引言

　　線路道岔電子檢測尺是列車運行安全的重要保障，其主要用途是測量軌道的軌距、水平度，目的是為了預防因外界環境溫度的影響而使鋼軌狀態變形。此外，它也可消除人工機械式測量帶來的誤差大、工作效率低等不良因素，從而進一步提高鐵路安全保障措施。

　　本文所設計的系統可以測量標準軌距為1435mm軌道的水平度、軌距，可實現自動檢測、自動存儲。通過RS232接口與計算機數據通信后，可用專用軟件查詢分析所有測量數據，并可打印報表。

　　系統工作原理及硬件設計

　　線路道岔電子檢測尺的功能包括兩項：軌距和水平度，該儀器的結構如圖1所示，由數字傾角(角度)傳感器、高精度位移測量傳感器、單片機及外圍電路、橫尺、直擋、測量滑塊、和液晶顯示器等部分構成。其中高精度位移測量傳感器和測量滑塊用于測量軌距。軌距由兩部分構成，一部分是橫尺上的標準長度部分s1（該部分為固定值），另外一部分是以標準長度末端A點為起點的測量長度s2（該部分由高精度位移測量傳感器測量得到），總的軌距s=s1+s2。考慮到溫度的影響，單片機自帶溫度傳感器，用來補償溫度對測量數據的影響。橫尺上的數字傾角(角度)傳感器測量橫尺的水平度（角度），通過角度和軌距可測量左右軌的高差。液晶顯示部分顯示軌距、左右軌高差和時間等信息，相關數據可以保存在儀器中，也可通過RS232接口與計算機通訊讀出來形成匯總，在計算機中保存、打印相關數據。

　　線路道岔電子檢測尺主要通過位移傳感器和數字傾角(角度)傳感器對鋼軌的軌距、水平度進行測量。傳感器信號通過RS232接口和特殊功能計數器后進入單片機，單片機計算出軌距后，再由傾角傳感器測量的傾角與軌距這兩組數據，根據正弦函數算出兩軌道相差高度。單片機把這兩組數據與設定的門限值進行比較來判斷測量點是否合格。液晶屏顯示輸出數據結果，鍵盤可以設定門限值、所測點的位置，并具備刪除和保存數據等功能。系統設計框圖見圖2。

　　數字傾角(角度)傳感器

　　數字傾角(角度)傳感器利用重力對流體的作用引起膜電位變化的原理而制成，是新型的慣性傳感器，它具有體積小、高靈敏度、線性好、壽命長、寬動態范圍、高穩定性、超強抗沖擊性等特點。

　　數字傾角(角度)傳感器通過RS232與單片機接口。紅線為電源輸入，黑線為地（RS232地與電源地共用），黃線為傳感器的RS232輸入，綠線為傳感器的RS232輸出。輸入電源電壓為7V-24V，推薦值9V。傳感器應豎直安裝，安裝面與垂直面的夾角不大于2°。安裝示意圖見圖3。

　　C8051F060單片機

　　為了減少外圍器件、提高系統穩定性，采用自帶溫度傳感器的C8051F060器件，它是完全集成的混合信號系統級MCU芯片，使用Cygnal的專利CIP-51微控制器內核，CIP-51與MCS-51指令集完全兼容。C8051F060內部有1個SMBUS/I2C接口、2個具有增強型波特率配置的全雙工UART和1個增強型SPI接口，每種串行總線完全由硬件實現，都能向CIP-51產生中斷。C8051F060具有五個通用的16位定時器；具有6個捕捉/比較模塊的可編程計數器/定時器數組；具有片內看門狗定時器、VDD監視器、時鐘振蕩器。C8051F060是真正能獨立工作的片上系統。所有模擬和數字外設均可由用戶固件使能/禁止和配置。FLASH存儲器還具有在系統重新編程能力，可用于非易失性數據存儲，并允許現場更新8051固件。

　　C8051F060有大量的數字資源需要通過4個低端I/O端口P0、P1、P2和P3才能使用。P0、P1、P2和P3中的每個引腳既可定義為通用的端口I/O（GPIO）引腳，又可以分配給一個數字外設或功能（例如：UART0 或INT1）。系統設計者控制數字功能的引腳分配，只受可用引腳數的限制。這種資源分配的靈活性是通過使用優先權交叉開關譯碼器實現的。不管引腳被分配給一個數字外設或是作為通用 I/O，總是可以通過讀相應的數據寄存器得到端口 I/O 引腳的狀態。

　　優先權交叉開關譯碼器按優先權順序將端口0~3的引腳分配給器件上的數位外（UART、SMBus、PCA、定時器等）。端口引腳的分配順序從P0.0開始，可以一直分配到P3.7。當交叉開關配置寄存器XBR0、XBR1、XBR2和XBR3中外設的對應使能位被設置為邏輯1時，交叉開關將端口引腳分配給外設。端口0～3中所有未被交叉開關分配的引腳都可以作為通用I/O（GPIO）引腳，通過讀或寫相應的端口數據寄存器訪問，這是一組既可以按位尋址也可以按字節尋址的SFR。被交叉開關分配的那些端口引腳的輸出狀態，受使用這些引腳的數字外設的控制。向端口資料寄存器（或相應的端口位）寫入時對這些引腳的狀態沒有影響。

　　C8051F060單片機的P0.0引腳被配置為UART0的TX0，P0.1引腳被配置為UART0的RX0，UART0用來與數字傾角(角度)傳感器進行通訊。UART0是一個具有幀錯誤檢測和地址識別硬件的增強型串行口。UART0 可以工作在全雙工異步方式或半雙工同步方式，并支持多處理器通信。接收數據被暫存于一個保持寄存器中，這就允許UART0 在軟件尚未讀取前一個數據字節的情況下開始接收第二個輸入數據字節。一個接收覆蓋位用于指示新的接收數據已被鎖存到接收緩沖器，而前一個接收數據尚未被讀取。對UART0的控制和訪問是通過相關的特殊功能寄存器即串行控制寄存器（SCON0）和串行數據緩沖器（SBUF0）來實現的。用同一個 SBUF0 地址可以訪問發送寄存器和接收寄存器。讀SBUF0將自動訪問接收寄存器，而寫 SBUF0 自動訪問發送寄存器。UART0可以工作在查詢或中斷方式，它有兩個中斷源：一個發送中斷標志 TI0（SCON0.1，數據字節發送結束時置位）和一個接收中斷標志 RI0（SCON0.0，接收完一個數據字節后置位）。

　　C8051F060單片機的P0.2被配置為UART1的TX1， P0.3引腳被配置為UART1的RX1， UART1用來與上位PC機進行通訊。對UART1的控制基本與UART0相同。

　　C8051F060單片機的P0.4被配置為外部中斷源（/INT0）的輸入腳，接收位移傳感器的零點復位信號，減少由于多次來回運動造成的累積測量誤差。/INT0被配置為下降沿觸發輸入。

　　C8051F060單片機的P0.5被配置為定時器/計數器 3的計數輸入腳（T3），接收位移傳感器的位移脈沖。P0.6被配置為定時器/計數器3計數方向控制腳（T3EX），用來判斷位移傳感器的移動方向。C/T3位被置"1"時，將定時器配置為計數器方式（即在 T3 輸入引腳上的負跳變使計數器/定時器的寄存器加1或減 1）。定時器配置寄存器中的減 1 使能位（DCEN3）被置"1"，定時器可以向上或向下計數。當 DCEN3=1時，定時器的計數方向受 T3EX引腳上的邏輯電平的控制。當 T3EX =1 時，計數器/定時器向上計數；當T3EX=0時，計數器/定時器向下計數。T3EX必須在數字交叉開關中被使能并且被配置為數字輸入。

　　位移傳感器

　　采用DC20型光柵尺位移傳感器作為軌距測量工具。DC20型光柵尺采用雙層防護膠條密封，可保證最佳的密封性能。讀數頭滾動系統采用450式五軸承滾動系統，保證光學感應系統能長期穩定地在光柵尺上順暢滑行以及它高等級的測量精度。

　　位移傳感器輸出信號波形見圖4。

　　調試電路

　　C8051F060的片內 JTAG 調試電路允許使用安裝在最終應用系統上的產品進行非侵入式（不占用片內資）、全速、在系統調試。該調試系統支持觀察并修改存儲器和寄存器，支持斷點、觀察點、單步及行和停機命令。在使用 JTAG調試時，所有的模擬和數字外設都可全功能運行。JTAG接口使用MCU上的4個專用引腳（TMS、TCK、TDI、TDO）。

　　萬年歷時鐘芯片電路

　　每次測量后記錄測量時間，以便在上位PC機形成報表。DS1302 是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5V～5.5V。DS1302內部有一個31×8的用于臨時性存放數據的RAM寄存器。采用三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發方式一次傳送多個字節的時鐘信號或RAM數據。

　　DS1302與CPU的連接需要三條線，即SCLK(7)、I/O(6)、RST(5)。DS1302與CPU的連接如圖5所示。

　　EEPROM電路

　　測量的數據保存在EEPROM中。AT24C512是ATMEL公司推出的具有I2C總線容量達512Kbit（64K×8）的EEPROM，該芯片的主要特性如下：存儲容量為65536byte；與100kHz、400kHz、1MHz I2C總線兼容；100000次編程/擦寫周期；單電源、讀寫電壓為1.8V~5.5V；ESD保護電壓>4kV；數據可保存40年；寫保護功能，當WP為高電平時，進入寫保護狀態；CMOS低功耗技術，最大寫入電流為3mA；128byte頁寫入緩存器；自動定時的寫周期；具有8引腳DIP及20引腳SOIC封裝等多種封裝形式。EEPROM電路見圖6。

　   RS232電平轉換電路

　　MAX232是單電源雙RS232發送/接受芯片，采用單一+5V電源供電，只需外接4個電容，便可構成標準的RS232通信接口。單片機和計算機、數字傾角(角度)傳感器接口電路如圖7所示。圖中的C3、C4、C5、C6是電荷泵升壓及電壓反轉部分電路，產生V+、V-電源供EIA電平轉換使用，C7是VCC對地去藕電容，其值均為0.1μF。電容C3~C7安裝時必須盡量靠近MAX232芯片引腳，以提高抗干擾能力。

　　液晶顯示電路

　　JM19264A是具有192*64點陣的圖形點陣液晶模塊，它與單片機聯接構成功能強、結構簡單、人機對話界面豐富的應用系統。本儀器中，單片機采用直接訪問式接口電路與液晶顯示電路進行控制。

　　液晶屏顯示內容及鍵盤布局

　　線路道岔電子檢測尺外部由JM19264A液晶顯示屏、RS232接口和４＊４的鍵盤構成，右端是可旋轉移動的軸，通過軸的移動產生位移信號輸入單片機，單片機每隔0.5s刷新一次液晶顯示屏數據。H后的"＋"號代表左端高，"－"號表示左端低。L后的"＋"表示比標準值大，"－"表示比標準值小。液晶屏顯示及鍵盤布局見圖8。

　　線路道岔電子檢測尺的使用

　　在使用線路道岔電子檢測尺進行測量時，線路道岔電子檢測尺的左端緊挨著鋼軌的一側，另一端用螺旋器移動中心軸使之接觸鋼軌另一側，按下鍵盤上的確認鍵后，該系統便會很精確地將需要的數據測量出來。測量完成后按下保存鍵便可保存該點的數據。通過RS232與PC機連接后可獲取所測量點的所有信息。

　　抗震動、防沖擊的結構設計

　　由于線路道岔電子檢測尺輕巧便攜，因此也很容易產生碰撞、跌落。為了讓系統可靠地工作，應避免震動、沖擊直接作用到傳感元件上，因此在設計結構上采取了金屬盒裝的結構。將控制裝置緊固安裝在金屬盒內，僅留外部接口、液晶顯示屏和鍵盤在金屬盒外，避免內部元件直接受外部沖擊、碰撞，提高了器件抗沖擊能力。

　　系統的編程

　　采用Silicon Laboratories IDE集成編輯、編譯、仿真、下載軟件包，用C語言進行軟件編寫。系統通電后，首先要對單片機進行初始化，包括單片機的I/O端口和交叉開關、定時器的初始化、兩個串行通訊口的初始化，液晶顯示器的初試化等。整個程序由器件初始化程序、液晶顯示器的初試化程序、串行口中斷程序、外部中斷0處理程序、顯示程序、鍵盤掃描處理程序、軌距和水平計算程序程序、萬年歷時鐘芯片DS1302讀寫程序、EEPROM AT24C512讀寫程序等組成。

　　部分源代碼程序如下：

　　位移測量傳感器過零信號中斷入口程序

　　void Init0_ISR() interrupt 0 // 外部中斷0，邊沿觸發

　　{

　　uchar distance_flag; //位移測量傳感器運動方向標志保存字

　　SFRPAGE=0x01;

　　TMR3H=0; //過零點,復位計數器為零.

　　TMR3L=0;

　　P05=1;

　　distance_flag=P0;

　　distance_flag=distance_flag&0x20; //位移測量傳感器B信號腳

　　if(distance_flag==0)

　　{

　　distance_positive_flag=0;//位移測量傳感器運動方向標志位為0表示負方向運動

　　}

　　else

　　{

　　distance_positive_flag=1; //位移測量傳感器運動方向標志位為1表示正方向運動

　　}

　　}

　　向數字傾角(角度)傳感器發送命令子程序

　　void sendserial(unsigned char *senddata,unsigned char len2)

　　{

　　uchar i;

　　ES0=0; //禁止中斷 for(i=0;i{

　　SFRPAGE=0x00;

　　SBUF0=*(senddata+i); //將數據送出

　　while(TI0==0); //發送標志位是否產生

　　TI0=0;

　　}

　　ES0=1; //允許中斷

　　}

　　結語

　　線路道岔電子檢測尺從方案的調研、論證和選取及電路的設計、軟件的控制等各個環節，都充分考慮外界環境的各種可能的情況，對鋼軌軌距、水平度實現了高精確數字化測量，可以起到提前排除因軌道變化引起的行車安全隱患。該裝置的準確性和高速測量提高了鐵路的安全性，并降低了員工的勞動強度。