摘   要： 針對(duì)機(jī)車對(duì)其運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)的性能要求，設(shè)計(jì)了一種采用C8051F005作為核心控制器的通用機(jī)車運(yùn)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(shí)現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞： 機(jī)車監(jiān)控  C8051F005單片機(jī)  DSP  光電隔離

　　隨著鐵路運(yùn)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(yùn)行的信息中心，為多種安全監(jiān)測(cè)、運(yùn)行信息傳輸提供基礎(chǔ)。列車運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置是以保障列車運(yùn)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(jī)車信號(hào)設(shè)備作為列車運(yùn)行指令信息源，以線路數(shù)據(jù)預(yù)置于主機(jī)的獨(dú)特方式獲取運(yùn)行線路參數(shù)信息，采用計(jì)算機(jī)智能處理對(duì)列車運(yùn)行速度進(jìn)行安全監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)列車的自動(dòng)安全防護(hù)功能。該裝置在實(shí)現(xiàn)安全速度控制的同時(shí)，采集記錄與列車安全運(yùn)行有關(guān)的各種機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)信息，促進(jìn)了機(jī)車運(yùn)行管理的自動(dòng)化。該系統(tǒng)由運(yùn)行指令信息傳遞、運(yùn)行所處線路參數(shù)信息傳遞、列車自身運(yùn)行狀況信息采集等信息獲取、處理和控制的主機(jī)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(shí)現(xiàn)的任務(wù)為：(1)對(duì)列車軌道上的8種不同燈信號(hào)（綠、黃、紅、雙黃、白、紅黃、綠黃燈）進(jìn)行檢測(cè)；(2)對(duì)機(jī)車速度、過(guò)節(jié)、解鎖、機(jī)車工況（前進(jìn)、后退、牽引、制動(dòng)）等信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)；(3)對(duì)機(jī)車軸溫、制動(dòng)缸和機(jī)車管壓、車廂溫度等模擬信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)；(4)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)；(5)接收上位機(jī)返回的信號(hào)指令，并根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)做出相應(yīng)的控制。
　　整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控單元主要由高速信號(hào)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(hào)是用移頻信號(hào)來(lái)表示的。各種頻率信號(hào)采集過(guò)來(lái)之后，通過(guò)TMS320C2407進(jìn)行解碼,輸出對(duì)應(yīng)燈的開關(guān)電平信號(hào)[1]。在控制單元采用C8051F005這樣一個(gè)高速、高集成、高性能的單片機(jī)作為控制單元的核心。這樣既保證了所需實(shí)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(jì)
2.1 C8051F005功能介紹
　　C8051F005單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內(nèi)核。它在一個(gè)芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)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(jī)具有以下特點(diǎn)：
　　(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(dá)100Kbps，并具有16位的測(cè)量精度，這些特點(diǎn)給系統(tǒng)提供了高分辨率和實(shí)時(shí)性的基本條件，滿足了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)精度要求，同時(shí)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(chǔ)器（32KB）和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM（2304KB），這在監(jiān)控系統(tǒng)中已能滿足程序存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需要。外部無(wú)須另加擴(kuò)展且便于編程，因而提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。
　　(3)具有豐富的可編程數(shù)字I/O資源，因此不需進(jìn)行I/O擴(kuò)展已能滿足該系統(tǒng)對(duì)I/O口的需求，同時(shí)可使系統(tǒng)的人機(jī)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(jī)提供的獨(dú)立時(shí)鐘源的時(shí)鐘誤差小，穩(wěn)定性高。片內(nèi)增加的７個(gè)復(fù)位源可使系統(tǒng)的可靠性更高，同時(shí)也簡(jiǎn)化了電路。
　　(5)C8051F005單片機(jī)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(jì)提供了可能。
　　綜上所述， C8051F005單片機(jī)是一個(gè)高速、高集成、高性能的單片機(jī)產(chǎn)品，適合于要求速度快、精度高、擴(kuò)展功能強(qiáng)、動(dòng)態(tài)連續(xù)的應(yīng)用領(lǐng)域。
2.2 軌道燈信號(hào)檢測(cè)電路
　　根據(jù)軌道燈信號(hào)的特點(diǎn)，采用了TMS320C2407微處理器經(jīng)過(guò)基于非整周期采樣的FFT分析方法的處理，得到了燈信號(hào)的電平信號(hào)。充分利用了DSP器件的資源，使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有集成度高、實(shí)時(shí)性好、電路簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)解碼后得到的對(duì)應(yīng)燈的電平信號(hào)，輸入到控制板再經(jīng)過(guò)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(hào)檢測(cè)電路
　　不同電平的開關(guān)量信號(hào)經(jīng)過(guò)R-C濾波、電平限位保護(hù)之后，再經(jīng)過(guò)光電耦合器進(jìn)行隔離，才輸入到處理器的I/O端口。有些開關(guān)量信號(hào)在電平轉(zhuǎn)換變化時(shí)對(duì)經(jīng)過(guò)光隔之后的信號(hào)通道仍會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，對(duì)這種干擾可通過(guò)在其對(duì)應(yīng)光隔輸出端對(duì)地加一個(gè)電容進(jìn)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(hào)包括壓力信號(hào)和溫度信號(hào)。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(hào)進(jìn)行增益放大之后，作為壓力信號(hào)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(shí)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(jì)時(shí)，需要在外部增加一個(gè)+1V的提升電壓，再把處理后的信號(hào)輸入到模擬采集通道。
3  控制單元的軟件設(shè)計(jì)
3.1 程序流程結(jié)構(gòu)
　　在本文設(shè)計(jì)的機(jī)車監(jiān)控記錄裝置的控制單元中，軟件實(shí)現(xiàn)采用了不斷地對(duì)各類信號(hào)進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)，根據(jù)相應(yīng)的發(fā)送信息條件進(jìn)行通信的方式。該監(jiān)控系統(tǒng)控制過(guò)程程序流程如圖3所示。

3.2 程序代碼保護(hù)設(shè)計(jì)
　　該單片機(jī)還為用戶提供了安全選項(xiàng)，以保護(hù)Flash存儲(chǔ)器不會(huì)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(chǔ)的寫允許位（PSCTL.0）和程序存儲(chǔ)擦除允許位（PSCTL.1）保護(hù)Flash存儲(chǔ)器不會(huì)被軟件意外修改。在用軟件修改Flash存儲(chǔ)器內(nèi)容之前，這些位必須被置為邏輯1。此外，該單片機(jī)還提供了防止通過(guò)JTAG接口或通過(guò)運(yùn)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(jì)
　　在程序設(shè)計(jì)時(shí)采用上、下位機(jī)雙告警處理方式，無(wú)論是上、下位機(jī)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(yùn)行過(guò)程中，只要一方仍能夠正常運(yùn)行，在檢測(cè)到通信聯(lián)絡(luò)失敗時(shí)就能聲光報(bào)警，提醒操作人員處理。
　　下位機(jī)上電初始化后就等待接收上位機(jī)發(fā)送的聯(lián)絡(luò)信號(hào)。若聯(lián)絡(luò)正常，則點(diǎn)亮綠燈并進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)；如果等待一定時(shí)間后，仍然沒(méi)聯(lián)絡(luò)上，就點(diǎn)亮紅燈告警，指示通信聯(lián)絡(luò)失敗。一般下位機(jī)正常，問(wèn)題可能出現(xiàn)在線路或上位機(jī)。上位機(jī)在上電復(fù)位后，就迅速向下位機(jī)發(fā)送聯(lián)絡(luò)信號(hào)，并等待下位機(jī)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(shí)間之后仍沒(méi)收到下位機(jī)發(fā)來(lái)的任何數(shù)據(jù)，就彈出“通信出錯(cuò)”窗口，同時(shí)語(yǔ)音提示通信出錯(cuò)，并不斷向下位機(jī)發(fā)送聯(lián)絡(luò)信號(hào)，等待聯(lián)絡(luò)就緒。
4  結(jié)束語(yǔ)
　　該系統(tǒng)已設(shè)計(jì)完成并安裝試運(yùn)行。與正使用的其他類型的同類產(chǎn)品進(jìn)行比較，本系統(tǒng)不僅檢測(cè)結(jié)果正確，而且實(shí)時(shí)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(guò)鑒定。整個(gè)裝置的所有信號(hào)及控制與通信等所有功能僅由一個(gè)C8051F005來(lái)完成，并配有完備的軟硬件抗干擾設(shè)計(jì)，保證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有集成度高、實(shí)性好、線路簡(jiǎn)單、可靠性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。與目前國(guó)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(xiàn)
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