匯編語言相比，單片機(jī)的C語言具有可讀性高、易移植等優(yōu)點(diǎn)。該控制程序主要對溫度傳感器進(jìn)行控制，并收集溫度傳感器測得的軌溫?cái)?shù)據(jù)。對每個(gè)溫度器的控制流程如圖4所示。根據(jù)系統(tǒng)的需求，還可以用單總線方式對多個(gè)溫度傳感器進(jìn)行控制，從而完成多點(diǎn)測量任務(wù)。控制流程如圖5所示。 3.2 串口通信程序 串行接口有異步和同步兩種基本通信方式。異步通信采用異步傳磅格式。數(shù)據(jù)發(fā)送和接收均將起始位和停止位作為開始和結(jié)束的標(biāo)志。在該軌溫監(jiān)測系統(tǒng)中，系統(tǒng)通信速率為1200bit/s，幀格式為N.8.1。發(fā)送時(shí)，先發(fā)送一個(gè)起始位（低電平），接著按低位在先的順序發(fā)送8位數(shù)據(jù)，最后發(fā)送停止位。接收時(shí)，先判斷接收端品時(shí)否有起始低電平出現(xiàn)，如有則按低位在先的順序接收8位數(shù)；最后判斷接收端口是否有停止高電平出現(xiàn)，如有則完成了一個(gè)數(shù)據(jù)的接收，否則繼續(xù)等待。軟件編寫嚴(yán)格按照異步通信的時(shí)序進(jìn)行，每比特位傳送的時(shí)間間隔按通信速率為1200bit/s計(jì)算，為833μs。 3.3 監(jiān)控計(jì)算機(jī)用戶界面和數(shù)據(jù)庫部分 使用VB語言對系統(tǒng)用戶界面和數(shù)據(jù)庫部分編程，生成性能良好的人機(jī)界面，使得用戶能夠方便快捷地對系統(tǒng)進(jìn)行管理；同時(shí)對測昨的軌溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，從而達(dá)到研究鐵軌溫度應(yīng)力、及時(shí)改善軌道狀況的目的。系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)定為10分鐘測量一次軌溫，測得的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于專用的數(shù)據(jù)庫中。根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的這些溫度值，用戶可以通過軟件預(yù)設(shè)的功能生成相應(yīng)的曲線圖，從而清楚地觀測到當(dāng)天、當(dāng)月、當(dāng)年溫度的變化規(guī)律和統(tǒng)計(jì)峰值，進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)力分析和研究。
4 應(yīng)用 無縫線路由于在結(jié)構(gòu)上限制了鋼軌的伸縮，所以當(dāng)軌溫發(fā)生變化時(shí)就會(huì)產(chǎn)生巨大的縱向溫度力，這是在受力方面與與標(biāo)準(zhǔn)軌線路的最大區(qū)別。這一區(qū)別也使得跑道與斷軌的可能性增大。 根據(jù)無縫線路鋼軌溫度力計(jì)算公式： P=EfαΔt 其中：P——鋼軌溫度力， E——鋼軌彈性模量，為2.1%26;#215;105Mpa， F——鋼軌斷面積， α——鋼軌線膨脹系數(shù)，為11.8%26;#215;10-6/℃， Δt——相對于零應(yīng)力軌溫的軌溫變化幅度。 可得溫度應(yīng)力與軌溫變化的關(guān)系曲線，如圖6所示。 鋼軌內(nèi)的溫度力僅與軌溫變化幅度有關(guān)，然而即使在一天當(dāng)中，軌溫也是不停地變化著的。一般說來，鎖定軌溫（即通常理解的零應(yīng)力軌溫）是一個(gè)常量，如果準(zhǔn)確地掌握了實(shí)際鎖定軌溫，便可以知道任意軌溫時(shí)的軌溫變化幅度以及相應(yīng)的溫度力。
該無縫線路軌溫實(shí)時(shí)監(jiān)沒軌溫進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)全天候測量，并對測得的軌溫?cái)?shù)所進(jìn)行相應(yīng)的存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)處理，用戶界面生動(dòng)，操作簡單，可協(xié)助鐵道工作人員完成軌溫測量這一重要而又繁冗的工作。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，對在溫度應(yīng)力作用下的軌道狀況進(jìn)行巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)無縫線路出現(xiàn)的異常，按規(guī)定采取必要的應(yīng)中以解救，進(jìn)行無縫線路應(yīng)力放散作業(yè)，消除隱患。特別是應(yīng)根據(jù)秀節(jié)特點(diǎn)，在冬、夏季最低軌溫和最高軌溫時(shí)間段加強(qiáng)無縫線路的巡檢，以便發(fā)現(xiàn)無縫線路的鋼軌折磨或脹軌路道的先兆，合理安排線路維修 計(jì)劃，確保行車安全。結(jié)合無縫線路的鎖定軌溫和線路狀態(tài)，維修計(jì)劃的原則為：在氣溫較低的季節(jié)安排鎖字軌溫較低地段的綜合維修，在氣溫較高的季節(jié)安排鎖定軌溫高地段的綜合維修。 表1所示為部分實(shí)驗(yàn)室調(diào)度階段測得的溫度值統(tǒng)計(jì)示例。表1 軌溫監(jiān)測值數(shù)據(jù)庫示例 空氣溫度/℃年月日時(shí) 間鋼軌溫度/℃27.220028921：43：5427.227.120028921：53：5527.228.3200281019：12：0928.128.4200281019：29：1828.128.5200281019：29：2428.128.5200281019：29：3028.228.5200281019：50：1728.228.5200281020：00：1828.127.1200281110：30：5226.927200281110：41：0326.927.2200281110：51：1027該無縫線路軌溫實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)從2002年10月開始在天津鐵路分局天津東車輛段試用，經(jīng)過近一年的時(shí)間，已經(jīng)測量并積累了大量的軌溫?cái)?shù)據(jù)。同時(shí)，在使用的過程中，也對線路連接的一些工程問題進(jìn)行了不斷的完善，防止因接口接觸不良而導(dǎo)致傳感器不能正常工作，使得系統(tǒng)的性能更加穩(wěn)定。溫度傳感器的安置和固定也是一個(gè)很有技術(shù)性的工作，需保證與外界空氣隔絕且牢靠地固定在軌道上，不會(huì)因列車的經(jīng)過而移動(dòng)或損壞。
linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）
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