摘 要： 針對機車對其運行監控系統的性能要求，設計了一種采用C8051F005作為核心控制器的通用機車運行監控記錄系統并分析了該控制系統的硬件結構和軟件實現方法。
關鍵詞： 機車監控 C8051F005單片機 DSP 光電隔離
隨著鐵路運輸需求的發展以及列車速度的不斷提高，列車監控裝置逐漸成為列車車載運行的信息中心，為多種安全監測、運行信息傳輸提供基礎。列車運行監控記錄裝置是以保障列車運行安全為主要目的的列車速度控制裝置。監控裝置以軌道電路及機車信號設備作為列車運行指令信息源，以線路數據預置于主機的獨特方式獲取運行線路參數信息，采用計算機智能處理對列車運行速度進行安全監控，實現列車的自動安全防護功能。該裝置在實現安全速度控制的同時，采集記錄與列車安全運行有關的各種機車運行狀態信息，促進了機車運行管理的自動化。該系統由運行指令信息傳遞、運行所處線路參數信息傳遞、列車自身運行狀況信息采集等信息獲取、處理和控制的主機組成。
1 系統結構框架
1.1 任務要求
控制系統要實現的任務為：(1)對列車軌道上的8種不同燈信號（綠、黃、紅、雙黃、白、紅黃、綠黃燈）進行檢測；(2)對機車速度、過節、解鎖、機車工況（前進、后退、牽引、制動）等信號進行檢測；(3)對機車軸溫、制動缸和機車管壓、車廂溫度等模擬信號進行檢測；(4)對采集到的數據進行濾波處理，作出判斷，并根據相應傳送標準傳送到上位機；(5)接收上位機返回的信號指令，并根據不同的標準做出相應的控制。
整個系統的監控單元主要由高速信號處理單元(核心單元是TMS320C2407)和高集成度的控制單元（控制核心是C8051F005）組成。
鐵路軌道燈信號是用移頻信號來表示的。各種頻率信號采集過來之后，通過TMS320C2407進行解碼,輸出對應燈的開關電平信號[1]。在控制單元采用C8051F005這樣一個高速、高集成、高性能的單片機作為控制單元的核心。這樣既保證了所需實現的功能要求，又使芯片資源得到充分合理的利用。
1.2 系統結構框架
系統的結構框圖如圖1所示。
2 硬件設計
2.1 C8051F005功能介紹
C8051F005單片機是完全集成的混合信號系統級芯片，具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內核。它在一個芯片內集成了構成一個單片機數據采集或控制系統所需要的幾乎所有模擬和數字外設及其他功能部件。
C8051F005單片機具有以下特點：
(1)具有的12位ADC，帶有可編程增益和差分輸入端且采樣速度高達100Kbps，并具有16位的測量精度，這些特點給系統提供了高分辨率和實時性的基本條件，滿足了系統動態精度要求，同時避免了增益放大和A/D轉換環節，從而使系統前向通道更具穩定性。
(2)具有大容量的Flash程序存儲器（32KB）和數據存儲器RAM（2304KB），這在監控系統中已能滿足程序存儲和數據存儲的需要。外部無須另加擴展且便于編程，因而提高了系統的運行效率。
(3)具有豐富的可編程數字I/O資源，因此不需進行I/O擴展已能滿足該系統對I/O口的需求，同時可使系統的人機通道和輸入/輸出開關量與CPU的聯系更加通暢便利。
(4)C8051F005單片機提供的獨立時鐘源的時鐘誤差小，穩定性高。片內增加的７個復位源可使系統的可靠性更高，同時也簡化了電路。
(5)C8051F005單片機片內具有多類型串行總線端口，為系統通信的兼容性設計提供了可能。
綜上所述， C8051F005單片機是一個高速、高集成、高性能的單片機產品，適合于要求速度快、精度高、擴展功能強、動態連續的應用領域。
2.2 軌道燈信號檢測電路
根據軌道燈信號的特點，采用了TMS320C2407微處理器經過基于非整周期采樣的FFT分析方法的處理，得到了燈信號的電平信號。充分利用了DSP器件的資源，使所設計的系統具有集成度高、實時性好、電路簡單、抗干擾能力強、可靠性高等優點。經過解碼后得到的對應燈的電平信號，輸入到控制板再經過限幅、濾波處理以及光電隔離后，輸入到CPU的I/O口。
2.3 開關量信號檢測電路
不同電平的開關量信號經過R-C濾波、電平限位保護之后，再經過光電耦合器進行隔離，才輸入到處理器的I/O端口。有些開關量信號在電平轉換變化時對經過光隔之后的信號通道仍會產生電磁干擾，對這種干擾可通過在其對應光隔輸出端對地加一個電容進行濾除，如圖2所示。
2.4 A/D轉換電路
控制系統采集的模擬信號包括壓力信號和溫度信號。在A/D轉換模塊中，選用的外部參考電壓VREF為2.5V。把壓力傳感器輸出的0～5V的電平信號進行增益放大之后，作為壓力信號直接輸入到CPU模擬采集端口中。由于溫度傳感器輸出的電壓范圍是-0.55～+1.5V，而實際的模擬通道的采集電平的電壓范圍是0～2.5V。所以在電路的設計時，需要在外部增加一個+1V的提升電壓，再把處理后的信號輸入到模擬采集通道。
3 控制單元的軟件設計
3.1 程序流程結構
在本文設計的機車監控記錄裝置的控制單元中，軟件實現采用了不斷地對各類信號進行循環檢測，根據相應的發送信息條件進行通信的方式。該監控系統控制過程程序流程如圖3所示。
3.2 程序代碼保護設計
該單片機還為用戶提供了安全選項，以保護Flash存儲器不會被軟件意外地修改，并防止產權程序代碼和常數被讀取。程序存儲的寫允許位（PSCTL.0）和程序存儲擦除允許位（PSCTL.1）保護Flash存儲器不會被軟件意外修改。在用軟件修改Flash存儲器內容之前，這些位必須被置為邏輯1。此外，該單片機還提供了防止通過JTAG接口或通過運行在系統控制器上的軟件讀取產權程序代碼和常數的安全功能。
3.3 可靠的通信告警設計
在程序設計時采用上、下位機雙告警處理方式，無論是上、下位機中哪一端出現故障，還是通信線路出現了故障，在裝置運行過程中，只要一方仍能夠正常運行，在檢測到通信聯絡失敗時就能聲光報警，提醒操作人員處理。
下位機上電初始化后就等待接收上位機發送的聯絡信號。若聯絡正常，則點亮綠燈并進行信號檢測；如果等待一定時間后，仍然沒聯絡上，就點亮紅燈告警，指示通信聯絡失敗。一般下位機正常，問題可能出現在線路或上位機。上位機在上電復位后，就迅速向下位機發送聯絡信號，并等待下位機上傳數據，接收到正確的數據之后，就回饋接收正確標志。若連續一段時間之后仍沒收到下位機發來的任何數據，就彈出“通信出錯”窗口，同時語音提示通信出錯，并不斷向下位機發送聯絡信號，等待聯絡就緒。
4 結束語
該系統已設計完成并安裝試運行。與正使用的其他類型的同類產品進行比較，本系統不僅檢測結果正確，而且實時性和精度也滿足鐵路部頒標準，目前該裝置已經通過鑒定。整個裝置的所有信號及控制與通信等所有功能僅由一個C8051F005來完成，并配有完備的軟硬件抗干擾設計，保證了所設計系統具有集成度高、實性好、線路簡單、可靠性高、可擴展性強等優點。與目前國內正在使用的其他同類系統相比具有很大的優越性。
參考文獻
1 嚴國志，徐箭，李蘭芳.基于TMS320LF2407A的通用機車信號檢測.電子技術應用，2003；（10）
2 潘琢金，施國君.C8051Fxxx高速SOC單片機原理及應用.北京：北京航空航天大學出版社，2002
3 丁元杰.單片機微機原理及應用.北京：機械工業出版社，2000