無(wú)縫線(xiàn)路軌溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用

摘要：為簡(jiǎn)便實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)無(wú)縫線(xiàn)中的鋼軌溫度，應(yīng)對(duì)鋼軌進(jìn)行應(yīng)力散放作業(yè)。介紹了無(wú)縫線(xiàn)路軌溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)。在該系統(tǒng)中，利用單片機(jī)對(duì)傳感器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)傳輸，借助串行通信實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互控制。該系統(tǒng)目前已投入使用，通過(guò)對(duì)軌溫的實(shí)時(shí)測(cè)量和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，為軌道監(jiān)測(cè)和維護(hù)作業(yè)提供了科學(xué)的依據(jù)。
　　關(guān)鍵詞：無(wú)縫線(xiàn)路軌溫溫度應(yīng)力傳感器控制串口通信
　　
　　當(dāng)今，世界各國(guó)鐵路都在大力發(fā)展無(wú)縫軌道。無(wú)縫軌道的特點(diǎn)是鋼軌中間不留間際，但無(wú)縫鋼軌因熱脹冷縮所帶來(lái)的長(zhǎng)度變化會(huì)產(chǎn)生巨大的溫度應(yīng)力作用，若鋼軌應(yīng)力散放控制得不好，天熱時(shí)可能會(huì)造成脹軌跑道，天冷時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)拉斷鋼軌的情況。因此，自無(wú)縫軌道問(wèn)世以來(lái)，軌溫監(jiān)測(cè)工作就被放到了一個(gè)非常重要的地位。目前，我國(guó)的鐵路軌溫監(jiān)測(cè)主要是靠人工定點(diǎn)定時(shí)測(cè)量完成。這種測(cè)溫方法所獲得的監(jiān)測(cè)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(dòng)力多、測(cè)量誤差大、實(shí)時(shí)性差，因此難以為鐵路工務(wù)作業(yè)提供及時(shí)、準(zhǔn)確、科學(xué)的決策依據(jù)。
　　
　　本文所提出的無(wú)縫鐵路軌溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是針對(duì)這一情況而設(shè)計(jì)的。通過(guò)控制遠(yuǎn)程傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)軌溫度測(cè)量。并把測(cè)得的軌溫?cái)?shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和分析，極大方便了鐵道工作者對(duì)軌溫的測(cè)量和監(jiān)控以及制定相應(yīng)的軌道維護(hù)策略。
　　
　　1系統(tǒng)框圖
　　
　　本系統(tǒng)利用89C51單片機(jī)及其外圍電路完成對(duì)DS18B20單總線(xiàn)數(shù)字傳感器的控制和數(shù)據(jù)傳輸，利用以nRF401無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片為核心構(gòu)建的無(wú)線(xiàn)收發(fā)器完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，借助單片機(jī)和計(jì)算機(jī)之間的串行通信完成人機(jī)交互控制，并用VB語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了適應(yīng)于鐵路溫度測(cè)量系統(tǒng)的個(gè)性化交互辦是非界面。圖1所示是無(wú)線(xiàn)軌溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理圖，這種方式具有方便、快捷和靈活的優(yōu)點(diǎn)、同時(shí)克服了工程中布線(xiàn)的困難。
　　
　　2硬件實(shí)現(xiàn)
　　
　　按照系統(tǒng)原理圖的設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)中需要用到的硬件芯片主要包括DS18B20單總線(xiàn)數(shù)字傳感器、nRF401無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片、MCS-51單片機(jī)、MAX232等，這些芯片配以相應(yīng)的外圍電路，構(gòu)成系統(tǒng)的基本硬件結(jié)構(gòu)。下面對(duì)各硬件的特點(diǎn)及其在本系統(tǒng)中使用的相應(yīng)電路分別進(jìn)行介紹。
　　
　　2.1DS18B20單總線(xiàn)數(shù)字傳感器
　　
　　DALLAS公司的DS18B20單總線(xiàn)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(cè)量精度為±5℃；具有溫度報(bào)警功能，用戶(hù)可設(shè)置最高和最低報(bào)警溫度，且設(shè)置值掉電不丟失；采用DALLAS公司特有的單總線(xiàn)通信協(xié)議，只用一條數(shù)據(jù)線(xiàn)就可實(shí)現(xiàn)與MCU的通信；此外，DS18B20能夠直接從數(shù)據(jù)線(xiàn)獲得電源，無(wú)需外部電池供電。
　　
　　DS18B20與單片機(jī)的接口電路如圖2所示。DQ為數(shù)字信號(hào)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(xiàn)方式時(shí)接地）。
　　
　　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(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。光刻ROM中的64位序列號(hào)是出廠(chǎng)前被光刻好的。相當(dāng)于給每個(gè)DS18B20分配了一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的64比特地址序列碼，這就允許多個(gè)DS18B20工作同條一線(xiàn)總線(xiàn)上，從而大大簡(jiǎn)化了分布式溫度傳感系統(tǒng)的應(yīng)用。溫度傳感器完成對(duì)溫度的測(cè)量，溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL以及配置寄存器的設(shè)置值均以一個(gè)字節(jié)的形式存儲(chǔ)在EEPROM中，使用一個(gè)存儲(chǔ)功能命令可對(duì)其寫(xiě)入。
　　
　　2.2nRF401無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片
　　
　　nRF401是NORDIC公司最新推出的單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)一體化芯片中。該芯片采用藍(lán)牙核心技術(shù)設(shè)計(jì)。在一個(gè)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，是目前集成最高的無(wú)線(xiàn)數(shù)傳產(chǎn)品。
　　
　　圖3
　　
　　它的功能特點(diǎn)如下：
　　
　�。�1）工作頻率為國(guó)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(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場(chǎng)合。
　　
　　（3）采用DSS+PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性極好。
　　
　　（4）靈敏主度高達(dá)-105dBm。
　　
　　（5）功耗小，接收待機(jī)狀態(tài)時(shí)僅為8μA。
　　
　�。�6）最大發(fā)射功率達(dá)+10dBm。
　　
　�。�7）工作電壓為2.7V，可滿(mǎn)足低功耗設(shè)備的要求。
　　
　�。�8）具有多個(gè)頻道，可方便地切換工作頻率，滿(mǎn)足需要多信道工作的特殊場(chǎng)合的應(yīng)用。
　　
　�。�9）工作速率最高可達(dá)20kbit/s。
　　
　�。�10）僅外妝一晶體和幾個(gè)電阻、電容、電感元件，基本無(wú)需調(diào)試。
　　
　�。�11）低發(fā)射功率、高接收靈敏度，開(kāi)闊地的使用距離最遠(yuǎn)可達(dá)1000m。
　　
　　圖3是nRF401在本系統(tǒng)中應(yīng)用的電路原理圖，可直接應(yīng)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(gè)基準(zhǔn)晶體及幾個(gè)無(wú)源器件，沒(méi)有調(diào)試部件，這給研制及生產(chǎn)帶來(lái)了極大的方便。圖中L1電感需要采用高Q高精度的巾片繞線(xiàn)高頻電感（Q>45），晶體X1城需要采用高穩(wěn)定度晶體，電容元件應(yīng)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。
　　
　　2.3MCS-51單片機(jī)
　　
　　單片機(jī)是在一塊硅片上集成了各種部件的微型計(jì)算機(jī)，這些部件包括中央處理器CPU、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM、程序存儲(chǔ)器ROM、定時(shí)器/計(jì)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(jī)，本系統(tǒng)中用它對(duì)溫度傳感器進(jìn)行控制和與計(jì)算機(jī)進(jìn)行串口數(shù)據(jù)通信。
　　
　　2.4串口通信
　　
　　EIA-RS-232C對(duì)電器特性、邏輯電平和各種信號(hào)線(xiàn)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）取范圍為+3V--+15V。在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線(xiàn)上：信號(hào)有效（接通、ON狀態(tài)、正電壓）取值范圍為3V--+15V；信號(hào)無(wú)效（斷開(kāi)、OFF狀態(tài)、負(fù)電壓）取值范圍為為-3V---15V。EIA-RS-232C是用正負(fù)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(jì)算機(jī)接口或終端的TTL器件連接，必須在EIA-RS-232C與TTL電路之間進(jìn)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(shí)，RS-232C所能直接連接的最大物理距離為15m。
　　
　　3軟件實(shí)現(xiàn)
　　
　　3.1單片控制程序
　　
　　這里使用單片機(jī)的C語(yǔ)言編寫(xiě)單片機(jī)控制程序。和匯編語(yǔ)言相比，單片機(jī)的C語(yǔ)言具有可讀性高、易移植等優(yōu)點(diǎn)。該控制程序主要對(duì)溫度傳感器進(jìn)行控制，并收集溫度傳感器測(cè)得的軌溫?cái)?shù)據(jù)。對(duì)每個(gè)溫度器的控制流程如圖4所示。根據(jù)系統(tǒng)的需求，還可以用單總線(xiàn)方式對(duì)多個(gè)溫度傳感器進(jìn)行控制，從而完成多點(diǎn)測(cè)量任務(wù)�？刂屏鞒倘鐖D5所示。
　　
　　3.2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磅格式。數(shù)據(jù)發(fā)送和接收均將起始位和停止位作為開(kāi)始和結(jié)束的標(biāo)志。在該軌溫監(jiān)測(cè)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(shí)，先發(fā)送一個(gè)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(shí)，先判斷接收端品時(shí)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(gè)數(shù)據(jù)的接收，否則繼續(xù)等待。軟件編寫(xiě)嚴(yán)格按照異步通信的時(shí)序進(jìn)行，每比特位傳送的時(shí)間間隔按通信速率為1200bit/s計(jì)算，為833μs。
　　
　　3.3監(jiān)控計(jì)算機(jī)用戶(hù)界面和數(shù)據(jù)庫(kù)部分
　　
　　使用VB語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)用戶(hù)界面和數(shù)據(jù)庫(kù)部分編程，生成性能良好的人機(jī)界面，使得用戶(hù)能夠方便快捷地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理；同時(shí)對(duì)測(cè)昨的軌溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，從而達(dá)到研究鐵軌溫度應(yīng)力、及時(shí)改善軌道狀況的目的。系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)定為10分鐘測(cè)量一次軌溫，測(cè)得的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于專(zhuān)用的數(shù)據(jù)庫(kù)中。根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的這些溫度值，用戶(hù)可以通過(guò)軟件預(yù)設(shè)的功能生成相應(yīng)的曲線(xiàn)圖，從而清楚地觀測(cè)到當(dāng)天、當(dāng)月、當(dāng)年溫度的變化規(guī)律和統(tǒng)計(jì)峰值，進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)力分析和研究。
　　
　　4應(yīng)用
　　
　　無(wú)縫線(xiàn)路由于在結(jié)構(gòu)上限制了鋼軌的伸縮，所以當(dāng)軌溫發(fā)生變化時(shí)就會(huì)產(chǎn)生巨大的縱向溫度力，這是在受力方面與與標(biāo)準(zhǔn)軌線(xiàn)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(wú)縫線(xiàn)路鋼軌溫度力計(jì)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(xiàn)膨脹系數(shù)，為11.8×10-6/℃，
　　
　　Δt——相對(duì)于零應(yīng)力軌溫的軌溫變化幅度。
　　
　　可得溫度應(yīng)力與軌溫變化的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖6所示。
　　
　　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(dāng)中，軌溫也是不停地變化著的。一般說(shuō)來(lái)，鎖定軌溫（即通常理解的零應(yīng)力軌溫）是一個(gè)常量，如果準(zhǔn)確地掌握了實(shí)際鎖定軌溫，便可以知道任意軌溫時(shí)的軌溫變化幅度以及相應(yīng)的溫度力。
　　
　　該無(wú)縫線(xiàn)路軌溫實(shí)時(shí)監(jiān)沒(méi)軌溫進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)全天候測(cè)量，并對(duì)測(cè)得的軌溫?cái)?shù)所進(jìn)行相應(yīng)的存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)處理，用戶(hù)界面生動(dòng)，操作簡(jiǎn)單，可協(xié)助鐵道工作人員完成軌溫測(cè)量這一重要而又繁冗的工作。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)在溫度應(yīng)力作用下的軌道狀況進(jìn)行巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)無(wú)縫線(xiàn)路出現(xiàn)的異常，按規(guī)定采取必要的應(yīng)中以解救，進(jìn)行無(wú)縫線(xiàn)路應(yīng)力放散作業(yè)，消除隱患。特別是應(yīng)根據(jù)秀節(jié)特點(diǎn)，在冬、夏季最低軌溫和最高軌溫時(shí)間段加強(qiáng)無(wú)縫線(xiàn)路的巡檢，以便發(fā)現(xiàn)無(wú)縫線(xiàn)路的鋼軌折磨或脹軌路道的先兆，合理安排線(xiàn)路維修計(jì)劃，確保行車(chē)安全。結(jié)合無(wú)縫線(xiàn)路的鎖定軌溫和線(xiàn)路狀態(tài)，維修計(jì)劃的原則為：在氣溫較低的季節(jié)安排鎖字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(shí)驗(yàn)室調(diào)度階段測(cè)得的溫度值統(tǒng)計(jì)示例。
　　
　　表1軌溫監(jiān)測(cè)值數(shù)據(jù)庫(kù)示例
　　
　　空氣溫度/℃年月日時(shí)間鋼軌溫度/℃27.220028921：43：5427.227.120028921：53：5527.228.3200281019：12：0928.128.4200281019：29：1828.128.5200281019：29：2428.128.5200281019：29：3028.228.5200281019：50：1728.228.5200281020：00：1828.127.1200281110：30：5226.927200281110：41：0326.927.2200281110：51：1027
　　該無(wú)縫線(xiàn)路軌溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從2002年10月開(kāi)始在天津鐵路分局天津東車(chē)輛段試用，經(jīng)過(guò)近一年的時(shí)間，已經(jīng)測(cè)量并積累了大量的軌溫?cái)?shù)據(jù)。同時(shí)，在使用的過(guò)程中，也對(duì)線(xiàn)路連接的一些工程問(wèn)題進(jìn)行了不斷的完善，防止因接口接觸不良而導(dǎo)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(gè)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(huì)因列車(chē)的經(jīng)過(guò)而移動(dòng)或損壞。
　　

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