1 引言
隨著科學技術的發展，乘列車出行、旅游已成為人們主要的交通方式之一，為了保障列車安全運行，定期或不定期地對列車進行安全巡檢是一項極其重要的工作，列檢人員在列車到站時需要對列車安全巡檢。一般的巡查管理制度難以核實固定車次、站點和時間，因此難以實現合理規范化管理。針對這種需求，提出了基于超低功耗單片機C8051F320的列車安全巡檢儀，結合計算機應用軟件管理程序，可使鐵路列車巡檢管理工作更規范更科學。
2 C8051F320單片機簡介
C805lF320是完全集成在混合信號片上的系統型MCU。內核采用高速、流水線結構，指令集完全與標準805l兼容，70％的指令的執行時間為l或2個系統時鐘周期，只有4條指令的執行時間大于4個系統時鐘周期。片內外設包括電源穩壓器(5～3 V)；2個片內電壓比較器：全速、非侵入式的在線系統調試接口；通用串行總線(USB)功能控制器(8個靈活的端點管道，集成收發器和l kB FIF0 RAM)；10位200 Ks／s的17通道單端／差分ADC(帶模擬多路器)；片內電壓基準和溫度傳感器；片內電壓比較器；高精度可編程的12 MHz內部振蕩器和4倍時鐘乘法器；硬件實現SMBus／I2C、增強型UART和增強型SPI串行接口；4個通用16位定時器；具有5個捕捉／比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計數器／定時器陣列(PCA)；片內上電復位、VDD監視器和時鐘丟失檢測器。存儲器有16 KB可在系統編程的Flash存儲器和2 304字節片內RAM(256字節內部RAM+l KB外部RAM+l KB USB FIFO)。
3 系統設計方案
3．1 系統方案說明
為了判斷列檢人員是否到達指定的地點進行安全巡檢，本系統設計利用i—Button信息鈕作為外部信息載體，與PCF8563高精度時鐘器件相配合，實現巡檢地點(用惟一的注冊碼代替)和時間的準確記錄，并利用SD35TR液晶顯示模塊顯示時間和注冊碼；巡檢人員可利用TN9紅外測溫模塊測量車軸溫度。為了便于巡檢人員夜間工作，本巡檢儀還具有高亮度的LED照明功能，并預留USB接口，方便與PC機數據轉儲，以備日后數據處理、查詢。根據巡檢儀的功能設計了系統結構框圖，如圖l所示，主要包括主電路、信息采集、溫度采集、液晶顯示和照明電路等模塊。
主電路模塊如圖2所示，該模塊以C805lF320單片機為核心，采用PCF8563為系統提供實時時鐘，并且外擴512 KB的E2PROM存儲器24LC512，用于存儲采集信息、溫度和時間；通過C805lF320的片內USB控制器外接一個迷你型USB母座作為巡檢儀與PC機的數據轉儲接口；兩個按鍵作為外部中斷輸入，分別啟動信息采集和溫度采集；蜂鳴器作為提示和報警輸出。主電路還包括電池電壓檢測，用于監測電池電量的飽和度。
3．2 i-Button信息鈕接口電路
i—Button信息鈕是一種堅固的數據載體，內部光刻ROM含有國際惟一的64位注冊碼，不銹鋼紐扣型外殼，可防塵、防潮、防震。通過l—Wire總線協議傳輸信號。本系統的i—Button信息鈕采集模塊主要包括DSl990A信息鈕和DS9092信息鈕讀取探頭兩部分。如圖3所示，DSl990A信息鈕的紐扣外形分兩部分作為信號連接；中心為l—Wire總線的I／O連接．周圍為信號地連接。DS9092讀取探頭為杯狀外形，中心為1一Wire總線的I／0連接，周圍為信號地連接，實現與紐扣外形的充分接觸。DS9092背后引出兩條連線，其中一條為1一Wire總線的I／O連接到C805lF320單片機，另一條則為信號地。由于l—Wire總線為上拉傳輸，故其I／O總線必須連接一上拉電阻至電源。由于信息采集是通過一個低電平按鍵中斷進行啟動的，所以在單片機上再連接一按鍵，提供信息采集中斷信號。
3．3 TN9測溫模塊接口電路
TN9紅外測溫模塊采用紅外非接觸測溫，其測溫原理應用斯特凡一玻耳茲曼定律和維恩位移定律。TN9模塊引出5條連接線，依次為：電源(V)、SPI數據(D)、SPI時鐘(C)、地(G)和測試引腳(A)。其中SPI數據(D)和SPI時鐘(C)用于傳輸溫度信息，分別連接C805lF320單片機的PO．4和P0．2引腳作為SPI總線的MOSI和SCK。測試引腳(A)是TN9測溫模塊的啟動信號，低電平有效，故通過一只1kΩ電阻上拉至3．3 V，再通過按鍵接地，然后連接到C8051F320單片機的PO．5引腳作為溫度采集的中斷信號。按鍵按下后將測試引腳(A)置為低電平，啟動TN9測溫，同時通知C8051F320準備接收溫度數據。按鍵松開，測試引腳被上拉為高電平并停止測溫。其電路如圖4所示。
3．4 SD35TR液晶顯示模塊接口電路
SD35TR液晶顯示模塊采用HTl62l作為顯示驅動器。全顯示有4個數字位、1個冒號和1個小數點。亮度調節分為4級，并用4個發光二極管做為背光光源。液晶顯示模塊的接口共有6條引出線，依次為：LED背光源正極(Vcc)、電源正極(Vdd)、地(Vss)、串行數據輸入(DATA)、寫信號(WR)、片選信號(CS)。其中三線串行接口串行數據輸入(DATA)、寫信號 (WR)和片選信號(CS)分別連接C805lF320單片機的P2．7、P2．6和P2．5引腳，直接采用單片機模擬總線控制SD35TR液晶顯示模塊。其電路如圖5所示。
4 系統軟件設計
4．1 系統主流程圖
本系統軟件設計主要實現讀取數據(從DSl9—90A)、溫度測量(列車軸承溫度)、存儲數據和顯示數據的功能。系統初始化后，先檢測電池電壓，然后檢測按鍵。若無按鍵按下或按鍵無效時則讀取并顯示一次時間；若有按鍵按下并且有效時，則執行相應的按鍵子程序，子程序執行完后再讀取并顯示一次時間。此后程序進入待機狀態，等待中斷喚醒，返回到電池電壓檢測進行循環。中斷在本系統設計中只執行喚醒功能。該系統的軟件設計流程圖如圖6所示。
4．2 信息采集模塊
進入信息鈕信息采集子程序時，首先關閉所有中斷，然后發送初始化脈沖。初始化成功后，單片機發送DSl990A的讀ROM命令。按位讀取其64位注冊號并進行校驗，通過后單片機將顯示“PASS”5秒，蜂鳴器短響一聲，表示信息鈕的注冊碼讀取成功。同時讀入采集時間并和采集到的信息一同存入E2PROM。整個過程中，如果初始化或校驗失敗，程序將顯示“Err”5秒、蜂鳴器長響一聲，表示信息鈕讀取失敗。信息鈕信息采集流程如圖7所示。
4．3 紅外測溫模塊
進入測溫子程序后，關閉所有中斷，再使能C805lF320的SPI功能，讀入一個字節數據，然后禁止SPI功能復位計數器；判斷數據是否為0DH，若不是就返回到SPI使能進行循環，若是則數據校驗。校驗通過后，計算實際溫度值并將數值顯示5秒、蜂嗚器短響一聲，表示溫度采集成功。同時讀入測溫時間將其和溫度數據一起存入EEpROM。程序中若校驗沒有通過則顯示“Err”5秒、蜂鳴器長響一聲，表示溫度采集失敗。其流程如圖8所示。
5 結語
列車安全巡檢儀是以C8051F320單片機為核心，實現了離線信息采集、軸溫檢測、照明等功能，有效監督鐵路列車安全工作。該巡檢儀具有結構簡單、成本低、體積小、低功耗和性能可靠等優點。實驗證明，該巡檢儀工作穩定、抗干擾能力強、操作方便，從而說明該巡檢儀軟硬件設計比較合理，具有廣闊的應用前景。