磁場效應的火車道報警信息采集系統(tǒng)設計

　　1 引言

　　隨著社會經(jīng)濟生活對鐵路運輸?shù)男枨蠛涂茖W技術的不斷發(fā)展，鐵路運輸?shù)哪芰θ找嫣岣撸瑢﹁F路運輸安全的要求也就更高。然而，伴隨全路五次提速的實施，道口的安全隱患也越來越突出，已經(jīng)成為鐵路運輸安全和鐵路運輸能力的瓶頸。道口監(jiān)測報警裝置在降低道口事故率，防護道口安全方面有著非常積極的意義。但從目前的研究成果和實際應用來看，大多采用軌道電路式、機械式，少部分采用多普勒雷達式和聲接收式。性能上各有優(yōu)缺點，在成本和體積上也不盡相同。

　　本文采用磁阻傳感器，根據(jù)磁場效應，設計了一種火車道報警信息采集裝置，并給出其軟硬件的設計方法。

　　2 系統(tǒng)工作原理

　　通電導體在磁場中電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁致電阻效應。對于鐵、鈷、鎳及其合金，如果把這類金屬做成薄膜帶狀導線，當有電流通過時，其阻值發(fā)生變化，變化值的大小因內(nèi)外兩磁場合成磁化方向與電流流向的相對關系而異，趨于同向則增大；反之減小[1]。如圖1中所示，將四個坡莫合金(permalloy)組成一個惠斯通電橋(wheatstone bridge)，則電阻阻值的變化將外加磁感應強度轉換成差分電壓輸出[2]。

　　大型鐵磁物體，如火車，可看成多個南北極磁鐵組成的模型。當火車經(jīng)過時，則會引起地磁場的擾動，其綜合影響是對地磁場磁力線造成扭曲和畸變。傳感器處于該變化的磁場中時，由磁阻效應可知，傳感器的差分輸出端將會有變化的電壓產(chǎn)生，而這即是本系統(tǒng)用來檢測火車的理論依據(jù)。

圖1 磁阻傳感器原理圖

3 系統(tǒng)硬件設計

　　火車道報警信息采集系統(tǒng)硬件部分主要由數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成。其中數(shù)據(jù)采集模塊負責磁場信號的采集工作，其主要的核心為磁阻傳感器。當列車接近磁阻傳感器時，傳感器將采集到的磁場變化信號，經(jīng)過信號放大和a/d轉換環(huán)節(jié)，轉換成離散的數(shù)字信號，傳送至微控制器(單片機)。數(shù)據(jù)處理模塊主要部件是單片機。單片機負責對各個芯片的時序控制，同時為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，還需對采集到的數(shù)據(jù)進行濾波處理，然后才能發(fā)送至串口端，由通信設備進行讀取。本系統(tǒng)的硬件設計框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件設計框圖

　　3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

　　本系統(tǒng)中，磁阻傳感器選用的是honeywell公司生產(chǎn)的hmc1051z單軸磁阻傳感器。hmc1051z具有很寬的角度范圍，在±45°內(nèi)具有0.07°的分辨率，靈敏度為1.0mv/v/高斯，在5伏電源供電時有120mv的滿量程輸出。內(nèi)部無移動部件，固有阻抗小，抗電磁噪聲和干擾能力強，且內(nèi)置置位/復位帶，可減小溫度漂移、非線性誤差以及在高磁場環(huán)境中對輸出信號造成的影響。而片內(nèi)偏置電路則可消除磁場失真的影響[3]。

　　lm358運放配合2個4.99kω、2個1.00mω的電阻以及一個150pf的電容可構成帶有低通濾波器的放大電路，其增益為200，帶寬約1khz，實現(xiàn)對傳感器輸出信號的放大和硬件濾波。

　　a/d轉換器采用分辨率為8位的adc0804模數(shù)轉換器對放大后的信號進行模數(shù)轉換。

　　3.2 數(shù)據(jù)處理模塊

　　atmel公司的at89c51單片機與mcs-51的指令系統(tǒng)和引腳是兼容的，且自帶4kb的e2rom。但為了將來的升級和功能擴展需要，這里對at89c51的存儲器進行了擴展。程序存儲器at28c64和數(shù)據(jù)存儲器hm6264lp-70均為8kb的容量，用p0.0～p0.7和p2.0～p2.4提供13位地址，74ls373對其低8位地址進行鎖存。利用p2.5和p2.6對這兩存儲器進行線選。

　　由于需將信號發(fā)送至db-9串口連接器，這里采用max232進行ttl和rs-232電平間的轉換。將max232的t1in引腳接at89c51的串行發(fā)送引腳txd，r1out接at89c51的串行接收引腳rxd；與之對應的r1in、t1out接9針串口連接器(db-9)相應的rxd(2號針腳)和txd(3號針腳)。

4 系統(tǒng)軟件設計

　　本系統(tǒng)的軟件設計部分主要為a/d轉換子程序以及數(shù)據(jù)處理子程序的設計，并采用keil μvision2開發(fā)工具進行開發(fā)。

　　4.1 a/d轉換子程序

　　a/d轉換子程序流程圖如圖3所示。首先令(本次設計端已接地)為低電平，啟動adc0804，查詢中斷0后，在上升沿后100μs模數(shù)轉換完成，并將結果存入數(shù)據(jù)鎖存器，在為低電平時將數(shù)據(jù)信號送至p1口。

圖3 a/d轉換子程序流程圖

　　4.2 數(shù)據(jù)處理子程序

　　本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理子程序是對采集后的數(shù)據(jù)進行抗干擾處理，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。流程圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理子程序流程圖

　　數(shù)據(jù)處理子程序采用恒定閾值結合動態(tài)基值的算法來實現(xiàn)系統(tǒng)的抗干擾能力，即最近一次的采集數(shù)據(jù)與基值相減，并對相減后的值進行判斷，大于閾值則記錄，當記錄到一定次數(shù)時，此時可認定火車已經(jīng)來到；基值的大小可根據(jù)周圍磁場的變化來實現(xiàn)實時更新。按照此算法編寫的程序一方面能達到系統(tǒng)自適應的目的，另一方面也可自由設定(閾值大小和基值采樣次數(shù))抗