基于W77E532单片机的锁定轨温测试系统

赵 旭，连翠玲，张翠华

(河北省自动化研究所，河北石家庄 050081)

随着无缝线路的大量辅设，铁路有关部门对无缝线路养护维修及安全使用更加重视，而无缝线路的锁定轨温是安排养护维修的重要依据，实际锁定轨温的准确与否是保证无缝线路安全使用的重要因素。如果养护不当，锁定轨温会随着外界环境温度的变化升高或降低，造成线路胀轨或断轨等现象，可能成为列车颠覆重大事故的安全隐患，威胁人民群众的生命财产安全，并造成恶劣的社会影响。由此可见，测量当前线路的实际锁定轨温，并以此为依据养护线路至关重要［1-2］。

本系统以W77E532单片机为控制核心，测试时对所测钢轨施加一定的外力，将钢轨形变与应力状态通过传感器方式数值化，可快速、较准确地测量出线路的实际锁定轨温，为线路的养护提供行之有效的数据保障［3-4］。

1 锁定轨温及其测量方法

1.1 锁定轨温

无缝线路的实际锁定轨温是指长轨节应力状态为零时，即无温度应力状态时的轨温。实际锁定轨温反映出无缝线路在运营中的应力状态，随着应力状态的变化，无温度力状态的轨温也发生变化，因此，实际锁定轨温是个可变量［5-6］。

1.2 测量方法

本系统采用同心力变法测量线路的锁定轨温。具体方法是:首先利用线路养护工具和养护方法使部分钢轨悬空，然后将施力机构与千分表分别固定在悬空钢轨中心处的两侧，其中施力机构的施力中心与千分表测量触头在一条直线上，通过施力机构向钢轨施加不同的压力使得钢轨产生弯曲变形，千分表可测量此变形的量值，经公式运算可得出线路的锁定轨温［7］。测量方法示意图如图1所示。

图1 测量方法示意图Fig.1 Schematic diagram of measurement method

1.3 计算公式

有关部门主要采用观测桩法或巴克豪森噪声效应原理测量无缝线路的锁定轨温，其不仅费时、费力，而且还对钢轨造成一定的损害。在此理论的基础上，本研究将其原理性的部分做了改进，主要是利用对钢轨的作用力和位移变化量与温度、湿度等环境参数拟合出经验公式，经过大量实验和在试验线路实际测量，锁定轨温值与传统方法测试出的相差无几。锁定轨温计算公式如下:

式中:k为湿度系数;m为温度系数;n为长度系数;F为压力值;l为悬空段钢轨长度;d为位移值;T为当前钢轨温度［8］。

2 硬件设计

2.1 系统设计

本系统采用51系列单片机W77E532为控制核心，W77E532是台湾华邦公司生产的快速8051兼容微控制器。促使选择其作为本系统控制核心的主要理由如下:

1)执行速度快 W77E532的时钟速度、存储器访问周期速度和指令执行速度比标准8051整体速度要快2.5倍。

2)存储空间大 编译后，本系统的程序量为70 KB左右，市面上一般的C51芯片的EPROM最大仅为64 KB，只能外接存储芯片，实现程序的存储。而W77E532内含 128KB可区域寻址的 Flash EPROM，满足了本系统的程序存储空间要求。

3)可扩展性好 W77E532接口定义多样化，可根据控制字灵活定义I/O口的不同功能，使用起来非常方便。

利用其提供的I/O口及接口电路组成系统，硬件原理如图2所示。

图2 硬件原理示意图Fig.2 Schematic diagram of hardware theory

SL811HS电路使用USB移动存储设备接口芯片SL811HS为核心，实现了测试数据转存至U盘的功能;DS1302电路使用时钟芯片DS1302为核心，实现了日期与时间的记录和读取;8255电路组成行列键盘阵列，实现了外部数据、资料的输入［9-10］。

本系统共有4路模拟量输入，分别为压力、温度、湿度和电压信号，由12位A/D转换器ADS774进行A/D转换。

对位移量的采集使用的是千分表，其输出为数字信号，接口协议为RS232，通过RS232收发器，MAX232和单片机的TXD，RXD连接建立通信，即可有条件的读出位移变化值。

系统采用存储空间为32 KB的EPROM芯片28C256F作为内部存储单元，可按照一定格式存储测量数据，液晶显示采用的是240×64点阵的液晶屏，可实现人机交互的功能。

系统的硬件设计实现了利用外部中断读写功能、RS232通信功能、A/D采集功能和存储显示功能，具有较高的集成度［11-12］。

2.2 接口设计

W77E532是基于51单片机原理的扩展型单片机。本系统利用其数据总线P0口和P2口作为地址总线，采用3线－8线译码器74ls138作为各功能模块的选通接口，实现了整个系统的协调运行。以下介绍系统的主要接口设计。

2.2.1 A/D采集接口设计

由于系统共有4路模拟量输入，但是ADS774为单输入A/D转换芯片，所以需进行分时复用设计实现多路A/D信号的采集。系统采用8通道多路复用器ISL43741实现上述功能，通过软硬件结合，进行4路模拟信号的采集和A/D转换。同时，需对模拟输入和数据接口进行光电隔离处理，以使数据转换更加精确。本系统A/D采集接口设计如图3所示。电压信号等4路模拟量分别接到ISL43741的模拟量输入端No1～No4上，哪一路信号输出由ADD1～ADD3的状态值控制。当ADD1～ADD3为000时，No1输出，依此类推。ADS774的数据线DB0～DB11接至总线A0～A11，用于传输转换过来的12位数据值，STATUS为触发 A/D转换指令［13-14］。

2.2.2 按键响应接口设计

本系统共有20个按键，如果直接使用单片机的I/O口进行按键响应，势必会造成I/O口不够用，因此，系统使用并行I/O芯片8255进行按键响应接口设计。20个按键采用4行5列行列按键原理设计，9个I/O口即可实现功能。按键响应接口原理如图4所示。8255的片选接至3－8译码器74ls138的输出Y1端，PA0～PA3为行列按键的行，PB0－PB4为行列按键的列，组成4×5的按键行列。当对应按键按下时，可读出相应按键值。

图3 A/D采集接口设计图Fig.3 Design picture of A/D acquisition interface

图4 按键响应接口设计图Fig.4 Design picture of key response interface

2.2.3 液晶显示接口设计

系统使用240×64点阵液晶屏作为人机界面，其采用8位并行数据接口和单片机数据连通，利用多总线控制器与外围模块和CPU之间转换数据，保证了信号处理的快速性和实时性，通过编程处理和设计，满屏可显示15×4行汉字。接口设计电路如图5所示。24064液晶屏的片选接至3－8译码器74ls138的输出Y2端，FS为液晶屏的字符点阵控制，当其为低电平时，为8×8点阵字符。

图5 液晶显示接口设计图Fig.5 Design picture of LCD interface

3 软件设计

系统的控制软件由Keil C编制，软件组成主要包括A/D转换、键盘响应、液晶显示、数据存储读取及分析计算等部分。现场应用照片如图6所示。

图6 现场应用照片Fig.6 Field application photo

3.1 A/D转换程序

据前文所述，本系统共有4路模拟量输入，需定义通道控制命令字，需要A/D转换时，首先指定A/D通道，然后向A/D转换器地址写入任意数值即可启动一次A/D转换，A/D转换部分程序如下。

3.2 键盘响应

本系统采用扫描方式处理按键响应。当对应按键按下时，行列按键对应的扫描线将相应按键特征值记录下来，由单片机读取该值，作出按键的判断并执行对应程序。

3.3 分析计算

分析计算程序基于锁定轨温计算公式。经研究人员大量试验得知，湿度参数系数虽然变化不大，但是仍然不可忽略，在整体湿度范围内不为线性表示，但是在某一段范围内可大致认为是线性。具体如下定义:

code float damp［10］={0.958，0.976，0.983，0.989，0.996，1.003，1.009，1.018，1.029，1.036}。

使用时，根据当前湿度值读取对应范围，并得出系数参数。

其他参数由各传感器信号提供，最终经公式得出当前点的锁定轨温，并存储至系统内部存储器。

3.4 数据存储读取

本系统有2种存储方式，一种是系统内EPROM存储，一种是外部USB设备存储，系统内存储实现的软件编制采用按位写入基地址+位地址的方式，外部USB存储写入为采用外部中断给单片机指令，再由单片机读取内部存储记录以并行写入方式存储至USB设备。

3.5 液晶显示

本系统采用240×64点阵液晶屏，将汉字编码存至代码段，使用时读取对应的编码输出到液晶屏显示，并控制好行、列位置，每个汉字编码不同，因此这段代码较多，占用存储空间较大［15-16］。

以上为软件设计的介绍，软件编译后大小为70 KB左右，利用Keil C提供的程序分块功能分为两块，分别写入W77E532的APFlash0和APFlash1中，实现了系统方案确定的全部功能。

4 结语

本文介绍的无缝线路锁定轨温测试系统由于采用的是非破坏性检测方法，在检测速度上要高于传统检测方法，而且据有关部门检定其检测精度也符合要求。目前，该系统已在国内多家铁路工务养护车间试用。另外，该系统体积较小，测试时携带方便，且工作稳定，满足了铁路部门日常养护工作的需求。

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