摘 要： 針對機車對其運行監(jiān)控系統(tǒng)的性能要求，設(shè)計了一種采用C8051F005作為核心控制器的通用機車運行監(jiān)控記錄系統(tǒng)并分析了該控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件實現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞： 機車監(jiān)控 C8051F005單片機 DSP 光電隔離
隨著鐵路運輸需求的發(fā)展以及列車速度的不斷提高，列車監(jiān)控裝置逐漸成為列車車載運行的信息中心，為多種安全監(jiān)測、運行信息傳輸提供基礎(chǔ)。列車運行監(jiān)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(jiān)控裝置以軌道電路及機車信號設(shè)備作為列車運行指令信息源，以線路數(shù)據(jù)預(yù)置于主機的獨特方式獲取運行線路參數(shù)信息，采用計算機智能處理對列車運行速度進行安全監(jiān)控，實現(xiàn)列車的自動安全防護功能。該裝置在實現(xiàn)安全速度控制的同時，采集記錄與列車安全運行有關(guān)的各種機車運行狀態(tài)信息，促進了機車運行管理的自動化。該系統(tǒng)由運行指令信息傳遞、運行所處線路參數(shù)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(tǒng)結(jié)構(gòu)框架
1.1 任務(wù)要求
控制系統(tǒng)要實現(xiàn)的任務(wù)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(jié)、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(shù)據(jù)進行濾波處理，作出判斷，并根據(jù)相應(yīng)傳送標(biāo)準(zhǔn)傳送到上位機；(5)接收上位機返回的信號指令，并根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)做出相應(yīng)的控制。
整個系統(tǒng)的監(jiān)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(yīng)燈的開關(guān)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(xiàn)的功能要求，又使芯片資源得到充分合理的利用。
1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架
系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
2 硬件設(shè)計
2.1 C8051F005功能介紹
C8051F005單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內(nèi)核。它在一個芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個單片機數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)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(tǒng)提供了高分辨率和實時性的基本條件，滿足了系統(tǒng)動態(tài)精度要求，同時避免了增益放大和A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，從而使系統(tǒng)前向通道更具穩(wěn)定性。
(2)具有大容量的Flash程序存儲器（32KB）和數(shù)據(jù)存儲器RAM（2304KB），這在監(jiān)控系統(tǒng)中已能滿足程序存儲和數(shù)據(jù)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(tǒng)的運行效率。
(3)具有豐富的可編程數(shù)字I/O資源，因此不需進行I/O擴展已能滿足該系統(tǒng)對I/O口的需求，同時可使系統(tǒng)的人機通道和輸入/輸出開關(guān)量與CPU的聯(lián)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(wěn)定性高。片內(nèi)增加的７個復(fù)位源可使系統(tǒng)的可靠性更高，同時也簡化了電路。
(5)C8051F005單片機片內(nèi)具有多類型串行總線端口，為系統(tǒng)通信的兼容性設(shè)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(chǎn)品，適合于要求速度快、精度高、擴展功能強、動態(tài)連續(xù)的應(yīng)用領(lǐng)域。
2.2 軌道燈信號檢測電路
根據(jù)軌道燈信號的特點，采用了TMS320C2407微處理器經(jīng)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(shè)計的系統(tǒng)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(yōu)點。經(jīng)過解碼后得到的對應(yīng)燈的電平信號，輸入到控制板再經(jīng)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(guān)量信號檢測電路
不同電平的開關(guān)量信號經(jīng)過R-C濾波、電平限位保護之后，再經(jīng)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(guān)量信號在電平轉(zhuǎn)換變化時對經(jīng)過光隔之后的信號通道仍會產(chǎn)生電磁干擾，對這種干擾可通過在其對應(yīng)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(zhuǎn)換電路
控制系統(tǒng)采集的模擬信號包括壓力信號和溫度信號。在A/D轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)計
3.1 程序流程結(jié)構(gòu)
在本文設(shè)計的機車監(jiān)控記錄裝置的控制單元中，軟件實現(xiàn)采用了不斷地對各類信號進行循環(huán)檢測，根據(jù)相應(yīng)的發(fā)送信息條件進行通信的方式。該監(jiān)控系統(tǒng)控制過程程序流程如圖3所示。
3.2 程序代碼保護設(shè)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(chǎn)權(quán)程序代碼和常數(shù)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(nèi)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(tǒng)控制器上的軟件讀取產(chǎn)權(quán)程序代碼和常數(shù)的安全功能。
3.3 可靠的通信告警設(shè)計
在程序設(shè)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(xiàn)故障，還是通信線路出現(xiàn)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(lián)絡(luò)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(fā)送的聯(lián)絡(luò)信號。若聯(lián)絡(luò)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(lián)絡(luò)上，就點亮紅燈告警，指示通信聯(lián)絡(luò)失敗。一般下位機正常，問題可能出現(xiàn)在線路或上位機。上位機在上電復(fù)位后，就迅速向下位機發(fā)送聯(lián)絡(luò)信號，并等待下位機上傳數(shù)據(jù)，接收到正確的數(shù)據(jù)之后，就回饋接收正確標(biāo)志。若連續(xù)一段時間之后仍沒收到下位機發(fā)來的任何數(shù)據(jù)，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(fā)送聯(lián)絡(luò)信號，等待聯(lián)絡(luò)就緒。
4 結(jié)束語
該系統(tǒng)已設(shè)計完成并安裝試運行。與正使用的其他類型的同類產(chǎn)品進行比較，本系統(tǒng)不僅檢測結(jié)果正確，而且實時性和精度也滿足鐵路部頒標(biāo)準(zhǔn)，目前該裝置已經(jīng)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(shè)計，保證了所設(shè)計系統(tǒng)具有集成度高、實性好、線路簡單、可靠性高、可擴展性強等優(yōu)點。與目前國內(nèi)正在使用的其他同類系統(tǒng)相比具有很大的優(yōu)越性。
參考文獻
1 嚴(yán)國志，徐箭，李蘭芳.基于TMS320LF2407A的通用機車信號檢測.電子技術(shù)應(yīng)用，2003；（10）
2 潘琢金，施國君.C8051Fxxx高速SOC單片機原理及應(yīng)用.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002
3 丁元杰.單片機微機原理及應(yīng)用.北京：機械工業(yè)出版社，2000