摘要：本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)軌距為1435mm軌道的水平度、軌距，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)存儲(chǔ)。通過(guò)rs232接口與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信后，可用軟件查詢分析所有測(cè)量數(shù)據(jù)，并可打印報(bào)表。
引言
線路道岔電子檢測(cè)尺是列車運(yùn)行安全的重要保障，其主要用途是測(cè)量軌道的軌距、水平度，目的是為了預(yù)防因外界環(huán)境溫度的影響而使鋼軌狀態(tài)變形。此外，它也可消除人工機(jī)械式測(cè)量帶來(lái)的誤差大、工作效率低等不良因素，從而進(jìn)一步提高鐵路安全保障措施。
系統(tǒng)工作原理及硬件設(shè)計(jì)
線路道岔電子檢測(cè)尺的功能包括兩項(xiàng)：軌距和水平度，該儀器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由數(shù)字傾角（角度）傳感器、高精度位移測(cè)量傳感器、單片機(jī)及外圍電路、橫尺、直擋、測(cè)量滑塊、和液晶顯示器等部分構(gòu)成。其中高精度位移測(cè)量傳感器和測(cè)量滑塊用于測(cè)量軌距。軌距由兩部分構(gòu)成，一部分是橫尺上的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度部分s1（該部分為固定值），另外一部分是以標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度末端a點(diǎn)為起點(diǎn)的測(cè)量長(zhǎng)度s2（該部分由高精度位移測(cè)量傳感器測(cè)量得到），總的軌距s=s1+s2。考慮到溫度的影響，單片機(jī)自帶溫度傳感器，用來(lái)補(bǔ)償溫度對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。橫尺上的數(shù)字傾角（角度）傳感器測(cè)量橫尺的水平度（角度），通過(guò)角度和軌距可測(cè)量左右軌的高差。液晶顯示部分顯示軌距、左右軌高差和時(shí)間等信息，相關(guān)數(shù)據(jù)可以保存在儀器中，也可通過(guò)rs232接口與計(jì)算機(jī)通訊讀出來(lái)形成匯總，在計(jì)算機(jī)中保存、打印相關(guān)數(shù)據(jù)。
線路道岔電子檢測(cè)尺主要通過(guò)位移傳感器和數(shù)字傾角（角度）傳感器對(duì)鋼軌的軌距、水平度進(jìn)行測(cè)量。傳感器信號(hào)通過(guò)rs232接口和特殊功能計(jì)數(shù)器后進(jìn)入單片機(jī)，單片機(jī)計(jì)算出軌距后，再由傾角傳感器測(cè)量的傾角與軌距這兩組數(shù)據(jù)，根據(jù)正弦函數(shù)算出兩軌道相差高度。單片機(jī)把這兩組數(shù)據(jù)與設(shè)定的門(mén)限值進(jìn)行比較來(lái)判斷測(cè)量點(diǎn)是否合格。液晶屏顯示輸出數(shù)據(jù)結(jié)果，鍵盤(pán)可以設(shè)定門(mén)限值、所測(cè)點(diǎn)的位置，并具備刪除和保存數(shù)據(jù)等功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖2。
數(shù)字傾角（角度）傳感器
數(shù)字傾角（角度）傳感器利用重力對(duì)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(zhǎng)、寬動(dòng)態(tài)范圍、高穩(wěn)定性、*抗沖擊性等特點(diǎn)。
數(shù)字傾角（角度）傳感器通過(guò)rs232與單片機(jī)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(yīng)豎直安裝，安裝面與垂直面的夾角不大于2°。安裝示意圖見(jiàn)圖3。
c8051f060單片機(jī)
為了減少外圍器件、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，采用自帶溫度傳感器的c8051f060器件，它是*集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)mcu芯片，使用cygnal的cip-51微控制器內(nèi)核，cip-51與mcs-51指令集*兼容。c8051f060內(nèi)部有1個(gè)smbus/i2c接口、2個(gè)具有增強(qiáng)型波特率配置的全雙工uart和1個(gè)增強(qiáng)型spi接口，每種串行總線*由硬件實(shí)現(xiàn)，都能向cip-51產(chǎn)生中斷。c8051f060具有五個(gè)通用的16位定時(shí)器；具有6個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器數(shù)組；具有片內(nèi)看門(mén)狗定時(shí)器、vdd監(jiān)視器、時(shí)鐘振蕩器。c8051f060是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件使能/禁止和配置。flash存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場(chǎng)更新8051固件。
c8051f060有大量的數(shù)字資源需要通過(guò)4個(gè)低端i/o端口p0、p1、p2和p3才能使用。p0、p1、p2和p3中的每個(gè)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(gè)數(shù)字外設(shè)或功能（例如：uart0或int1）。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者控制數(shù)字功能的引腳分配，只受可用引腳數(shù)的限制。這種資源分配的靈活性是通過(guò)使用優(yōu)先權(quán)交叉開(kāi)關(guān)譯碼器實(shí)現(xiàn)的。不管引腳被分配給一個(gè)數(shù)字外設(shè)或是作為通用i/o，總是可以通過(guò)讀相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器得到端口i/o引腳的狀態(tài)。
優(yōu)先權(quán)交叉開(kāi)關(guān)譯碼器按優(yōu)先權(quán)順序?qū)⒍丝?~3的引腳分配給器件上的數(shù)位外（uart、smbus、pca、定時(shí)器等）。端口引腳的分配順序從p0.0開(kāi)始，可以一直分配到p3.7。當(dāng)交叉開(kāi)關(guān)配置寄存器xbr0、xbr1、xbr2和xbr3中外設(shè)的對(duì)應(yīng)使能位被設(shè)置為邏輯1時(shí)，交叉開(kāi)關(guān)將端口引腳分配給外設(shè)。端口0～3中所有未被交叉開(kāi)關(guān)分配的引腳都可以作為通用i/o（gpio）引腳，通過(guò)讀或?qū)懴鄳?yīng)的端口數(shù)據(jù)寄存器訪問(wèn)，這是一組既可以按位尋址也可以按字節(jié)尋址的sfr。被交叉開(kāi)關(guān)分配的那些端口引腳的輸出狀態(tài)，受使用這些引腳的數(shù)字外設(shè)的控制。向端口資料寄存器（或相應(yīng)的端口位）寫(xiě)入時(shí)對(duì)這些引腳的狀態(tài)沒(méi)有影響。
c8051f060單片機(jī)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(lái)與數(shù)字傾角（角度）傳感器進(jìn)行通訊。uart0是一個(gè)具有幀錯(cuò)誤檢測(cè)和地址識(shí)別硬件的增強(qiáng)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(shù)據(jù)被暫存于一個(gè)保持寄存器中，這就允許uart0在軟件尚未讀取前一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的情況下開(kāi)始接收第二個(gè)輸入數(shù)據(jù)字節(jié)。一個(gè)接收覆蓋位用于指示新的接收數(shù)據(jù)已被鎖存到接收緩沖器，而前一個(gè)接收數(shù)據(jù)尚未被讀取。對(duì)uart0的控制和訪問(wèn)是通過(guò)相關(guān)的特殊功能寄存器即串行控制寄存器（scon0）和串行數(shù)據(jù)緩沖器（sbuf0）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。用同一個(gè)sbuf0地址可以訪問(wèn)發(fā)送寄存器和接收寄存器。讀sbuf0將自動(dòng)訪問(wèn)接收寄存器，而寫(xiě)sbuf0自動(dòng)訪問(wèn)發(fā)送寄存器。uart0可以工作在查詢或中斷方式，它有兩個(gè)中斷源：一個(gè)發(fā)送中斷標(biāo)志ti0（scon0.1，數(shù)據(jù)字節(jié)發(fā)送結(jié)束時(shí)置位）和一個(gè)接收中斷標(biāo)志ri0（scon0.0，接收完一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后置位）。
c8051f060單片機(jī)的p0.2被配置為uart1的tx1，p0.3引腳被配置為uart1的rx1，uart1用來(lái)與上位pc機(jī)進(jìn)行通訊。對(duì)uart1的控制基本與uart0相同。
c8051f060單片機(jī)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(diǎn)復(fù)位信號(hào)，減少由于多次來(lái)回運(yùn)動(dòng)造成的累積測(cè)量誤差。/int0被配置為下降沿觸發(fā)輸入。
c8051f060單片機(jī)的p0.5被配置為定時(shí)器/計(jì)數(shù)器3的計(jì)數(shù)輸入腳（t3），接收位移傳感器的位移脈沖。p0.6被配置為定時(shí)器/計(jì)數(shù)器3計(jì)數(shù)方向控制腳（t3ex），用來(lái)判斷位移傳感器的移動(dòng)方向。c/t3位被置1時(shí)，將定時(shí)器配置為計(jì)數(shù)器方式（即在t3輸入引腳上的負(fù)跳變使計(jì)數(shù)器/定時(shí)器的寄存器加1或減1）。定時(shí)器配置寄存器中的減1使能位（dcen3）被置1，定時(shí)器可以向上或向下計(jì)數(shù)。當(dāng)dcen3=1時(shí)，定時(shí)器的計(jì)數(shù)方向受t3ex引腳上的邏輯電平的控制。當(dāng)t3ex=1時(shí)，計(jì)數(shù)器/定時(shí)器向上計(jì)數(shù)；當(dāng)t3ex=0時(shí)，計(jì)數(shù)器/定時(shí)器向下計(jì)數(shù)。t3ex必須在數(shù)字交叉開(kāi)關(guān)中被使能并且被配置為數(shù)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(cè)量工具。dc20型光柵尺采用雙層防護(hù)膠條密封，可保證*的密封性能。讀數(shù)頭滾動(dòng)系統(tǒng)采用450式五軸承滾動(dòng)系統(tǒng)，保證光學(xué)感應(yīng)系統(tǒng)能長(zhǎng)期穩(wěn)定地在光柵尺上順暢滑行以及它高等級(jí)的測(cè)量精度。
位移傳感器輸出信號(hào)波形見(jiàn)圖4。
調(diào)試電路
c8051f060的片內(nèi)jtag調(diào)試電路允許使用安裝在zui終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品進(jìn)行非侵入式（不占用片內(nèi)資）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察并修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察點(diǎn)、單步及行和停機(jī)命令。在使用jtag調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。jtag接口使用mcu上的4個(gè)引腳（tms、tck、tdi、tdo）。
萬(wàn)年歷時(shí)鐘芯片電路
每次測(cè)量后記錄測(cè)量時(shí)間，以便在上位pc機(jī)形成報(bào)表。ds1302是美國(guó)dallas公司推出的一種高性能、低功耗、帶ram的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，它可以對(duì)年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.5v～5.5v。ds1302內(nèi)部有一個(gè)31×8的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的ram寄存器。采用三線接口與cpu進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或ram數(shù)據(jù)。
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(cè)量的數(shù)據(jù)保存在eeprom中。at24c512是atmel公司推出的具有i2c總線容量達(dá)512kbit（64k×8）的eeprom，該芯片的主要特性如下：存儲(chǔ)容量為65536byte；與100khz、400khz、1mhzi2c總線兼容；100000次編程/擦寫(xiě)周期；單電源、讀寫(xiě)電壓為1.8v~5.5v；esd保護(hù)電壓>4kv；數(shù)據(jù)可保存40年；寫(xiě)保護(hù)功能，當(dāng)wp為高電平時(shí)，進(jìn)入寫(xiě)保護(hù)狀態(tài)；cmos低功耗技術(shù)，zui大寫(xiě)入電流為3ma；128byte頁(yè)寫(xiě)入緩存器；自動(dòng)定時(shí)的寫(xiě)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(jiàn)圖6。
rs232電平轉(zhuǎn)換電路
max232是單電源雙rs232發(fā)送/接受芯片，采用單一+5v電源供電，只需外接4個(gè)電容，便可構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)的rs232通信接口。單片機(jī)和計(jì)算機(jī)、數(shù)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(zhuǎn)部分電路，產(chǎn)生v+、v-電源供eia電平轉(zhuǎn)換使用，c7是vcc對(duì)地去藕電容，其值均為0.1μf