基于數(shù)字傾角(角度)傳感器的線路道岔電子檢測(cè)尺設(shè)計(jì)

　　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。

　　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，可用專用軟件查詢分析所有測(cè)量數(shù)據(jù)，并可打印報(bào)表。

　　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?？紤]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，鍵盤可以設(shè)定門限值、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、超強(qiáng)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，它是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，使用Cygnal的專利 CIP-51微控制器內(nèi)核，CIP-51與MCS-51指令集完全兼容。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，每種串行總線完全由硬件實(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開始，可以一直分配到P3.7。當(dāng)交叉開關(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）寫入時(shí)對(duì)這些引腳的狀態(tài)沒(méi)有影響。