机车轴温装置使用中出现的问题的改进

毕业设计（论文）题目： 机车轴温装置使用中出现的问题的改进 系 部 ：机车车辆系专 业：铁道机车车辆学生姓名： 张 凯学 号：23号指导教师：陈友伟、杨翠青 2013 年 4 月 30日 题 目：_机车轴温装置使用中出现的问题的改进_系 部： 机车车辆系 专 业：_铁道机车车辆 _学生姓名： 张凯 学 号： _23号_ _ 指导教师建议成绩： 评阅教师建议成绩： 答辩小组建议成绩： 答辩委员会意见：最终成绩：答辩委员会主席签字： 年 月 日1辽宁铁道职业技术学院毕业设计（论文）任务书题 目：_机车轴温装置使用中出现的问题的改进_适合专业：_铁道机车车辆_ 指导教师（签名）： 提交日期： 2012年 12月 13日系 部： 机车车辆系 专 业：铁道机车车辆_姓 名： _张凯_ _ 学 号：_23号_ _毕业设计（论文）基本内容和要求：针对目前列车轴温探测存在的不足，借助于现代无线传感器网络技术，设计了系统简洁、布局小巧、灵敏度高、收发信息能力快速的高速列车轴温集中监测系统，摆脱了传统有线的传输方式，可实时监测运行中的列车轴承情况，如超过轴温监测预设定值，就发出报警信号，便于及时采取有效措施，有效地降低事故发生率，避免因事故而产生的巨大经济损失。经过实验得到两种载重情况运行列车的轴温数据，分析了提速列车的轴温变化规律，给改进热轴预报提供了数据基础，对维护铁路运输的正常运行和高速铁路的发展具有重要意义。毕业设计（论文）重点研究的问题：借助于现代无线传感器网络技术，设计出系统简洁、布局小巧、灵敏度高、收发信息能力快速的高速列车轴温集中监测系统，摆脱了传统有线的传输方式，可实时监测运行中的列车轴承情况，毕业设计（论文）应完成的工作：1、本次毕业设计（论文）应有参考文献10篇以上。2、图表要求：所有图表、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。参考资料推荐：1何立民主编.单片机高级教程.北京航空航天大学出版社，2000 2陈书开等.单片计算机的硬件软件及应用.中南工业大学出版社，1994 3朱定华、刘玉.单片机原理及接口技术学习辅导.电子工业出版社，2001 4何立民.单片机应用技术选编.北京航空航天大学出版社，1997 其他要说明的问题：2辽宁铁道职业技术学院毕业设计（论文）开题报告题 目：_机车轴温装置使用中出现的问题的改进_ _系 部： 铁道机车系 专 业：_铁道机车车辆_学生姓名： 张凯 学 号： 23号_文献综述：轴温报警装置简介轴温报警 (以下简称轴报 )装置的作用是预防机车重大事故的发生 ,当机车走行部位出现急剧温升时能及时提醒司机采取相应的措施 ,并为机修技术分析提供实时记录资料，而且机车走行部是机车的重要部件，它的状态好坏直接影响铁路运输的安全。其中的轴箱轴承，牵引电机和抱轴瓦（提速车的轮对空心轴轴承）由于故障会不正常发热，如不能及时机车乘务员发现，则会热轴，甚至造成机破，影响机车交路的正常运转，重则造成切轴，车毁人亡，严重影响铁路运输的安全，给国家造成巨大的经济损失。特别是从1997.4.1日期列车全面提速后交路延长，停点减少，主要干线从始发站到终点站钟荐不保留停点，单靠乘务员停站检查已不能适应要求。因此，作为保证铁路运输安全的一项重要措施，对机车轴承温度进行在线实时检测显得十分迫切和必要。JK00430型机车走行部车载监测装置在我段使用以来，成功地预报了多起机车走行部轴承、齿轮、抱轴瓦（抱轴承）及踏面故障，对我段客运机车的安全运用做出了重要贡献。本文介绍了JK00430型机车走行部车载监测装置在我段成功应用的典型案例，并总结了使用经验，使“装置”的使用发挥到新的水平。武昌南机务段自2005起，相继在客运机车上安装北京唐智公司的JK00430型机车走行部车载监测装置（以下简称“装置”）共108台。该装置在保留对轴承温度监测功能的基础上集成了先进的共振解调技术，可对走行部的轴承、齿轮和踏面的故障（损伤）进行诊断，能够比单一的温度监测更早地发现故障。该装置在运行过程中针对检测到的温度、故障信息进行分析处理，现场报警并向乘务员报告，且对运行过程中的检测数据进行自动记录，机车回段后走行部车载监测装置数据下载分析人员持专用数据下载盘将记录的数据转储到电脑中进行地面软件分析。根据所采集的丰富信息，对轴承、齿轮和轮对踏面等走行部部件作出科学的维修决策，指导维修工作进步到状态维修，降低维修成本、延长设备使用寿命、提高经济效益，为机车修制改革提供科学依据。机车轴温报警装置故障检测仪由检测单元、判断单元和手持单元等构成。待测的轴温报警装置检测信号由检测单元接收，而判断单元根据所述检测信号输出故障判断结果，手持单元则根据上述结果对待测轴温报警装置的故障点输出修复信号。该检测仪能够快速定位发生故障的元件和总线，目的性明确的对故障元件进行修复。不仅解决了机车轴温报警装置一直故障率居高不下的难题，也显著了降低了成本。因为以往轴温报警装置出现故障，由于无法精确对故障的元件和总线定位，只能大面积更换元件。显著利用检测仪针对性的修复故障元件，降低了成本。 从当前的应用情况来看，我们按照路局机务处的指导意见（机车走行部车载监测装置管理办法（试行），结合我段段情制订了相应的管理办法，完善了分析考核制度，并把日常分析内容纳入考核。在该装置的日常使用与维护中，我们基本能够满足实际需要，能够对质量问题提出相应的技术措施，并对使用中的软件提出其完善的建议，唐智公司能够比较迅速的做出技术反应及时解决，使该装置的应用达到新的水平。应当说，随着走行部车载监测装置重要性的不断体现，对该装置的正确理解和使用以及专业化集中修是今后完善装置管理的必由之路。在使用过程中，我们总结得出以下经验： 1应按售方提出的安装规范制定安装方案和相应的安装工艺，并严格执行安装工艺。这样不仅能准确地采集到数据，减少其它干扰信息对传感器的影响，而且可避免在行车过程中因振动和其它因素影响系统的可靠性，特别传感器网络的可靠性，从而产生不必要的维护工作量。2加强对乘务人员在机车运用中的培训，按照装置的运用决策进行操作，做到信息的及时交流，并能够对出现的报警问题提出初步的判断。3在技术判断方面，注意总结经验，特别是下载后的数据分析处理经验，根据装置的维修决策，发生一级报警或预警，我们就对机车进行顶轮检测，根据检测结果采用视情维修的决策或进行跟踪处理，着重注意其发展趋势，在必要的时候就要采用落轮维修，以避免机车带重大故障运行。主要参考文献：1何立民主编.单片机高级教程.北京航空航天大学出版社，2000 2陈书开等.单片计算机的硬件软件及应用.中南工业大学出版社，1994 3罗万均、冯子纲.汇编语言程序设计.电子科技大学出版社，1994 4王幸之.8051/8098单片机原理及接口设计.兵器工业出版社，1998 5王福瑞.单片微机测控系统设计大全.北京航空航天大学出版社，1997 6朱定华、刘玉.单片机原理及接口技术学习辅导.电子工业出版社，2001 7王改名、赫苏敏、王忠杰.HD7279A的原理与应用.北京航空航天大学出版社，2001 8何立民. MCS-51系列单片机应用系统设计(系统配置与接口技术). 北京航空航天大学出版社，1990 9徐惠民等.单片微型计算机原理、接口、应用.北京邮电学院出版社，1990 10李朝清编著PC机及单片机数据通信技术.北京航空航天大学出版社，2000 11李华主编MCS-51系列单片机实用接口技术.北京航空航天大学出版社，1993 12蔡美琴等.MCS51单片机系统及其应用.高等教育出版社，1992 13张积东等.单片机51/98开发与应用.电子工业出版社，1994 14陈莉蓉编译. 单片机微型计算机MCS-48 MCS-51应用手册. 北京：电子工业出版社，1986 15余永权等.世界流行单片机手册.北京航空航天大学出版社，2002 16陈福生等.计算机软硬件应基础.同济大学出版社，1993 17刘德贵等.单片微型计算机原理与应用.科学出版社，1989 18何立民.单片机应用技术选编.北京航空航天大学出版社，1997 19MAX3232 datasheet.Rev1.0. Maxim Integrated Product 20何立民主编.单片机中级教程.北京航空航天大学出版社，2000 21胡汉才编著.单片机原理及其接口技术.清华大学出版社，1995 五、研究方案针对目前列车轴温探测存在的不足，借助于现代无线传感器网络技术，设计了系统简洁、布局小巧、灵敏度高、收发信息能力快速的高速列车轴温集中监测系统，摆脱了传统有线的传输方式，可实时监测运行中的列车轴承情况.毕业设计（论文）进度安排：序号毕业设计（论文）各阶段内容时间安排备注1准备参考资料，了解论文要求。第1周2询问老师论文基本内容。第2周3进行论文设计完成开题报告整体规划论文。第3周4完成毕业论文，时刻与老师沟通。第4-6周5论文修改、优化，完成说明书第7-8周6更深层了解论文，做好论文答辩准备。第9周7毕业答辩与综合成绩评定。第10周指导教师意见：开题报告完成较好，文献阅读较为充分，研究方案和进度安排合理得当，毕业设计已具备可行性，同意进行毕业设计（论文）的写作。指导教师签名： 审核日期： 2012 年 12 月 27 日1辽宁铁道职业技术学院毕业设计（论文）指导教师评阅意见题 目： 机车轴温装置使用中出现的问题的改进_系 部： 铁道机车系部 专 业： 铁道机车车辆_学生姓名： 张凯 学 号： 23号_毕业设计（论文）完成情况(包括设计图纸、说明书、实验报告、计算机软硬件、外文翻译及摘要、论文书写及规范化等)评价：毕业设计（论文）成果质量评价意见：学生工作态度和考勤情况评价：开题报告的评定成绩：总成绩：_ 指导教师 (签名)：_ 日期： _年 月 日题 目：_机车轴温装置使用中出现的问题的改进_系 部： 铁道机车系部 专 业： 铁道机车车辆_学生姓名： 张凯 学 号： 23号_ _ _毕业设计（论文）完成情况评价(包括设计图纸、说明书、实验报告、计算机软硬件、摘要、论文书写及规范化等)：毕业设计（论文）成果质量评价意见：开题报告评价意见：评定成绩： 评阅人： 日期： 年 月 日1题 目： 机车轴温装置使用中出现的问题的改进_系 部： 铁道机车系部 专 业： 铁道机车车辆_学生姓名： 张凯 学 号： 23号_毕业设计（论文）完成情况和成果质量（工作量、任务难度、专业理论的运用、综合运用能力、资料的充足与可信情况、成果水平）评价意见：答辩表现评价意见：评定成绩： 答辩组长： 日期： 年 月 日1辽宁铁道职业技术学院毕业设计（论文） 第-43-页摘要为避免高速列车在运行中产生热切轴现象，采用2.4GHz无线通信技术设计了轴温集中监测系统，系统由安装在车轴上的监测节点和监测台组成；监测节点采用ATmega128L作为微控制器，利用温度传感器PT100实现轴温的采集，并通过无线模块nRF24L01实现数据的传输；监测台主要负责集中接收、处理、显示和存储各监测节点发送来的数据；当轴温过高时，报警提醒驾驶员采取紧急措施，避免发生事故；经试验表明，该系统能够准确测量运行列车的轴温状态，给出了实验结果并进行了分析。 关键词：轴温集中监测；列车安全；无线传输目 录摘要I第1章 绪论1机车轴温装置使用中出现的问题的改进.1第2章总体设计3第3章软件设计及编程.15第4章高速列车轴温集中监测系.19第5章朔黄铁路红外线轴温探测设备遭受瞬态过电压损坏情况分析.31工作总结40致谢.42参考文献.43-43- 第1章 绪论机车轴温装置使用中出现的问题的改进机车车辆在运行过程中车轴与轴承之间相互摩擦，容易使轴温升高，温度达到一定程度就会引起燃轴，轻则轴体变形、热轴、固死，造成机破，影响机车的正常运转，重则造成热切轴，车毁人亡，严重影响铁路运输安全，对国家造成巨大的经济损失。对于机车轴承的温度控制不但可以防止火灾，而且对于延长仪器的工作寿命都有着极其重要的作用。为此铁道部于2000年颁发了关于机车轴承温度监测报警装置技术条件（暂行）的通知，对机车轴承温度监测报警装置的研制生产提出了明确的规定和严格的技术要求，以便能及时、可靠、准确的对机车轴温进行监测报警，确保机车车辆的安全运行。 以前铁路工人采用手摸的方式对车轴进行温度检查。在每趟列车进站停稳后，几十名列检工人钻入车下用手触摸轴箱判断温度，工人要在510分钟内检查完毕，劳动强度，安全保障率低。后来使用红外线探测轴温装置，当列车通过安装在咽喉道岔处的探测装置时，红外线探头就会将车轴温度情况显示出来，值班列检人员根据显示，就能准确判断这趟列车是否有热轴发生。红外线探测只须一个人坐在室内，仅用一分钟就能把整趟列车的情况探测清楚。减轻了列检人员的劳动强度，提高了检查的准确性、可靠性和工作效率，更提高了经济效益。 车轴温度随火车运输速度不断变化，长途列车的轴温又是怎样控制呢？所以又有了轴温报警装置。当轴温超限时，显示器的报警装置便发出声响或红色信号，有关人员即可根据此采取防护措施。不管列车跑多远，轴温报警装置都能随时发出信号，有效防止热轴、裂轴等重大事故发生，极大地保证了行车安全那么如何设计一台机车轴承温度监测报警装置呢？DS18B20芯片可以把温度信号直接转换为数字量，而无须A/D转换器与数据调理电路，而且它采用单总线原理，易于电路扩展，只需在相应单总线上继续挂接器件即可。我们可以利用DS18B20的这些优点，把4个DS18B20连接到轴承的上下左右，组成一个数据采集电路，对轴承的温度进行监测。系统选用AT89C51作为微处理器。为了能够根据不同的情况设置不同的超温报警值，系统需要有一个键盘和一个显示以及一个参数保存电路。系统还需要一个报警电路，当温度超过温度报警 本文主要工作 （1）键盘显示电路设计。 （2）键盘显示软件设计与编程。 （3）看门狗电路及报警电路设计。 （4）看门狗及报警软件设计与编程。第2章 总体设计本系统实时地对温度信号进行采集，并送单片机处理，处理结果送LED显示。该系统还可以将采集到的值与报警值比较，若超出报警值，则发出声光报警。 本系统有如下特点： 1采用数字式温度传感器，与单片机接口简单，采集到的数据准确可靠。 2实现4路温度检测，由于采用单总线温度传感器，扩展容易，只要将器件挂接在单总线上即可。 3有看门狗电路，系统可靠性高。 4EEPROM保存键盘输入参数，系统掉电后保存的参数不会丢失。该系统由数据采集电路，键盘显示电路，报警电路，看门狗电路及E2PROM组成。主控机采用AT89C51单片机，完成对4个测温点温度信号的采集、显示、报警。 系统结构框图如图21所示本系统采用数字式温度传感器DS18B20完成对4个测温点温度的数据采集。DS18B20可以把温度信号直接转换为数字量，而无须A/D转换器与数据调理电路，既简化电路，又提高电路的可靠性。采用单总线原理，易于电路扩展，只需在相应单总线上继续挂接器件即可，是现代集成式温度传感器的首选器件。键盘显示系统显示系 本系统采用HD7279完成数据输入与数据显示。HD7279是一片具有串行接口的，可同时驱动8位共阴式数码管的智能显示驱动芯片，该芯片同时能对多达88的键盘矩阵的按键情况进行监视，具有自动消除键抖动并识别按键代码的功能，从而可以提高CPU工作的效率。HD7279和微处理器之间采用串行接口，其接口电路和外围电路简单，占用口线少，具有较高的性能价格比。报警电路 本电路完成系统报警功能，即在温度超出报警值时，发光二极管灯亮，蜂鸣器响，显示报警状态。看门狗电路及E2ROM 看门狗电路及E2ROM本电路采用Xicor公司的X25045芯片。X25045是可编程看门狗监控E2ROM，它把看门狗电路、电压监控和E2ROM组合在一起，降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求。此芯片实时检测单片机，使其正常工作。一旦单片机因干扰而程序走失，可通过复位电路使单片机复位，保证系统可靠运行。该芯片还含有内部512字节的E2ROM，可存储键盘输入的温度报警值以及数字式温度传感器DS18B20的序列号，保证掉电时不丢失信息，因而不必每次开机时重新写入这些数据。X25045还具有允许简单的三线总线工作的串行外设接口和软件协议 硬件电路设计 在硬件设计的过程中，为使硬件电路简单、可靠、合理，设计的基本思路如下： (1)为简化电路,我们尽可能采用功能强的芯片。例如本系统中采用的AT89C51，DS18B20，X25045，HD7279A等芯片。因为功能强的芯片可以代替若干块普通芯片，便于电路设计，使其集成度更高，同时可增强整个电路的抗干扰性。另外，随着生产工艺的提高，新型芯片的价格不断下降，并不比若干块普通芯片价格的总和高。 (2)在单片机的硬件设计中，很多场合下要考虑以软代硬。因为硬件多了不但增加成本，而且使系统出故障的机会也增加。单片机和数字电路本质的区别，就是它具有软件系统。很多硬件能完成的工作，软件也可以完成。用软件来代替硬件，其实质是以时间代替空间，因为软件执行过程需要消耗时间，所以，这种代替带来的不足就是实时性下降。因此，当系统对某些事物的反应有严格的时间限制时，往往增加硬件电路是唯一选择；但对一些实时性要求不是很高的场合，以软件代替硬件是很合算的。 (3)监测电路的设计。在系统运行过程中有可能出现故障，如何及时采取措施，防止事态扩大，及时向操作者提出报警，这就要求系统具有自诊断功能。为此，必须为系统设计有关的监测电路。如本监测仪电路中设计的“看门狗”电路。 (4)一件产品的形成必须考虑其工艺设计，它主要包括面板、配线、插接件等，必须考虑到安装、调试、维修的方便。另外，硬件抗干扰措施也必须在硬件设计时一并考虑进去。 下面我将对所使用的3种芯片作一详细的介绍。单片机本系统的单片机采用AT89C51，它是一种低功耗、高性能的8位单片机，它内含4K字节的FLASH程序存储器，可在现场进行在线编程，指令与MCS-51完全兼容。它含有4K字节的FLASH ROM，128字节的RAM，32条I/O口线，两个16位的定时/计数器，5个中断源，两个优先级，一个全双工串行口，工作频率0-24MHz。AT89C单片机的特点 AT89C51单片机对于一般用户来说，存在下列很明显的优点： （1）内部含有Flash存储器 由于内部含有F1ash存储器，因此在系统的开发过程中可以十分容易地进行程序的修改。这就大大缩短了系统的开发周期。同时，在系统工作过程中，能有效地保存一些数据信息，即使外界电源损坏也不影响信息的保存。 （2）和AT80C51插座兼容 AT89C51单片机的引脚和80C51是一样的，所以，当用AT89C51单片机取代80C51时，可以直接进行代换。这时，不管采用40引脚还是44引脚的产品，只要用相同引脚的AT89C51单片机取代80C51的单片机即可。 （3）静态时钟方式 AT89C51单片机采用静态时钟方式，所以可以节省电能。这对于降低便携式产品的功耗十分有用。 （4）错误编程亦无废品产生 一般的OTP产品，一旦错误编程就成了废品。而AT89C51单片机内部采用了Flash存储器，所以，错误编程之后仍可以重新编程，直到正确为止，故不存在废品。 （5）可反复进行系统试验 用AT89C51单片机设计的系统，可以反复进行系统试验。每次试验可以编入不同的程序，这样可以保证用户的系统设计达到最优。而且随用户的需要和发展，还可以进行修改，使系统能不断追随用户的最新要求。 （6）性价比相对较高 现在市场上较为流行的几中品牌的单片机芯片中ATMEL公司的AT89C51单片机芯片的功能能够满足一般用户的要求，而价格较同类产品相比较低。AT89C51单片机结构简介 AT89C51单片机的内部结构和80C51相近，主要含有如下一些部件： 803l CPU 振荡电路 总线控制部件 中断控制部件 片内Flash存储器 片内RAM 并行IO接口 定时器 串行IO接口 由于AT89C51片内带有EPROM，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即构成单片机最小系统。由于集成度的限制,该最小应用系统具有如下特点: （1）有可供用户使用的大量1/0口线。因没有外部存储器扩展，这时/EA接高电平，P0、P1、P2、P3都可作用户I/0口使用。 （2）内部存储器容量有限。 （3）应用系统开发具有特殊性，应用系统程序量不大，外电路简单，便于采用模拟开发手段。 （4）AT89C5l片内有EPROM，具有64K数据存储单元，其内部资源丰富，芯片功耗较低，其成本低、体积小,可达性好、扩展容易的优点是我们选择它的主要原因。 键盘显示电路概述 键盘实质上是一组按键开关的集合。通常按键所用开关为机械弹性开关，均利用了机械触点的断合作用。键的闭合与否，反映在电压上就是呈高电平或低点平。如果高电平表示断开的话，那么低电平则表示闭合。所以通过电平的高低状态的检测，便可确定健的闭合与否。 按键按连接方式可分为独立式按键和矩阵式按键。独立式按键就是各按键相互独立，每个按键各接一根输入线，一根输入线上的按键的工作状态不会影响另一根。因此，通过检测输入线上的电平状态就可以很容易判断哪个健按下。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单。但每个键都需要一根输入线相连，故这种按键一般用在按键较少而速度较高的场合。矩阵式键盘运用于按键较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行线和列线的交叉点上。很明显，在按键较多的场合，矩阵式键盘与独立式键盘相比，要节省好多的I/O口。 LED显示器是由发光二极管显示字段组成的显示器，有共阴极和共阳极之分。共阴极LED各发光二极管阴极连在一起，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。 LED显示器包含两种显示方式：静态显示方式和动态显示方式。静态显示器的亮度较高，而动态显示方显示亮度相对较低，且软件实现要比静态显示复杂。 我们采用显示与键盘操作控制芯片HD7279A与89C51单片机进行串行通讯并通过相应的程控实现了这部分的功能。其相对于常用的Intel8279可编程键盘、显示接口芯片来讲，具有以下特点： 数据传输采用串行方式，可以少占用CPU的I/O口线 可以直接驱动LED，减少硬件的开销 具有段寻址指令，可方便独立控制LED 自身带有定时电路，外加定时元件可完成对键盘和现实的扫描HD7279A的结构及特点HD7279A是一片具有串行接口的，可同时驱动8位共阴式数码管(或64只独立LED)的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成LED显示、键盘接口的全部功能。其内部含有译码器，可直接接受BCD码或16进制码，并同时具有2种译码方式，此外，还具有多种控制指令，如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等。HD7279A还具有片选信号，可方便地实现多于8位的显示或多于64键的键盘接口。HD7279A可以应用于仪器仪表，工业控制，条形显示器，控制面板。工作原理HD7279A采用串行方式与微处理器进行通讯，串行数据从DATA引脚送入 芯片，并由CLK同步。当片选信号变为低电平后，DATA引脚上的数据在CLK引脚的上升沿被写入HD7279A的缓冲寄存器。可靠性设计微机测控系统的抗干扰和数据长期可靠保存是设计人员在设计中面临的两个重要问题。根据专家统计,目前在微机测控系统中,电源的接通和关断、瞬时的电源电压不稳是造成系统死机、数据丢失和误动作的主要原因,占90%以上。虽然很多设计人员采取了不少措施,但是问题还是没有根本解决。 单片机系统以集成度高,功能强大,具备完善的自检测、自诊断等性能,从而在仪表产品中占有日益增加的比重。本部分针对广泛采用的MCS-51系列 单片机,运用Xicor公司的X25045芯片,构成功能较完善的控制单元。 在单片机系统中通常需要外围看门狗电路以防止程序走飞,大多数单片机系统在上电和掉电过程中、正常运行以及在切换工作模式过程中,都需要进行监控,诸如上电和掉电复位、后备电池管理、存储器写保护、低电压早期告警以及看门狗等, 同时,单片机系统通常需要监测电源电压情况,以便在系统掉电时能及时复位,避免因电源干扰波动时影响系统的正常工作。其中,上电和掉电复位是CPU最基本也是必不可少的硬件功能。在单片机应用中需要预先设置一些参数,比如时钟初值、控制算法参数等需要用户设置,一旦设置完成后这些参数往往需要掉电保存。看门狗(即WATCHDOG)是针对机器语言程序设置的抗干扰措施。这两项基本功能体现在单片机系统的设计中,可以提高智能仪表整机的可靠性能。 传统的阻容复位电路存在问题,而基于供电电源监视技术研制的复位电路在欠压状态下,可提供稳定的复位脉冲输出,对智能仪表的可靠性设计提供了强大的技术支持。采用专用的看门狗监控电路和非易失存储器EEPROM电路来达到上述要求,但往往有成本较高、电路板空间较大、接口复杂等不利因素。 Xicor公司最新研制生产的X25045芯片可以较好地和较简单地解决这个难题,该芯片将微机测控系统中常用的功能:看门狗定时器、电源电压监控、上电复位、串行E2PROM集成在一块8只引脚的集成芯片内。这种组合大大减少了对电路板的空间要求,简化了硬件设计,提高了系统的可靠性,降低了成本和功耗。X25045与单片机的数据传输采用串行同步方式,占用单片机软件资源少,不需再外加电路即可与单片机协调工作。因此我们在设计中采用此芯片。 看门狗定时器对微控制器提供了独立的保护系统。当系统故障时,在可选的超时周朗(timeout interval)之后,X25045看门狗将以RESET信号作出响应。用户可从三个预置的值中选择此周期。一旦选定,即使在电源周期变化之后,此周期也不改变。 利用X25045低Vcc检测电路,可以保护系统使之免受低电压状况的影响。当Vcc降到最小Vcc转换点以下时,系统复位。复位一直确保到Vcc返回且稳定为止。 X25045的存贮器部分是CMOS的4096位串行E2PROM,它在内部按5l28来组织。X25045的特点是具有允许简单的三线总线工作的串行外设接口(Serial Perpheral Interface,SPI)和软件协议。 X25045利用了Xicor公司专有的Diect WriteTM晶片,提供最小为l00.000周朋/字节的使用期限(endurance)和最小为l00年的数据保存期。第3章 软件设计及编程系统的软件设计包括两部分：一部分是主程序的设计，它是由系统初始化程序及调用各个功能模块程序的语句组成；另一部分是子程序的设计，包括温度传感器的读写子程序、超温报警子程序、各种设置子程序、键值以及显示子程序等等。主程序的设计软件主程序主要功能是对各种变量的定义，调用各个子程序并把各个子程序组合起来，完成整个程序要实现的功能。其流程图如图：、子程序设计子程序包括由键盘输入与显示、E2PROM存储子程序及超限报警子程序等子程序组成。显示子程序此子程序所实现的功能是将键盘键入的温度报警值顺序显示在相应的LED中。显示使用的4个LED中，第4个显示温度传感器的编号，第3个和第2个分别显示温度的十位和个位，第1个显示小数位。显示子程序键盘输入子程序此子程序主要是进行键盘功能和温度报警值的设定并将其存入指定的存储单元。键盘实现的功能包括：设定、运行、左移、右移、加1、减1，此子程序可改变温度报警值，并且可以控制程序的运行过程。此子程序主要是进行键盘功能和温度报警值的设定并将其存入指定的存储单元。键盘实现的功能包括：设定、运行、左移、右移、加1、减1，此子程序可改变温度报警值，并且可以控制程序的运行过程。第4章 高速列车轴温集中监测系统高速列车轴温集中监测系统软件设计 - 基于无线传输的高速列车轴温集中监测系统、列车在高速运行的过程中，机车与钢轨的频繁冲击会造成车辆轴承的发热，当轴承磨损和产生缺陷时，会造成机损从而影响车辆的正常运行，甚至出现热切轴，直接导致火车发生故障翻车，给国家和社会在铁路运输造成巨大的经济损失。目前我国大部分采用红外轴温监测系统，但这种设备易受外界环境影响、探测点受车身摆动影响定位困难等原因，使得轴温过高告警兑现率低、误报率极高、而且外界因素对其工作状态容易产生很大的干扰，失真严重，极有可能给发出错误的温度提示，影响铁路运输的正常工作1-2。针对这种情况，设计了系统简洁、布局小巧、灵敏度高、收发信息能力快速的高速列车轴温集中监测系统，可在第一时间发现运行中的列车轴承是否温度过高，如轴温超过预设定值，就发出报警信号，机车司机可及时的停车检查，有效地降低事故发生率，避免因事故而产生的巨大经济损失，维护铁路运输的正常运行。1 系统总体设计高速列车有多节车厢组成，每节列车车厢有两个车轴架，每个车轴架上有两个车轴，每个车轴两端又有两个轴箱。设计中在每个轴箱上安装一个轴温传感器，每个轴架上设一个监测节点。绝大多数列车轴温报警装置仍然沿用了传统的单车分散报警的模式，又考虑到列车存在经常调换机车车头和车厢的问题，所以在传输方式上系统选用了2.4G无线通信传输方式。为了防止数据阻塞，采用了轮询问答方式进行通信，大大提高了通信质量和可靠度。系统主要由多个监测节点和一个部署在驾驶舱内的监测台组成。系统结构示意如图1所示。图1 系统结构示意图监测节点通过温度传感器将模拟信号转换成数字信号，实时地将列车每个车轴的轴温情况传送到安装在机车头的监测控制台，进行分析、显示，供机车司机或者地面车辆检修部门随时监测车辆运行时轴温的变化情况。在列车运输过程中，当出现轴温异常时，监测台能发出报警信号给司机，提醒及时停车采取一定的措施排除故障，降低了机车在运行过程中因轴温过高发生事故的几率，从而确保列车运行的安全。2 硬件结构系统的无线节点硬件主要由微控制器ATmega128L、温度传感器PT100、无线通信模块nRF24L01、存储器K9F5608和电源管理模块等组成。其中监测台还包括报警和显示屏单元。硬件部件的控制器单元主要功能在于控制温度传感器采集列车的轴温信息，并对信息进行处理和转发，以及对接受到的数据进行分析、显示。数据采集单元主要是通过温度传感器对轴温信息的采集。无线通信单元用于发送采集到的轴温数据，并与列车监测台进行实时通信。节点硬件构成如图2所示。图2 节点硬件构成2.1 微控制器ATmega128L考虑到控制器既要满足系统的需求，又要保持低功耗和小体积的特性，故选用了8位微控制器ATmega128L，相对于其他通用的8位微控制器来说，它具有非常丰富的资源，工作于16MHz时性能高达16MIPS，具有片内128k字节的程序存储器，4k字节的数据存储器和4k字节的E2PROM;具有两个16位定时器/计数器；具有53个通用I/O 口线、实时时钟RTC、两个USART、可工作于主机/从机模式的SPI串行接口、8路10位ADC、两路8位PWM、与IEEE1149.1规范兼容的JTAG测试接口用于片上调试，以及6种可以通过软件选择的省电模式。控制器的ADC口与PT100的输出连接，SPI接口与无线通信模块nRF24L01连接实现数据的收发，PWM口用来驱动监测台的报警单元，数据总线和地址总线与存储器配合使用。2.2 无线通信模块nRF24L01nRF24L01是工作在2.4GHz2.5GHz的ISM 频段的单片射频收发器，内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，支持Shock-Burst和Enhanced Shock-Burst两种数据传输方式，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA，接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便，接口最高速率可以到达8Mbps，工作电压1.93.6V，采用SPI接口进行数据的收发，无线数据的传输速率最高达2Mbps，并有自动应答和自动重发射功能。输出功率、频道分配及协议的选择可以通过SPI接口进行设置3。2.3 温度传感器PT100常用的接触式测温传感器有热电偶、热电阻、半导体石英晶体等，铂热电阻在0时的电阻值称R （0）和100时的电阻值称R （100）以及R （100）/R （0）叫做比值W100.监测节点温度传感器采用的是铂电PT100，PT100的含义为（0）时的名义电阻值为100，在温度作用下，铂热电阻丝的电阻值随之变化而变化，且电阻与温度的关系即分度特性完全和IEC标准等同，因此PT100主要用来测量-200+600的温度。铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正4。校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正需要在微处理系统中使用，将铂电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM 中，根据电路中实测值以查表方式计算相应温度值。常用的Pt电阻采样电路有两种：一为桥式测温电路；另一为恒流源式测温电路。系统中监测节点采用的是是第一种桥式电流测温电路，其具有测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好等优点。2.4 存储器K9F5608存储器K9F5608 是三星公司生产的32MBytes容量的NAND Flash芯片，用来存储临时的轴温数据，当通信中断时可以把数据存在K9F5608中，待通信恢复正常后再将这些数据发送至监测台。它具有8位数据/地址复用接口以及CLE、ALE、WP、R/B、CE等控制信号，硬件接口比较简单，但读写时序相对较复杂，需要依次送入命令、地址、数据等。实际需要输入24位的地址用来寻址，由于该芯片与控制器ATmega128L的接口是8位地址数据复用线，所以需要3个周期才能完成24位地址的输入5。存储器K9F5608外围电路如图3所示。图3 K9F5608外围电路控制器ATmega128L的PA口完成对Flash数据地址与命令的传输；用控制器的PG口来完成对Flash传输状态的选择，如CLE、ALE、R/B、CE等；用控制器的WE和RD信号来选择FLASH是读还是写：3 软件设计系统软件包括监测节点软件和监测台软件两部分。为了确保正常通信，采用问答方式，即控制台依次与每个监测节点建立通信，收到节点发来的数据后，再收取下一个节点的温度数据信息，这样就避免了阻塞的情况，确保数据的可靠性6。3.1 监测节点软件监测节点上电后，首先进行系统初始化，包括控制器各端口、寄存器和通信模块nRF2401的配置等，之后进入接收控制台指令状态。当接收到指令时，立即读取传感器PT100的输出值，经过查表处理得出当前轴温信息，与节点ID打包正数据帧后发送到监测台，并继续进入到接收指令状态。监测节点软件流程如图4所示。3.2 数据格式系统了制定了简单的数据帧格式，如表1所示。图4 监测节点软件流程表1 监测节点数据帧结构每个帧的帧头都以start开始，占用5个字节；然后是占用3个节点的ID，可以认为是节点在网络中的地址；再接下来就是占用6个字节的温度值。当监测台发送指令时，每个监测节点都收到数据，但只有指令中ID与节点ID匹配时才会将该数据返回给监测台，如果不匹配则不做任何处理。3.3 监测台指令帧结构监测台与各监测节点通信的时候主要是通过发送指令完成的，指令帧结构如表2所示。表2 监测台数据帧结构每个指令帧也是以“start”开始，占用5个字节；然后是需要提供温度数据的节点ID，占用3个字节；再接下来是指令的有无效，占用1个字节；最后是以“end”的帧尾结束符，占用3个字节。3.4 数据发送和接收发送数据。首先将nRF24L01配置为工作在PTX 模式，接着把地址TX_ADDR和数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区，置CE为高电平并保持至少10s，拉低CE后发射数据，并立即进入接收模式等待应答信号。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从发送堆栈中清除；若未收到应答，则自动重新发射该数据，若重发次数ARC_CNT达到上限，MAX_RT置高，TX_PLD 不会被清除；MAX_RT 或TX_DS置高时，使IRQ变低，通知处理器做相应处理。发射成功后，进入空闲模式。接收数据。首先将nRF24L01配置为PRX接收模式，接着延迟130s进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在接收堆栈中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，通知处理器读取数据，接收完数据后进入发射状态并回传应答信号，接收成功，CE变低进入空闲模式5。4 试验结果与分析试验采用双层集装箱车，分别对空载和载重的两种不同情况车厢进行了测试。空载车厢自重为25t，载重车厢重为78t.两种情况的测量结果如图5所示。图5 测试结果由于列车运行情况相对复杂，轴温与速度、运行时间、制动、载重和环境温度等情况都有密切关系。从对图5的分析看，具体关系是：速度越快，轴温越高；列车启动阶段，即030km之间，随着运行时间的增加轴温越高，当达到一定程度时，运行时间不再轴温；在行驶到4350km处，列车制动使车轴急剧升高，温度达到71.45；在运行稳定状态下，载重78t的车厢明显比载重25t的车厢，温度高6左右；另外，环境越高，轴温越高。不难看出，载重越大，轴承运转温度越高，并且上升速度越快第5章 朔黄铁路红外线轴温探测设备遭受瞬态过电压损坏情况分析 朔黄铁路红外线轴温探测系统简介 朔黄铁路正线总长591.8km，西起山西省神池县神池南站，与神朔铁路相连，东至黄骅港港口站，横跨山西、河北两省的5个地区（市）、22个县（市），与大秦、北同蒲、京广、京九等重大干线接轨，与神朔铁路连接而形成了全长860km的铁路西煤东运第二大通道，在全国铁路路网中占有十分重要的地位。朔黄铁路红外线轴温探测系统采用航天部502所康拓红外HBDS-型红外线探测设备，2002年开始建设，2003年1月1日开始试运用，2003年5月9日开始正式运用。朔黄铁路红外线轴温探测系统包括19个双向红外线轴温探测站（龙宫、北大牛、原平南、回凤、东冶、滴流蹬、小觉、古月、西柏坡、灵寿、新曲、定州东、安国、蠡县、行别营、杜生、沧州西、李天木、黄骅南）、4个单向红外线轴温探测站（神池南下行、肃宁北上行、肃宁北下行、黄骅港上行）、1个红外线监测中心、3个红外线列检复示（神池南、肃宁北、黄骅港）、3个列调终端。红外线轴温探测系统瞬态过电压防护措施 瞬态过电压防护的理论和方法：现代瞬态过电压防护理论 德国防雷专家希曼斯基在过电压保护理论与实践一书中，给出了现代计算机网络的防雷框架图： 外部防雷：将绝大部分雷电流直接引入地下泄散； 内部防雷：快速泄放沿着电源或信号线路侵入的雷电波或各种危险过电压； 这两道防线，互相配合，各尽其职，缺一不可。因此防雷工程是一项系统工程。瞬态过电压（雷电）防护方法 （1）、外部防雷 外部防雷主要指建筑物的防雷，一般是防止建筑物或设施（含室外独立电子设备）免遭直击雷危害，其技术措