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C8051F320列车安全巡检仪的设计

• 1 引言
  随着科学技术的发展，乘列车出行、旅游已成为人们主要的交通方式之一，为了保障列车安全运行，定期或不定期地对列车进行安全巡检是一项极其重要的工作，列检人员在列车到站时需要对列车安全巡检。一般的巡查管理制度难以核实固定车次、站点和时间，因此难以实现合理规范化管理。针对这种需求，提出了基于超低功耗单片机C8051F320的列车安全巡检仪，结合计深圳电感厂家算机应用软件管理程序，可使铁路列车巡检管理工作更规范更科学。
  

  2 C8051F320单片机简介
  C805lF320是完全集成在混合信号片上的系统型MCU。内核采用高速、流水线结构，指令集完全与标准805l兼容，70％的指令的执行时间为l或2个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。片内外设包括电源稳压器(5～3 V)；2个片内电压比较器：全速、非侵入式的在线系统调试接口；通用串行总线(USB)功能控制器(8个灵活的端点管道，集成收发器和l kB FIF0 RAM)；10位200 Ks／s的17通道单端／差分ADC(带模拟多路器)；片内电压基准和温度传感器；片内电压比较器；高精度可编程工字电感器的12 MHz内部振荡器和4倍时钟乘法器；硬件实现SMBus／I2C、增强型UART和增强型SPI串行接口；4个通用16位定时器；具有5个捕捉／比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器／定时器阵列(PCA)；片内上电复位、VDD监视器和时钟丢失检测器。存储器有16 KB可在系统编程的Flash存储器和2 304字节片内RAM(256字节内部RAM+l KB外部RAM+l KB USB FIFO)。
  

  3 系统设计方案
  3．1 系统方案说明
  为了判断列检人员是否到达指定的地点进行安全巡检，本系统设计利用i—Button信息钮作为外部信息载体，与PCF8563高精度时钟器件相配合，实现巡检地点(用惟一的注册码代替)和时间的准确记录，并利用SD35TR液晶显示模块显示时间和注册码；巡检人员可利用TN9红外测温模块测量车轴温度。为了便于巡检人员夜间工作，本巡检仪还具有高亮度的LED照明功能，并预留USB接口，方便与PC机数据转储，以备日后数据处理、查询。根据巡检仪的功能设计了系统结构框图，如图l所示，主要包括主电路、信息采集、温度采集、液晶显示和照明电路等模块。

  

  主电路模块如图2所示，该模块以C805lF320单片机为核心，采用PCF8563为系统提供实时时钟，并且外扩512 KB的E2PROM存储器24LC512，用于存储采集信息、温差模电感度和时间；通过C805lF320的片内USB控制器外接一个迷你型USB母座作为巡检仪与PC机的数据转储接口；两个按键作为外部中断输入，分别启动信息采集和温度采集；蜂鸣器作为提示和报警输出。主电路还包括电池电压检测，用于监测电池电量的饱和度。

  

  3．2 i-Button信息钮接口电路
  i—Button信息钮是一种坚固的数据载体，内部光刻ROM含有国际惟一的64位注册码，不锈钢纽扣型外壳，可防尘、防潮、防震。通过l—Wire总线协议传输信号。本系统的i—Button信息钮采集模块主要包括DSl990A信息钮和DS9092信息钮读取探头两部分。如图3所示，DSl990A信息钮的纽扣外形分两部分作为信号连接；中心为l—Wire总线的I／O连接．周围为信号地连接。DS9092读取探头为杯状外形，中心为1一Wire总线的I／0连接，周围为信号地连接，实现与纽扣外形的充分接触。DS9092背后引出两条连线，其中一条为1一Wire总线的I／O工字电感器连接到C805lF320单片机，另一条则为信号地。由于l—Wire总线为上拉传输，故其I／O总线必须连接一上拉电阻至电源。由于信息采集是通过一个低电平按键中断进行启动的，所以在单片机上再连接一按键，提供信息采集中断信号。

  

  3．3 TN9测温模块接口电路
  TN9红外测温模块采用红外非接触测温，其测温原理应用斯特凡一玻耳兹曼定律和维恩位移定律。TN9模块引出5条连接线，依次为：电源(V)、SPI数据(D)、SPI时钟(C)、地(G)和测试引脚(A)。其中SPI数据(D)和SPI时钟(C)用于传输温度信息，分别连接C805lF320单片机的PO．4和P0．2引脚作为SPI总线的MOSI和SCK。测试引脚(A)是TN9测温模块的启动信号，低电平有效，故通过一只1kΩ电阻上拉至3．3 V，再通过按键接地，然后连接到C8051F320单片机的PO．5引脚作为温度采集的中断信号。按键按下后将测试引脚(A)置为低电平，启动TN9测温，同时通知C8051F320工字电感器准备接收温度数据。按键松开，测试引脚被上拉为高电平并停止测温。其电路如图4所示。

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