??? 摘? 要: 為簡便實時地監(jiān)測無縫線路的鋼軌溫度,應對鋼軌進行應力散放作業(yè)。介紹了無縫線路軌溫實時監(jiān)測系統(tǒng)" title="實時監(jiān)測系統(tǒng)">實時監(jiān)測系統(tǒng)的硬件及軟件設計。在該系統(tǒng)中,利用單片機對傳感器進行遠程控制和數(shù)據(jù)傳輸,借助串行通信實現(xiàn)人機交互控制。該系統(tǒng)目前已投入使用,通過對軌溫的實時測量和數(shù)據(jù)統(tǒng)計,為軌道監(jiān)測和維護作業(yè)提供了科學的依據(jù)。?
??? 關(guān)鍵詞: 無縫線路? 軌溫? 溫度應力? 傳感器控制? 串口通信
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??? 當今,世界各國鐵路都在大力發(fā)展無縫軌道。無縫軌道的特點是鋼軌中間不留間隙,但無縫鋼軌因熱脹冷縮所帶來的長度變化會產(chǎn)生巨大的溫度應力作用,若鋼軌應力散放控制得不好,天熱時可能會造成脹軌跑道,天冷時可能會出現(xiàn)拉斷鋼軌的情況。因此,自無縫軌道問世以來,軌溫監(jiān)測工作就被放到了一個非常重要的地位。目前,我國的鐵路軌溫監(jiān)測主要是靠人工定點定時測量完成。這種測溫方法所獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)密度小,難以捕捉日、月、年內(nèi)的最高軌溫和最低軌溫;占用勞動力多、測量誤差大、實時性差,因此難以為鐵路工務作業(yè)提供及時、準確、科學的決策依據(jù)。?
??? 本文所提出的無縫鐵路軌溫實時監(jiān)測系統(tǒng)就是針對這一情況而設計的。通過控制遠程傳感器實現(xiàn)對鋼軌溫度的測量,并把測得的軌溫數(shù)據(jù)傳入計算機進行存儲、處理和分析,極大方便了鐵道工作者對軌溫的測量和監(jiān)控以及制定相應的軌道維護策略。?
1 系統(tǒng)框圖?
??? 本系統(tǒng)利用89C51單片機及其外圍電路完成對DSl8B20單總線" title="單總線">單總線數(shù)字傳感器" title="數(shù)字傳感器">數(shù)字傳感器的控制和數(shù)據(jù)傳輸,利用以nRF401無線收發(fā)芯片" title="無線收發(fā)芯片">無線收發(fā)芯片為核心構(gòu)建的無線收發(fā)器完成數(shù)據(jù)的遠程傳輸,借助單片機和計算機之間的串行通信完成人機交互控制,并用VB語言開發(fā)了適應于鐵路溫度測量系統(tǒng)的個性化交互界面。圖1所示是無線軌溫實時監(jiān)測系統(tǒng)的原理圖,這種方式具有方便、快捷和靈活的優(yōu)點,同時克服了工程中布線的困難。
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2 硬件實現(xiàn)?
??? 按照系統(tǒng)原理圖的設計,整個系統(tǒng)中需要用到的硬件芯片主要包括DSl8B20單總線數(shù)字傳感器、nRF401無線收發(fā)芯片、MCS-51單片機、MAX232等,這些芯片配以相應的外圍電路,構(gòu)成系統(tǒng)的基本硬件結(jié)構(gòu)。下面對各硬件的特點及其在本系統(tǒng)中使用的相應電路分別進行介紹。?
2.1 DS18B20單總線數(shù)字傳感器?
??? DALLAS公司的DSl8B20單總線數(shù)字傳感器工作溫度范圍是-55℃～125℃,在-30℃～85℃范圍內(nèi)溫度測量精度為±0.5℃;具有溫度報警功能,用戶可設置最高和最低報警溫度,且設置值掉電不丟失;采用DALLAS公司特有的單總線通信協(xié)議,只用一條數(shù)據(jù)線就可實現(xiàn)與MCU的通信;此外,DSl8B20能夠直接從數(shù)據(jù)線獲得電源,無需外部電源供電。?
??? DS18B20與單片機的接口電路如圖2所示。DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端,GND為電源地,VDD為外接供電電源輸入端(在寄生電源接線方式時接地)。?
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??? DS18B20主要由四部分組成:64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的,相當于給每個DSl8B20分配了一個獨一無二的64比特地址序列碼,這就允許多個DSl8B20工作在同一條一線總線上,從而大大簡化了分布式溫度傳感系統(tǒng)的應用。溫度傳感器完成對溫度的測量,溫度報警觸發(fā)器TH和TL以及配置寄存器的設置值均以一個字節(jié)的形式存儲在EEPROM中,使用一個存儲器功能命令可對其寫入。?
2.2 nRF401無線收發(fā)芯片?
??? nRF401是NORDIC公司最新推出的單片無線收發(fā)一體化芯片中,該芯片采用藍牙核心技術(shù)設計。在一個20腳的芯片,包括高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制、FSK解調(diào)、多頻道切換等功能,是目前集成度最高的無線數(shù)傳產(chǎn)品。?
??? 它的功能特點如下:?
??? (1)工作頻率為國際通用的數(shù)傳頻率433MHz。?
??? (2)FSK調(diào)制、直接數(shù)據(jù)輸入輸出、抗干擾能力強,特別適合工業(yè)控制場合。?
??? (3)采用DSS+PLL頻率合成技術(shù),頻率穩(wěn)定性極好。?
??? (4)靈敏度高達-105dBm。?
??? (5)功耗小,接收待機狀態(tài)時僅為8μA。?
??? (6)最大發(fā)射功率達+10dBm。?
??? (7)工作電壓為2.7V,可滿足低功耗設備的要求。?
??? (8)具有多個頻道,可方便地切換工作頻率,滿足需要多信道工作的特殊場合的應用。?
??? (9)工作速率最高可達20kbit/s。?
??? (10)僅外接一個晶體和幾個電阻、電容、電感元件,基本無需調(diào)試。?
??? (11)低發(fā)射功率、高接收靈敏度,開闊地的使用距離最遠可達1000m。?
????圖3是nRF401在本系統(tǒng)中應用的電路原理圖,可直接應用232串口異步傳輸。從圖中可以看到,外圍元件很少,包括一個基準晶體及幾個無源器件,沒有調(diào)試部件,這給研制及生產(chǎn)帶來了極大的方便。圖中L1電感需要采用高Q高精度的貼片繞線高頻電感(Q>45),晶體X1需要采用高穩(wěn)定度晶體,電容元件應選用高穩(wěn)定貼片元件(如NPO高穩(wěn)定電容)以確保性能穩(wěn)定可靠。?
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2.3 MCS-51單片機?
??? 單片機是在一塊硅片上集成了各種部件的微型計算機,這些部件包括中央處理器CPU、數(shù)據(jù)存儲器RAM、程序存儲器ROM、定時器/計數(shù)器和多種I/O接口電路。MCS-51是一種使用最廣泛的單片機,本系統(tǒng)中用它對溫度傳感器進行控制和與計算機進行串口數(shù)據(jù)通信。?
2.4 串口通信?
??? EIA-RS-232C對電器特性、邏輯電平和各種信號線功能都作了規(guī)定。在TxD和RxD上:邏輯1(MARK)取值范圍為-3V—-15V;邏輯0(SPACE) 取值范圍為+3V—+15V。在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上:信號有效(接通、ON狀態(tài)、正電壓)取值范圍為+3V—+15V;信號無效(斷開、OFF狀態(tài)、負電壓)取值范圍為-3V—-15V。EIA-RS-232C是用正負電壓表示邏輯狀態(tài)的,與TTL器件以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此,為了能夠同計算機接口或終端的TTL器件連接,必須在EIA-RS-232C與TTL電路之間進行電平和邏輯關(guān)系的轉(zhuǎn)換。MAX232芯片可完成TTL與EIA的雙向電平轉(zhuǎn)換。在通信速率低于20kb/s時,RS-232C所能直接連接的最大物理距離為15m。?
3 軟件實現(xiàn)?
3.1 單片機控制程序?
??? 這里使用單片機的C語言編寫單片機控制程序。和匯編語言相比,單片機的C語言具有可讀性高、易移植等優(yōu)點。該控制程序主要對溫度傳感器進行控制,并收集溫度傳感器測得的軌溫數(shù)據(jù)。對單個溫度傳感器的控制流程如圖4所示。根據(jù)系統(tǒng)的需求,還可以用單總線方式對多個溫度傳感器進行控制,從而完成多點測量任務。控制流程如圖5所示。?
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3.2 串口通信" title="串口通信">串口通信程序?
??? 串行接口有異步和同步兩種基本通信方式。異步通信采用異步傳送格式。數(shù)據(jù)發(fā)送和接收均將起始位和停止位作為開始和結(jié)束的標志。在該軌溫監(jiān)測系統(tǒng)中,系統(tǒng)通信速率為1200bit/s,幀格式為N.8.1。發(fā)送時,先發(fā)送一個起始位(低電平),接著按低位在先的順序發(fā)送8位數(shù)據(jù),最后發(fā)送停止位。接收時,先判斷接收端口是否有起始低電平出現(xiàn),如有則按低位在先的順序接收8位數(shù);最后判斷接收端口是否有停止高電平出現(xiàn),如有則完成了一個數(shù)據(jù)的接收,否則繼續(xù)等待。軟件編寫嚴格按照異步通信的時序進行,每比特位傳送的時間間隔按通信速率為1200bit/s計算,為833μs。?
3.3 監(jiān)控計算機用戶界面和數(shù)據(jù)庫部分?
??? 使用VB語言對系統(tǒng)用戶界面和數(shù)據(jù)庫部分編程,生成性能良好的人機界面,使得用戶能夠方便快捷地對系統(tǒng)進行管理;同時對測得的軌溫數(shù)據(jù)進行存儲和分析,從而達到研究鐵軌溫度應力、及時改善軌道狀況的目的。系統(tǒng)默認設定為每隔10分鐘測量一次軌溫,測得的數(shù)據(jù)存儲于專用的數(shù)據(jù)庫中。根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的這些溫度值,用戶可以通過軟件預設的功能生成相應的曲線圖,從而清楚地觀測到當天、當月、當年溫度的變化規(guī)律和統(tǒng)計峰值,進行相應的應力分析和研究。?
4 應 用?
??? 無縫線路由于在結(jié)構(gòu)上限制了鋼軌的伸縮,所以當軌溫發(fā)生變化時就會產(chǎn)生巨大的縱向溫度力,這是在受力方面與標準軌線路的最大區(qū)別。這一區(qū)別也使得跑道與斷軌的可能性增大。?
??? 根據(jù)無縫線路鋼軌溫度力計算公式:??????? ?
??? P=EFαΔt?
其中,P——鋼軌溫度力,?
?E——鋼軌彈性模量,為2.1×105Mpa,?
?F——鋼軌斷面積,?
?α——鋼軌線膨脹系數(shù),為11.8×10-6/℃,?
?Δt——相對于零應力軌溫的軌溫變化幅度。?
??? 可得溫度應力與軌溫變化的關(guān)系曲線,如圖6所示。?
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??? 鋼軌內(nèi)的溫度力僅與軌溫變化幅度有關(guān),然而即使在一天當中,軌溫也是不停地變化著的。一般說來,鎖定軌溫(即通常理解的零應力軌溫)是一個常量,如果準確地掌握了實際鎖定軌溫,便可以知道任意軌溫時的軌溫變化幅度以及相應的溫度力。?
該無縫線路軌溫實時監(jiān)測系統(tǒng)對軌溫進行遠程實時全天候測量,并對測得的軌溫數(shù)據(jù)進行相應的存儲、統(tǒng)計處理,用戶界面生動,操作簡單,可協(xié)助鐵道工作人員完成軌溫測量這一重要而又繁冗的工作。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果,對在溫度應力作用下的軌道狀況進行巡檢,及時發(fā)現(xiàn)無縫線路出現(xiàn)的異常,按規(guī)定采取必要的應急措施加以解救,進行無縫線路應力放散作業(yè),消除隱患。特別是應根據(jù)季節(jié)特點,在冬、夏季最低軌溫和最高軌溫時間段加強無縫線路的巡檢,以便發(fā)現(xiàn)無縫線路的鋼軌折斷或脹軌跑道的先兆,合理安排線路維修計劃,確保行車安全。結(jié)合無縫線路的鎖定軌溫和線路狀態(tài),維修計劃的原則為:在氣溫較低的季節(jié)安排鎖定軌溫較低地段的綜合維修,在氣溫較高的季節(jié)安排鎖定軌溫高地段的綜合維修。?
??? 表1所示為部分實驗室調(diào)試階段測得的溫度值統(tǒng)計示例。?
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??? 圖7所示為以月為統(tǒng)計時間段生成的統(tǒng)計曲線圖。?
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??? 該無縫線路軌溫實時監(jiān)測系統(tǒng)從2002年10月開始在天津鐵路分局天津東車輛段試用,經(jīng)過近一年的時間,已經(jīng)測量并積累了大量的軌溫數(shù)據(jù)。同時,在使用的過程中,也對線路連接的一些工程問題進行了不斷的完善,防止因接口接觸不良而導致傳感器不能正常工作,使得系統(tǒng)的性能更加穩(wěn)定。溫度傳感器的安置和固定也是一個很有技術(shù)性的工作,需保證與外界空氣隔絕且牢靠地固定在軌道上,不會因列車的經(jīng)過而移動或損壞。?
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