基于I2C總線的電氣化鐵路導線磨耗儀的設計與應用

摘    要：本文簡要介紹了基于內(nèi)部集成電路總線I2C的電氣化鐵路導線磨耗儀的設計與應用。在開發(fā)電氣鐵路導線磨耗遙測儀的過程中，通過使用I2C電路和單片機AT89C52的I/O口，可以控制DS1307、AT24C256和IC卡。這種設計方法縮短了開發(fā)周期，提高了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。
關鍵詞：導線磨耗；I2C電路；AT89C52；電氣化鐵路

引言
接觸網(wǎng)斷線問題一直是困擾電氣化鐵路牽引供電設備安全的主要問題；同時，這也是接觸網(wǎng)系統(tǒng)各檢測項目中的難點。導線磨耗遙測儀的研究就是針對此問題，利用CCD(電荷耦合器件)作為傳感器，利用微控制器進行控制與數(shù)據(jù)傳輸，配合PC機構成的一套智能檢測系統(tǒng)。
本文設計的電氣鐵路導線磨耗遙測儀，采用測量導線磨耗殘存高度的方法，比較好的解決了接觸網(wǎng)帶電測量的問題。

導線磨耗儀系統(tǒng)結構與原理
導線磨耗目前比較典型的測量方法主要有以下三種：測量接觸導線的磨耗滑面寬度；測量導線截面積；測量接觸導線的殘存高度。
通過分析對比，我們選擇了測量導線磨耗殘高的方法。這種方法具有以下優(yōu)點：
(1)由于接觸線磨耗面有波狀磨耗、局部磨耗，表面狀態(tài)各異。采用反射法測殘面高度，不可避免的存在反射光不均勻，凹陷處反射特性很差，因此必然造成目標邊緣模糊。而且反射法的檢測精度受接觸線高度影響較大，高懸掛點處磨耗檢測值精度隨距離增大而降低，對偏磨更是無能為力。而本文法則能很好解決這一問題。
(2)精度高：采用本方法，測量精度可小于0.05mm。
(3)檢測直觀：我國限于檢測手段，只能用卡尺測量殘高。所以這種方法檢測直觀方便、不必進行換算。
便攜式導線磨耗帶電遙測儀分為檢測裝置、地面接收機和上位機三部分。檢測裝置由光學照明系統(tǒng)、光學成像系統(tǒng)、CCD陣列及驅動電路、光電信息處理電路、穩(wěn)功率電源、調制發(fā)射電路等組成。其結構框圖見圖1。
測量時，光學照明系統(tǒng)產(chǎn)生一束均勻的平行光，從接觸線側面平行射入，線高經(jīng)光學成像系統(tǒng)映射在CCD線陣靶面上，并在線陣響應的像元中獲得一定寬度的脈沖信號。該信號經(jīng)光電信息處理后變成二進制信號，經(jīng)調制后發(fā)射出去。
地面接收裝置由紅外接收電路、解調電路、單片機、串行口等組成。結構框圖見圖2。
地面接收裝置將接收到的特征信號解調后，經(jīng)單片機系統(tǒng)計算出導線殘留高度及磨耗百分比，顯示在LCD上，也可通過串行口上傳到PC機中。上位機是安裝有Windows 9x/2000操作系統(tǒng)的PC機，本設計使用微軟公司的Visual C++ 6.0編寫數(shù)據(jù)接收、處理、存儲和顯示的程序，界面友好，簡潔易用。

I2C總線及其硬件設計
I2C總線原理
I2C總線通過一根數(shù)據(jù)線SDA和一根時鐘線SCL實現(xiàn)全雙工的同步數(shù)據(jù)通信。同一總線上可以連接多個帶有I2C接口的器件，每個器件都有一個唯一的地址，既可以是單接收的器件，也可以是能夠接收發(fā)送的器件。發(fā)送器或接收器可以在主模式或從模式下操作，這取決于芯片是否必須啟動數(shù)據(jù)的傳輸還是僅僅被尋址。I2C還是一個多主總線，即它可以由多個連接的器件控制。圖3顯示了I2C總線上的數(shù)據(jù)穩(wěn)定規(guī)則，圖4是I2C總線的起始位和停止位。
每次數(shù)據(jù)傳輸都是以一個起始位開始，而以停止位結束。傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)由主機決定，沒有限制。最高有效位MSB將首先被傳輸，接收方收到第8位數(shù)據(jù)后會發(fā)出應答位。數(shù)據(jù)傳輸通常分為兩種：主機發(fā)送從機接收和從機發(fā)送主機接收。這兩種模式都需要主機發(fā)送起始位和停止位。應答位由接收方產(chǎn)生。從機地址一般是1或2個字節(jié)，用于區(qū)分連接在同一I2C上的不同器件。
I2C相關硬件設計
本導線磨耗儀系統(tǒng)中有三個部分帶有I2C接口，分別是實時時鐘芯片DS1307、串行EEPROM AT24C256和IC卡AT24C16。
DS1307內(nèi)部具有地址指針，每次讀寫操作之后會自動加1，到達存儲器的末尾(3FH)會翻轉為0。時間信息的地址是00H~06H，因此讀取之前應先向3FH中寫入一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，以便將地址指針復位到00H。
AT24C256是帶I2C電路的串行EEPROM，對AT24C256寫操作可分為字節(jié)模式和頁模式。如果采用字節(jié)模式，主機在發(fā)送從機地址(1字節(jié))和字地址(2字節(jié))之后，再送出1字節(jié)的數(shù)據(jù)，而后EEPROM返回應答位，主機以停止位結束操作。然后AT24C256進入自定時的寫周期，將收到的數(shù)據(jù)寫入非揮發(fā)性的存儲器，此時對于任何的輸入都不會作出響應。而頁模式的初始化過程與字節(jié)模式相同，在收到第1個數(shù)據(jù)字節(jié)的應答位之后，主機并不產(chǎn)生停止位，而是繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，每頁最多包括64個字節(jié)。每收到1個字節(jié)的數(shù)據(jù)，EEPROM都會返回應答位，直到主機產(chǎn)生停止位結束操作。AT24C256讀操作的初始化過程與寫操作基本相同，只是從機地址的最低位設置略有差別。
IC卡AT24C256具有2K字節(jié)的EEPROM。由于帶電插拔可能會對IC卡造成損傷，因此需要在硬件和軟件兩方面對它的電源進行控制。如果有卡插入，卡座內(nèi)部的按鍵被按下，通知主機可以進行檢測。主機應首先檢查插入的卡片是否會將電源Vcc與地GND短路，若沒有問題可以打開IC卡的電源，否則提示插入的是廢卡。如果插入的卡片是已經(jīng)擊穿的壞卡或者金屬片，不經(jīng)檢測就打開電源會造成供電回路的短路，嚴重時甚至導致整個系統(tǒng)損壞。單片機的I/O口通過一個小功率三極管控制IC卡的電源開關，每次插卡并檢測后接入5V電源，讀寫完畢后應及時切斷，以便IC卡的拔出。

軟件設計
導線磨耗遙測系統(tǒng)的軟件主要分由主控制程序、接口程序、輔助程序、上位機軟件等幾部分組成。
(1)導線磨耗系統(tǒng)的主控制程序控制整個系統(tǒng)的流程，主要完成程序的初始化、中斷方式的設置、計數(shù)器的工作方式的設置及相關子程序的調用。主控制程序除了管理資源、控制各模塊、處理數(shù)據(jù)外，還包括開機界面的六個顯示子菜單：測量溫度、參數(shù)設置、查看記錄、上傳數(shù)據(jù)、時鐘和休眠。
在數(shù)據(jù)處理算法方面，則使用采樣取平均的方法。在對查表得到溫度值的基礎上，與室溫比較，并進行距離、輻射率的補償。
(2)接口程序即各個接口的驅動程序，包括存儲器、時鐘、液晶、鍵盤、串口、ADC、時鐘和定時器。每個接口程序都應分別進行調試，按照協(xié)議編寫，注意時序問題。I2C電路可根據(jù)其接口時序進行調試。由于AT89C52單片機資源有限，所以需要注意資源的管理。
(3)輔助程序主要是字模提取和寫入，包括圖像圖標和文字的字模提取與保存，圖象的旋轉、縮放、平移、反顯，顏色與大小的修改等。
(4)上位機軟件可以用VC或VB編寫，由串行端口控件MSComm來為應用程序提供串行通信，打開串口、讀取數(shù)據(jù)、存儲和顯示。上位機軟件還可以統(tǒng)計數(shù)據(jù)、連接數(shù)據(jù)庫和遠程管理。數(shù)據(jù)庫可以使檢測記錄格式統(tǒng)一，便于集中處理。遠程管理可以加快數(shù)據(jù)傳輸速度，節(jié)省時間，減少事故發(fā)生的機會。
另外，由于這套系統(tǒng)要長期在野外工作，對穩(wěn)定性要求較高。除了設置硬件看門狗外，還在編程時增加了許多軟件陷阱，使得程序必要時可以迅速復位。

結語
I2C總線電路結構簡單，符合系統(tǒng)設計向小型化低功耗方向的發(fā)展趨勢。在軟件方面，由于使用平臺模式的VIIC軟件包，保證了在較短的時間內(nèi)開發(fā)出高穩(wěn)定性的驅動程序。
本導線磨耗帶電遙測儀基于I2C總線設計，可以快速準確的帶電遙測輸電導線殘高，并能夠自動計算和存儲，還可保存環(huán)境溫度、電源電壓與時間信息。具有操作簡單、界面友好、易擴充等優(yōu)點，對促進電氣鐵路的管理科學化具有重要的應用和推廣價值?！?/p>

參考文獻
1 孫涵芳、徐愛卿著.MCS51/96系列單片機原理及應用(修訂版).北京：北京航空航天大學出版社，1996
2 周航慈著.單片機應用程序設計技術.北京：北京航空航天大學出版社，1991