《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于I2C總線和SD卡的火車輪軸承溫度采集系統(tǒng)
包本剛,鄒帥,劉坤,陳凱,劉磊,周顯恩
摘要: 火車輪軸承的損壞將導(dǎo)致重大交通事故,提前預(yù)防是避免事故發(fā)生的最好辦法?,F(xiàn)有的軸承溫度采集系統(tǒng)大都不能實(shí)時(shí)采集溫度信息,而且不能大量保存相關(guān)信息供人們分析。本文介紹的火車輪軸承溫度采集系統(tǒng)運(yùn)用高性能的處理器,能夠在火車運(yùn)行的過(guò)程中不斷記錄溫度與時(shí)間信息,并實(shí)時(shí)地把相關(guān)信息存儲(chǔ)到SD卡中。
Abstract:
Key words :

    引  言

    火車輪軸承的損壞將導(dǎo)致重大交通事故,提前預(yù)防是避免事故發(fā)生的最好辦法?,F(xiàn)有的軸承溫度采集系統(tǒng)大都不能實(shí)時(shí)采集溫度信息,而且不能大量保存相關(guān)信息供人們分析。本文介紹的火車輪軸承溫度采集系統(tǒng)運(yùn)用高性能的處理器,能夠在火車運(yùn)行的過(guò)程中不斷記錄溫度與時(shí)間信息,并實(shí)時(shí)地把相關(guān)信息存儲(chǔ)到SD卡中。

    1  系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

    火車輪軸承溫度采集系統(tǒng)的工作原理是,各測(cè)量點(diǎn)通過(guò)溫度傳感器獲取軸承溫度信息,隨后通過(guò)I2C總線把這些信息轉(zhuǎn)輸給主機(jī),主機(jī)收到后根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行超溫報(bào)警等動(dòng)作,同時(shí)把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD卡中,以便查詢。該系統(tǒng)以S3C2440A為主控制器,外部各個(gè)溫度傳感器直接掛接在I2C總線上,就可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的采集,從而簡(jiǎn)化了硬件電路。同時(shí)利用S3C2440處理器速度快的特點(diǎn),可以實(shí)時(shí)對(duì)溫度進(jìn)行采集,并且可以高速地存儲(chǔ)大量溫度信息。通過(guò)時(shí)鐘芯片,還可以記錄對(duì)應(yīng)時(shí)刻各測(cè)量點(diǎn)溫度的情況。

    2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

  主控制器直接采用了Mini2440最小系統(tǒng)板。其處理器為三星S3C2440A,主頻高達(dá)400 MHz,很好地滿足了系統(tǒng)對(duì)速度的要求。在溫度測(cè)量方面,選取DS18B20數(shù)字溫度傳感器,它的精確度很好地滿足了設(shè)計(jì)需要,價(jià)格較低,大大降低了開發(fā)成本。在通信方面,選取了I2c總線連接方式。利用處理器2個(gè)I/O口,簡(jiǎn)單方便地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集。時(shí)鐘芯片:DS1302還為系統(tǒng)提供了準(zhǔn)確時(shí)間信息,可讓人們準(zhǔn)確了解具體時(shí)刻各測(cè)量點(diǎn)的溫度信息。該部分的示意圖如圖1所示。

 

  系統(tǒng)采用SD卡來(lái)擴(kuò)展存儲(chǔ)器。在該系統(tǒng)中,SD卡用于存儲(chǔ)大量的信息,也可以很方便地將相關(guān)信息轉(zhuǎn)出。S3C2440A處理器中集成了SD卡控制器,給硬件電路的設(shè)計(jì)帶來(lái)了方便。SD卡硬件連接圖如圖2所示。



  在軸承溫度采集系統(tǒng)實(shí)際工作中,電源的穩(wěn)定是相當(dāng)重要的。該系統(tǒng)需要5 V、3.3 V的工作電源。+5 V電壓經(jīng)過(guò)LM1117穩(wěn)壓后,可以得到+3.3 V的電壓,供Mini2440最小系統(tǒng)板與SD卡電路使用,+5 V的電壓由溫度傳感器、時(shí)鐘芯片等器件使用。電源模塊硬件圖如圖3所示。

 

  3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

  設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是完成測(cè)量點(diǎn)與主機(jī)的通信,以及對(duì)各測(cè)量點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)的采集、處理和存儲(chǔ)。

  3.1傳感器數(shù)據(jù)的采集

  考慮到系統(tǒng)對(duì)溫度采集實(shí)時(shí)性的要求,系統(tǒng)每隔100ms采集1次溫度傳感器的數(shù)據(jù),并不間斷地對(duì)整組測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行輪流采集,確保讓每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)能及時(shí)地被主機(jī)處理。數(shù)據(jù)采集軟件流程如圖4所示。

 

  3.2主機(jī)數(shù)據(jù)處理和管理軟件的設(shè)計(jì)

  此模塊軟件的主要任務(wù)是處理采集的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。軟件將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,如果溫度有大于65℃,將啟動(dòng)報(bào)警程式,并可以根據(jù)溫度的變化趨勢(shì)采取相應(yīng)的預(yù)防措施。同時(shí),在每次讀取傳感器數(shù)據(jù)的過(guò)程中記錄此刻的時(shí)間,軟件將保存本次采集的溫度和時(shí)間信息。當(dāng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)出時(shí),可以清晰地看到各個(gè)時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的不同溫度。數(shù)據(jù)處理的軟件流程如圖5所示。

  3.3  基于S3C2440的SD卡控制器設(shè)計(jì)

  主控制器S3C2440片內(nèi)集成了功能強(qiáng)大的SD卡的控制器,加上其提供的1組寄存器,使編程工作變得相對(duì)簡(jiǎn)單。程序中定義相關(guān)寄存器如下:

 

  從各個(gè)寄存器定義后面的注釋中可以看出相應(yīng)寄存器的作用。

  這些寄存器相互配合,就可以很方便地實(shí)現(xiàn)協(xié)議所要求的復(fù)雜時(shí)序。在對(duì)各個(gè)寄存器有了全方位的把握之后,就可以實(shí)現(xiàn)SD卡的相關(guān)功能,其操作過(guò)程為:

  ①CPU寄存器設(shè)置過(guò)程

  ◆正確設(shè)置SDICON寄存器;

  ◆正確設(shè)置SDIPRE寄存器;

  ◆等待74個(gè)時(shí)鐘信號(hào)初始卡。

 ?、贑MD命令發(fā)送過(guò)程

  ◆向SDICARG寄存器中寫入發(fā)送的參數(shù);

  ◆確定命令類型并且通過(guò)設(shè)置SDICCON[8]來(lái)啟動(dòng)命令;

  ◆確定命令是否發(fā)送完成,沒(méi)應(yīng)答的話看SDICSTA[11],有應(yīng)答的話看SDICSTA[9];

  ◆清除SDICSTA中的相應(yīng)位。

  ③數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程

  ◆向SDITIMER中寫入超時(shí)值;

  ◆向SDIBSIZE中寫入塊大小的值;

  ◆設(shè)置塊模式,總線寬度等,通過(guò)SDIDCON啟動(dòng)傳輸;

  ◆通過(guò)SDIFSTA檢查TxFIFO是否可用,再通過(guò)SDIDAT寫入發(fā)送數(shù)據(jù);

  ◆通過(guò)SDIFSTA檢查RxFIFO是否可用,再通過(guò)SDIDAT讀入接收數(shù)據(jù);

  ◆通過(guò)檢查SDIDSTA[4]確定傳輸過(guò)程已完成;

  ◆清除SDIDSTA中的相應(yīng)位。

  程序采用模塊化設(shè)計(jì)思想。以主程序?yàn)楹诵脑O(shè)置功能模塊子程序,簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)主程序調(diào)用各功能模塊子程序。通過(guò)程序的聯(lián)合作用,實(shí)現(xiàn)了對(duì)SD卡的讀寫,對(duì)大量的溫度、時(shí)間信息進(jìn)行了實(shí)時(shí)可靠的保存。以下是數(shù)據(jù)采集保存部分的函數(shù)分析。




 

 

  結(jié)  語(yǔ)

  系統(tǒng)采用高性能處理器作為主控制器,高速地采集各節(jié)點(diǎn)溫度信息,當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)能及時(shí)報(bào)警,并能快速地存儲(chǔ)大量溫度與時(shí)間信息。運(yùn)用SD卡能方便地將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)出并進(jìn)行分析。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案已成功運(yùn)用在湖南電力機(jī)車設(shè)備公司的產(chǎn)品中,對(duì)海量數(shù)據(jù)采集有較高參考價(jià)值。

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