I2C總線和SD卡設(shè)計的火車輪軸承溫度采集系統(tǒng)

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)行的過程中不斷記錄溫度與時間信息，并實(shí)時地把相關(guān)信息存儲到SD卡中。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。現(xiàn)有的軸承溫度采集系統(tǒng)大都不能實(shí)時采集溫度信息，而且不能大量保存相關(guān)信息供人們分析。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理

火車輪軸承溫度采集系統(tǒng)的工作原理是，各測量點(diǎn)通過溫度傳感器獲取軸承溫度信息，隨后通過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)行超溫報警等動作，同時把數(shù)據(jù)存儲在SD卡中，以便查詢。該系統(tǒng)以S3C2440A為主控制器，外部各個溫度傳感器直接掛接在I2C總線上，就可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)對傳感器數(shù)據(jù)的采集，從而簡化了硬件電路。同時利用S3C2440處理器速度快的特點(diǎn)，可以實(shí)時對溫度進(jìn)行采集，并且可以高速地存儲大量溫度信息。通過時鐘芯片，還可以記錄對應(yīng)時刻各測量點(diǎn)溫度的情況。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

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)對速度的要求。在溫度測量方面，選取DS18B20數(shù)字溫度傳感器，它的精確度很好地滿足了設(shè)計需要，價格較低，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I／O口，簡單方便地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集。時鐘芯片：DS1302還為系統(tǒng)提供了準(zhǔn)確時間信息，可讓人們準(zhǔn)確了解具體時刻各測量點(diǎn)的溫度信息。該部分的示意圖如圖1所示。



系統(tǒng)采用SD卡來擴(kuò)展存儲器。在該系統(tǒng)中，SD卡用于存儲大量的信息，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)計帶來了方便。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

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

3.1傳感器數(shù)據(jù)的采集

考慮到系統(tǒng)對溫度采集實(shí)時性的要求，系統(tǒng)每隔100ms采集1次溫度傳感器的數(shù)據(jù)，并不間斷地對整組測量點(diǎn)進(jìn)行輪流采集，確保讓每個測量點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)能及時地被主機(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

此模塊軟件的主要任務(wù)是處理采集的數(shù)據(jù)并存儲數(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℃，將啟動報警程式，并可以根據(jù)溫度的變化趨勢采取相應(yīng)的預(yù)防措施。同時，在每次讀取傳感器數(shù)據(jù)的過程中記錄此刻的時間，軟件將保存本次采集的溫度和時間信息。當(dāng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)出時，可以清晰地看到各個時刻所對應(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

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簡單。程序中定義相關(guān)寄存器如下：