基于數字傾角(角度)傳感器的線路道岔電子檢測尺設計

　　引言

　　線路道岔電子檢測尺是列車運行安全的重要保障，其主要用途是測量軌道的軌距、水平度，目的是為了預防因外界環(huán)境溫度的影響而使鋼軌狀態(tài)變形。此外，它也可消除人工機械式測量帶來的誤差大、工作效率低等不良因素，從而進一步提高鐵路安全保障措施。

　　本文所設計的系統(tǒng)可以測量標準軌距為1435mm軌道的水平度、軌距，可實現自動檢測、自動存儲。通過RS232接口與計算機數據通信后，可用專用軟件查詢分析所有測量數據，并可打印報表。

　　系統(tǒng)工作原理及硬件設計

　　線路道岔電子檢測尺的功能包括兩項：軌距和水平度，該儀器的結構如圖1所示，由數字傾角(角度)傳感器、高精度位移測量傳感器、單片機及外圍電路、橫尺、直擋、測量滑塊、和液晶顯示器等部分構成。其中高精度位移測量傳感器和測量滑塊用于測量軌距。軌距由兩部分構成，一部分是橫尺上的標準長度部分 s1（該部分為固定值），另外一部分是以標準長度末端A點為起點的測量長度s2（該部分由高精度位移測量傳感器測量得到），總的軌距s=s1+s2?？紤]到溫度的影響，單片機自帶溫度傳感器，用來補償溫度對測量數據的影響。橫尺上的數字傾角(角度)傳感器測量橫尺的水平度（角度），通過角度和軌距可測量左右軌的高差。液晶顯示部分顯示軌距、左右軌高差和時間等信息，相關數據可以保存在儀器中，也可通過RS232接口與計算機通訊讀出來形成匯總，在計算機中保存、打印相關數據。

　　線路道岔電子檢測尺主要通過位移傳感器和數字傾角(角度)傳感器對鋼軌的軌距、水平度進行測量。傳感器信號通過RS232接口和特殊功能計數器后進入單片機，單片機計算出軌距后，再由傾角傳感器測量的傾角與軌距這兩組數據，根據正弦函數算出兩軌道相差高度。單片機把這兩組數據與設定的門限值進行比較來判斷測量點是否合格。液晶屏顯示輸出數據結果，鍵盤可以設定門限值、所測點的位置，并具備刪除和保存數據等功能。系統(tǒng)設計框圖見圖2。

　　數字傾角(角度)傳感器

　　數字傾角(角度)傳感器利用重力對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、寬動態(tài)范圍、高穩(wěn)定性、超強抗沖擊性等特點。

　　數字傾角(角度)傳感器通過RS232與單片機接口。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。傳感器應豎直安裝，安裝面與垂直面的夾角不大于2°。安裝示意圖見圖3。

　　C8051F060單片機

　　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，它是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，使用Cygnal的專利 CIP-51微控制器內核，CIP-51與MCS-51指令集完全兼容。C8051F060內部有1個SMBUS/I2C接口、2個具有增強型波特率配置的全雙工UART和1個增強型SPI接口，每種串行總線完全由硬件實現，都能向CIP-51產生中斷。C8051F060具有五個通用的16位定時器；具有6個捕捉/比較模塊的可編程計數器/定時器數組；具有片內看門狗定時器、VDD監(jiān)視器、時鐘振蕩器。C8051F060是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。所有模擬和數字外設均可由用戶固件使能/禁止和配置。FLASH存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數據存儲，并允許現場更新8051固件。

　　C8051F060有大量的數字資源需要通過4個低端I/O端口P0、P1、P2和P3才能使用。P0、P1、P2和P3中的每個引腳既可定義為通用的端口I/O（GPIO）引腳，又可以分配給一個數字外設或功能（例如：UART0 或INT1）。系統(tǒng)設計者控制數字功能的引腳分配，只受可用引腳數的限制。這種資源分配的靈活性是通過使用優(yōu)先權交叉開關譯碼器實現的。不管引腳被分配給一個數字外設或是作為通用 I/O，總是可以通過讀相應的數據寄存器得到端口 I/O 引腳的狀態(tài)。

　　優(yōu)先權交叉開關譯碼器按優(yōu)先權順序將端口0~3的引腳分配給器件上的數位外（UART、SMBus、PCA、定時器等）。端口引腳的分配順序從P0.0開始，可以一直分配到P3.7。當交叉開關配置寄存器 XBR0、XBR1、XBR2和XBR3中外設的對應使能位被設置為邏輯1時，交叉開關將端口引腳分配給外設。端口0～3中所有未被交叉開關分配的引腳都可以作為通用I/O（GPIO）引腳，通過讀或寫相應的端口數據寄存器訪問，這是一組既可以按位尋址也可以按字節(jié)尋址的SFR。被交叉開關分配的那些端口引腳的輸出狀態(tài)，受使用這些引腳的數字外設的控制。向端口資料寄存器（或相應的端口位）寫入時對這些引腳的狀態(tài)沒有影響。