C8051F320列车安全巡检仪的设计

1 引言
    随着科学技术的发展，乘列车出行、旅游已成为人们主要的交通方式之一，为了保障列车安全运行，定期或不定期地对列车进行安全巡检是一项极其重要的工作，列检人员在列车到站时需要对列车安全巡检。一般的巡查管理制度难以核实固定车次、站点和时间，因此难以实现合理规范化管理。针对这种需求，提出了基于超低功耗单片机C8051F320的列车安全巡检仪，结合计算机应用软件管理程序，可使铁路列车巡检管理工作更规范更科学。

2 C8051F320单片机简介
    C805lF320是完全集成在混合信号片上的系统型MCU。内核采用高速、流水线结构，指令集完全与标准805l兼容，70％的指令的执行时间为l或2个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。片内外设包括电源稳压器(5～3 V)；2个片内电压比较器：全速、非侵入式的在线系统调试接口；通用串行总线(USB)功能控制器(8个灵活的端点管道，集成收发器和l kB FIF0 RAM)；10位200 Ks／s的17通道单端／差分ADC(带模拟多路器)；片内电压基准和温度传感器；片内电压比较器；高精度可编程的12 MHz内部振荡器和4倍时钟乘法器；硬件实现SMBus／I2C、增强型UART和增强型SPI串行接口；4个通用16位定时器；具有5个捕捉／比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器／定时器阵列(PCA)；片内上电复位、VDD监视器和时钟丢失检测器。存储器有16 KB可在系统编程的Flash存储器和2 304字节片内RAM(256字节内部RAM+l KB外部RAM+l KB USB FIFO)。

3 系统设计方案
3．1 系统方案说明
    为了判断列检人员是否到达指定的地点进行安全巡检，本系统设计利用i—Button信息钮作为外部信息载体，与PCF8563高精度时钟器件相配合，实现巡检地点(用惟一的注册码代替)和时间的准确记录，并利用SD35TR液晶显示模块显示时间和注册码；巡检人员可利用TN9红外测温模块测量车轴温度。为了便于巡检人员夜间工作，本巡检仪还具有高亮度的LED照明功能，并预留USB接口，方便与PC机数据转储，以备日后数据处理、查询。根据巡检仪的功能设计了系统结构框图，如图l所示，主要包括主电路、信息采集、温度采集、液晶显示和照明电路等模块。

    主电路模块如图2所示，该模块以C805lF320单片机为核心，采用PCF8563为系统提供实时时钟，并且外扩512 KB的E2PROM存储器24LC512，用于存储采集信息、温度和时间；通过C805lF320的片内USB控制器外接一个迷你型USB母座作为巡检仪与PC机的数据转储接口；两个按键作为外部中断输入，分别启动信息采集和温度采集；蜂鸣器作为提示和报警输出。主电路还包括电池电压检测，用于监测电池电量的饱和度。

3．2 i-Button信息钮接口电路
    i—Button信息钮是一种坚固的数据载体，内部光刻ROM含有国际惟一的64位注册码，不锈钢纽扣型外壳，可防尘、防潮、防震。通过l—Wire总线协议传输信号。本系统的i—Button信息钮采集模块主要包括DSl990A信息钮和DS9092信息钮读取探头两部分。如图3所示，DSl990A信息钮的纽扣外形分两部分作为信号连接；中心为l—Wire总线的I／O连接．周围为信号地连接。DS9092读取探头为杯状外形，中心为1一Wire总线的I／0连接，周围为信号地连接，实现与纽扣外形的充分接触。DS9092背后引出两条连线，其中一条为1一Wire总线的I／O连接到C805lF320单片机，另一条则为信号地。由于l—Wire总线为上拉传输，故其I／O总线必须连接一上拉电阻至电源。由于信息采集是通过一个低电平按键中断进行启动的，所以在单片机上再连接一按键，提供信息采集中断信号。

3．3 TN9测温模块接口电路
    TN9红外测温模块采用红外非接触测温，其测温原理应用斯特凡一玻耳兹曼定律和维恩位移定律。TN9模块引出5条连接线，依次为：电源(V)、SPI数据(D)、SPI时钟(C)、地(G)和测试引脚(A)。其中SPI数据(D)和SPI时钟(C)用于传输温度信息，分别连接C805lF320单片机的PO．4和P0．2引脚作为SPI总线的MOSI和SCK。测试引脚(A)是TN9测温模块的启动信号，低电平有效，故通过一只1kΩ电阻上拉至3．3 V，再通过按键接地，然后连接到C8051F320单片机的PO．5引脚作为温度采集的中断信号。按键按下后将测试引脚(A)置为低电平，启动TN9测温，同时通知C8051F320准备接收温度数据。按键松开，测试引脚被上拉为高电平并停止测温。其电路如图4所示。

3．4 SD35TR液晶显示模块接口电路
    SD35TR液晶显示模块采用HTl62l作为显示驱动器。全显示有4个数字位、1个冒号和1个小数点。亮度调节分为4级，并用4个发光二极管做为背光光源。液晶显示模块的接口共有6条引出线，依次为：LED背光源正极(Vcc)、电源正极(Vdd)、地(Vss)、串行数据输入(DATA)、写信号(WR)、片选信号(CS)。其中三线串行接口串行数据输入(DATA)、写信号 (WR)和片选信号(CS)分别连接C805lF320单片机的P2．7、P2．6和P2．5引脚，直接采用单片机模拟总线控制SD35TR液晶显示模块。其电路如图5所示。

4 系统软件设计
4．1 系统主流程图
    本系统软件设计主要实现读取数据(从DSl9—90A)、温度测量(列车轴承温度)、存储数据和显示数据的功能。系统初始化后，先检测电池电压，然后检测按键。若无按键按下或按键无效时则读取并显示一次时间；若有按键按下并且有效时，则执行相应的按键子程序，子程序执行完后再读取并显示一次时间。此后程序进入待机状态，等待中断唤醒，返回到电池电压检测进行循环。中断在本系统设计中只执行唤醒功能。该系统的软件设计流程图如图6所示。

4．2 信息采集模块
    进入信息钮信息采集子程序时，首先关闭所有中断，然后发送初始化脉冲。初始化成功后，单片机发送DSl990A的读ROM命令。按位读取其64位注册号并进行校验，通过后单片机将显示“PASS”5秒，蜂鸣器短响一声，表示信息钮的注册码读取成功。同时读入采集时间并和采集到的信息一同存入E2PROM。整个过程中，如果初始化或校验失败，程序将显示“Err”5秒、蜂鸣器长响一声，表示信息钮读取失败。信息钮信息采集流程如图7所示。

4．3 红外测温模块
    进入测温子程序后，关闭所有中断，再使能C805lF320的SPI功能，读入一个字节数据，然后禁止SPI功能复位计数器；判断数据是否为0DH，若不是就返回到SPI使能进行循环，若是则数据校验。校验通过后，计算实际温度值并将数值显示5秒、蜂呜器短响一声，表示温度采集成功。同时读入测温时间将其和温度数据一起存入EEpROM。程序中若校验没有通过则显示“Err”5秒、蜂鸣器长响一声，表示温度采集失败。其流程如图8所示。

5 结语
    列车安全巡检仪是以C8051F320单片机为核心，实现了离线信息采集、轴温检测、照明等功能，有效监督铁路列车安全工作。该巡检仪具有结构简单、成本低、体积小、低功耗和性能可靠等优点。实验证明，该巡检仪工作稳定、抗干扰能力强、操作方便，从而说明该巡检仪软硬件设计比较合理，具有广阔的应用前景。