基于51单片机的驼峰轨道电路电流测试系统

2010年9月第46卷第9期铁道通信信号RAILWAYSIGNALLINGC0MMUNICATIONSEPTEMBER2010VO146NO9基于51单片机的驼峰轨道电路电流测试系统糜元根李岗摘要设计一种采用51单片机和ADC0809构成的驼峰直流23轨道电路电流测试系统，该系统能够测量多路的直流电流量，通过数码管本地显示测试数据。也可经串口向PC机传递测试数据。关键词51单片机；直流电流测试；驼峰场ABSTRACTTHEDESIGNOFASYSTEMFORTESTINGDCELECTRONICCURRENTOF23TRACKCIRCUITATHUMPYARDWITH51SINGLECHIPMICROCOMPUTERANDADC0809ISGIVENSUCHASYSTEMCANTESTMULTIPLEXDCELECTRONICCURRENTANDCANDISPLAYELECTRONICCURRENTDATAONLOCALLEDANDPASSTESTINGDATATOAPCTHROUGHSERIALPORTKEYWORDS51SINGLECHIPMICROCOMPUTER；TESTINGDCELECTRONICCURRENT；HUMPYARD驼峰23直流闭路式轨道电路的电流调整值对溜放作业安全极为重要。过低的电流值易使轨道电路误报有车占用，影响作业效率；而当电流值过高时，空车进入道岔区段易形成轨道区段分路不良，道岔在有车辆占用时误动作，从而发生溜放车辆脱轨事故。轨道电路电流值人工测试时十分不便，而基于51单片机的驼峰轨道电路电流测试系统可以满足其测试标准的要求，且整体造价十分低廉，适用于未安装微机监测的中小型驼峰场，可减轻现场作业人员的测试负担。1基本功能该系统内嵌时钟，不测试时显示时间，每天上午730通常为站场停轮点，根据具体站场作业安排，该时间可设置自动测试所有轨道区段；可通过按键在任意时刻测试全部区段并查看测试结果；也可实时监测某一个区段，动态检查轨道电流变化，查看车辆占用时的残流值。系统在测试时对站场作业无任何影响。测试系统使用直流电流传感器采集轨道电路电流值，传感器使用制作好的成品电路板，从其输出端子得到一个05V电压值，校准测试精度时可对传感器输出端的可调电阻进行调整。本文主要讨论传感器以后部分的软硬件实现。系统测试电流范围0510MA，最小测试精度为2MA。南京工业大学电子与信息工程学院副教授，211816南京料南京工业大学电子与信息工程学院硕士研究生，211816南京收稿日期201003152硬件构成硬件电路设计主要包括51单片机系统、ADC0809转换电路、输出显示电路、按键控制电路等，硬件框图如图1所示。图1硬件总体框图21系统硬件综述采用51单片机，配合8位8通道AD转换芯片ADC0809及8片CIM051构成本测试系统。51单片机内部有8KBFLASHMEMORY。256BONCHIPRAM，具有2级中断优先级，能够满足测试系统的需要。PO口为数码管的输出显示和ADC0809转换数据输入复用；P1口用于CD4051和ADC0809的内部输入通路选择，其中P16连接8片CD4051的片选，测试时打开所有CD4051，需扩充输入通路时，PI6和P17可连接24译码器用于片选4组8片CD4051，最大可测试256路输入；P2口用于按键输入；P30和P31用于串行通信，上传测试数据到上位机，P36用于启动ADC0809的转换，P37用于打开ADC0809三态门读出转换数据，P33一P35连接74LS138用于8个数码管动态驱一33一一籼黜用一晾懿一一一一一一一一一制一铁道通信信号2010年第46卷第9期动，P32用于按键中断。测试系统区段名称表和电流查询表采用UNSIGNEDINTCODE类型的存储方式，测试通路地址表采用UNSIGNEDCHARCODE类型的存储方式，存储电流数据表采用UNSIGNEDINTIDATA类型的存储方式。系统原理图如图2所示。22ADC0809转换电路以最常用的ADC0809作为测试接口进行模数转换。ADC0809是一种8位AD转换芯片，片内带有锁存功能的模拟多路开关，可对8路05V的输入模拟电压信号分时进行转换，完成一次转换需01ILLS，片内具有多路开关的地址译码和锁存电路，输出具有1TRL三态锁存缓冲器，可直接挂到单片机数据总线上。51单片机的ALE经D触发器CD4013二分频后连接ADC0809的CLK端口，为其提供工作时钟信号；ADC0809的ALE和START连接P36，由P36的上升沿完成输入地址锁存及内部寄存器清零，P36的下降沿开始转换；OE连接P37，转换完成后P37高电平打开片内的三态锁存缓冲器，从P0口读人数据，因采用延迟读取法，EOC悬空。CIM051是8通道数字控制模拟开关，有3个二进制控制输入端A0、A1、A2和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。这些开关电路具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。当INH输入端“1”时，所有的通道截止。3位二进制信号选通8通道中的1个通道，可连接该输入端至输出。测试时8片CIM051的INH均由P16的低电平导通其中某个通道。23输出显示电路及按键控制电路由于51单片机IO口较少，采用动态扫描法驱动8位七段共阳极数码管用于显示时间、区段名与电流值，只需10个IO口便可满足要求。PO口连接数码管的七段显示管脚，P33一P35连接74LS138，使用其07号输出端口实现数码管的驱动扫描。建立UNSIGNEDCHAR型输出缓存BUFFER，分别对应8个数码管，用于存储输出码。测试系统共设置8个按键，分别用于设置时间、测试、查看测试数据和上传测试数据。8个按键通过74LS30八输人与非门后，经74LS04反向输入到51单片机INT0中断接口P32，INTO设置为低电平触发，当有任意按键按下时触发INT0中断，中断处理程序经20MS键抖动延迟后，查询到P2口的8个IO口中的某一个输入了低电平，确定对应按键按下，并调用其按键处理程序。图2测试系统原理图RAILWAYSIGNALLINGC0MMUNICAN0NVO146NO920103软件构成软件在KEIL平台下用C语言进行编写和调试，软件系统在初始化单片机及周边芯片后，使用一个无限循环使系统工作在等待中断状态，通过中断调用函数完成各项功能。设置定时中断的优先级高于按键中断，以确保计时的准确性，全场测试时屏蔽按键中断。软件框架如图3所示。电流测试系统定时中断处理模块图3软件主体结构框架31定时中断单片机的定时器0被设置工作在方式1，设定时间为2MS，2MS为系统工作的最小基准时间，中断时完成以下几项工作。1对定时器重新赋值，更新时、分、秒计数，完成500次2MS中断则秒数加1，并调整分钟数和小时数。2用显示缓存区内容对8个数码管进行动态输出。每个2MS中断刷新一个数码管，16MS完成对所有8个数码管的一次刷新显示，在实验板上验证时输出无闪烁现象。每计时1S依据系统状态更新显示缓存区内容。3如系统当前工作在测试态，则从P0口读取测试数值并处理。4依据系统状态上传测试数据到上位机。32按键中断共设置了8个按键用于对系统控制，按键功能如下。1时间设置键更改当前时间。每按下一次按键，在正常显示与修改小时、分、秒4种状态中循环转换。2加一、减一按键设置时间状态时用于更改时间的数值，在单区段测试时用于选择要测试的区段。3全场测试按键系统按顺序逐个测试所有区段并保存测试结果，测试完成后保存测试时间并退出全场测试状态。4单区段测试按键实时测试选择某个区段的电流值，并显示在数码管上，用于监测该区段的电流动态变化，测试值不保存，再次按下退出单区段测试状态。5查看按键显示最近一次的全场测试数值，按顺序每个区段显示3S，所有区段显示完成后，显示测试时间，再次按下退出查看状态。6全场测试数值上传按键通过串口向上位机上传全场测试数值，传送完毕后退出该状态。7单区段测试数值上传按键通过串口向上位机上传选中的某区段电流实时变化值，再次按下退出数据上传。33测试功能的实现一个区段的测试工作分为输人通路的选择和采集的数字量转换成电流值二部分。鉴于51单片机的数值运算能力有限，采用查表的方式完成上述二方面工作。测试区段输入需经过ADC0809片内通路选择和对应的CD4051输入通路的选择，P10一P12用于ADC0809的片内通路选择，P13一P15实现CD4051片内输入通路的选择，P16低电平打开8片CD4051的输入输出通路，即64个区段的任意一区段的测试选择只需对PL口赋值便可完成256个区段时也可只通过P1口完成其中一路输入的选择，建立起始地址为ADDRESS，字长一字节长度64的输入查询表，按顺序存人每个区段的输入通路的控制数值，测试某区段时直接查询ADDRESS表并赋值于P1寄存器即可完成输入通路的选择。如P1ADDRESS区段序号。ADC0809与51系列单片机的硬件接口采用等待延时方式，ADC0809完成一次AD转换时间约为100S。系统工作在全场测试时，每次2MS中断读取上一次设置的通路的转换数据，并设置下一个测试通路，2次中断间隔2MS可以完成一次AD转换，所有区段全部测试完毕后，清除测试状态位；单区段测试时，每计时1S读取转换数据并把结果送人输出缓存用于显示。ADC0809转换的数据结果为0255，占用1个字节，对应的电流值为0510MA，通过查表实现数字量向电流值的转换。建立起始地址为CURRENT、字长2字节、长度256的电流值查询表，内容为0510最小精度2MA。如电流值CURRENTP0。一352010年9月第46卷第9期铁道通信信号RAILWAYSIGNALLINGCOMMUNICAT10NSEPTEMBER2010VO146NO9站内电码化电路掉码故障分析黄基华湘桂线某站，2个月内相继出现了同一接车进路2次机车信号掉码故障，而其余时间设备均能正常工作，无故障情况反映。对此，经过多次现场试验核实查找，最终排除了设备隐患。现将这次故障处理过程分析如下。1车站情况介绍如图1所示，该车站是一个区间自动闭塞结合车站，上、下行接车及发车进路全部纳入ZPW一2000A型电码化电路，正线接车进路依出发信号显示进行编码，发车进路依自闭区间离去区段列车占用情况进行编码。站内ZPW2000A型N1电码化电路设计是按站内全部发送盒共用一套N1冗余方式。2故障分析第1次故障发生是当下行列车进入进站信号机南宁电务段信号技术科助理工程师，530003南宁收稿日期20100401内方5DG区段时，列车收不上地面移频信号发送的LU码。在进入股道内方将要到出发信号机前方时，收上LU码，设备恢复正常；第2次为下行列车进人IG内大约20M处收不上LU码，直至越过X信号机后才收到码设备恢复正常。由于不是新开通车站，在第1次发生掉码故障后，处理人员误认为是轨道区段内人口电流小而造成掉码，测试的机车人口电流为1000MA，无异常情况。当第2次发生设备掉码后，结合第1次掉码故障进行合并分析处理，并通过微机监测系统对故障时的列车运行情况进行回放分析，发现了2次设备故障的共性。第1次发生掉码是X信号机显示LU灯，车站值班员刚开放S信号机，而此时S2LQG上行第2离去区段有车占用，S显示1个U灯，当下行列车进入IG内方不久，S2LQG轨道车列出清了，S显示了LU灯，下行列车收上的是LU码。第2次掉码是下行列车运行到IG内方，X信号机也显示LU灯，车站值班员也正好开放S信号机，而此时的情况与第1次一样，S2LQG仍有车占用，S信号机显示的也是1个U34数据上传测试系统通过串口向上位机传递测试结果，使用MAX232专用芯片作RS232TIL电平转换，PC机使用超级终端或串口助手等工具实现数据接收，单片机串行通信使用查询方式，每发送一个数据后查询11，再发送下一个数据。上传全场测试数据时在每次2MS中断上传一组数据，单个区段测试时每个整秒传递一组测试数据，每组数据包含区段名、电流值、空格和换行码。4结束语本文介绍了驼峰轨道电路电流测试系统的软硬件组成及实现原理，此系统对既有的联锁设备无需做任何改动，且只需把直流传感器改为交流传感器便可完成交流23驼峰轨道电路测试。也可对该系统进行二次开发，在上位机建立数据库存储串口上传的测试数据，方便进一步的查询、比较、打印等。参考文献1李群芳，张士军单片微型计算机与接口技术M第三版北京电子工业出版社，20082唐继贤51单片