the design for the system of measuring and alarming speed of trains
中国矿业大学 马鸿文 MaHong-wen
摘要：基于P89C66X单片机，CPLD及I²C总线技术的一种列车测速报警系统的研制，对其功能，软硬件设计进行了详细的讨论。
关键词：列车测速报警系统，P89C66X，CPLD， I²C总线技术 中图分类号：TP216 文献标识码：B
abstract: A method to devise a roboticized system which can measure speed of train and give a alarm when the train overspeed is explained in this paper.By using minicomputerP89C66X,CPLD and I²C-bus technology ,we can finish our objective efficiently and credibly.
Keywords: measuring and alarming speed of trains, P89C66X,CPLD ,I²C-bus technology
0 需求信息
近年来，列车已经大幅度提速。列车提速后所带来的经济效益和社会效益十分显著。但高速行驶的列车却给铁路维护带来不便。例如：火车经过施工路面时必须减速，否则路面易损坏或者发生人身事故。因此有必要研制一种列车测速报警系统，在离施工现场一定距离处上下行各安装一套此系统。系统具备功能如下：（1）：当列车经过测速传感器，系统测量车速（测速范围为5km/h-300 km/h）,并记录和存储列车车速，经过时刻，股道，定位，上下行等信息。若超过设定速度上限，启动语音芯片报警（此语音通过无线通讯设备发送给司机和现场施工人员，司机收到信息后开始减速，施工人员迅速避让，以便列车安全通过施工现场。）（2）：可保存24小时以内所有通过列车的有关信息，若不删除，数据可保留100年。（3）：系统具有查询,打印,删除24小时内通过列车的所有信息的功能。(4):具有设定车速报警阈值功能,每设定一次加5 km/h或减5 km/h.。 (5)具有电源监控及抗干扰能力强的性能。
1 测速传感器原理及其应用
1.1: 测速传感器
测速传感器采用高频反射式电涡流传感器,工作原理如图1.1所示。电路中振荡器产生高频F0信号电源,.当车轮未接近时,X=∞,此时选择电容C使其与传感器线圈电感L发生并联 谐振,且F(谐振)=1/[2π(LC)
1/2
]=F0, 此时阻抗Z最大, 图1.1电涡流传感器及其原理框图
输出电压 e最大,经过处理电路输出电压U=Umax=5V。当车轮接近时,X=X0,车轮感应的电涡流使线圈电感减小,回路失谐,Z减小,e减小, 经过处理电路输出电压U=Umin=0V。所以车轮未接近到经过测速传感器,输出电压为5V—0V,即发生一个负跳变脉冲信号。
1.2测速的方法:
如图1.2为传感器布置示意简图。在距施工现场h处上下行方向各安装一套列车测速报警系统。列车上行方向的传感器组分别为#1,#2号传感器,沿铁轨长度方向隔开27cm安装,用不锈钢夹子固定在铁轨两旁,负责检测上行方向列车的车速并越限报警。而对下行方向的列车则不予考
虑。列车下行方向的传感器组分别为#3,#4号传感器,沿铁轨长 度方向隔开27cm安装,用不锈钢夹子固定在铁轨两旁,负责检测下行方向列车的车速并越限报警。而对上行方向的列车则不予考虑。两套测速原理相同。此处只给出上行方向的测速方法。列车上行时,列车前轮靠近#1号传感器, #1号传感器发生一个负跳变
脉冲信号。如V1所示,经过时间∆T1，列车前轮靠近#2号传感器, 图1.2为传感器布置示意简图 #2号传感器发生一个负跳变脉冲信号，如V2,测量时间∆T1(us)，即可计算车速V=（27*10（∆T1*10
−6
−2
*10
−3
*3600)／
）=972000／∆T1（千米/小时）。列车继续前行 , #1号传感器将持续检测到周期性的负跳变脉冲信
号(因为列车车轮间距相同的经过传感器,)若超过一定时间,设为2秒, #1号传感器没有产生脉冲信号,说明列车已完全通过#1号传感器。当列车下行时,列车前轮依次经过#4号传感器#3号传感器,测速方法同上。
2 系统硬件电路设计
由上述需求信息可见,系统所实现的功能多多,须打印,时钟，监控按键及LED处理，存储,报警语音等,若采用并行接口进行I/O口扩展，势必占用较多的I/O口,结构冗杂,连线较多,软件处理复杂,故而笔者在本次设计中综合运用单片机,CPLD,I²C总线技术。整个系统的硬件电路原理图如图2-1所示。
图2-1：系统的硬件电路原理图
说明如下:
在本系统中我们选用PHLIPS公司生产的P89C66X单片机作为系统的核心微控制器.(MCU),该系列产品是个8位微控制器,其制造领先于CMOS工艺,衍生于80C51控制器家族.指令与80C51的指令集100%的执行和时序兼容。 P89C66X单片机有4个8位I/O口端,3个16位定时器/记数器,1个复用源,4个优选级嵌套中断结构,1个强大的UART和片内振荡器以及时序电路。 P89C66X单片机增加的特征使其成为一个强大的控制器。我们选用DIP-40封装形式,其中P1.6/SCL,P1.7/SDA为I²C总线技术的时钟线(开漏)和数据线((开漏)。
本次设计的CPLD(复杂可编程逻辑设计)器件采用ALTERA公司的EP1K50QC208-3,我们用一块EP1K50QC208-3设计本系统专用的ASIC芯片。
本次设计采用I²C总线技术扩展I/O口。 I²C总线技术是PHLIPS公司推出的一种高效可靠方便的技术,为二线传输。I²C总线技术可缩小单片机及外围芯片体积,简化连接线路,可实现电路系统 的模块化设计等等。目前采用和支持I²C总线的器件大量涌现。I²C总线通过2根线串行数据(SDA)和串行时钟(SCL)线连接到总线上的任何一个器件,每个器件均有自己唯一的器件地址，而且都可以作为一个发送器或接受器。本系统共用5个I²C总线技术器件,分述如下:其中三块PCF8574A扩展I/O口芯片,器件地址有A0,A1,A2所接电平决定.。PCF8574A(1)扩展I/O口外接六个独立式按键,作为监控输入信号使用,一旦有按键,引发INT0中断,从而完成不同的按键功能(查询，删除,打印,设定参数等)。PCF8574A(2)扩展I/O口外接TP-µP40打印机的数据线。打印机的控制口STB,BUSY接MCU的P1.2及P1.3口。PCF8574A(3)扩展I/O口外接语音芯片ISD2560的数据线.。ISD2560语音芯片的A8,A9均接地,。ISD2560语音芯片假设事先已录音完毕且语音地址分段完毕。 ISD2560语音芯片的控制口CE,PD,P/R,EOM控制口分别接MCU 的P3.0 P3.1,P3.4,P3.5,若扬声器音量不够,可用MC34119驱动扬声器。为了能随时记录列车经过的时刻,在系统中我们采用了内含I²C总线技术的器件PCF8563日历时钟芯片(写地址:0A2H,读地址0A3H)。时间一旦写入, PCF8563能自动计时,调用时间信息十分方便。选用E²PROMAT24C128(写地址:040H,读地址041H)作为系统的数据存储器能随时存储24小时以内所有经过列车的数据, E²PROMAT24C128容量为128KB,完全可容纳24小时以内所有经过列车的数据信息，并且存储数据可靠,在极强的干扰下数据不丢失，读写寿命达100百万次,数据可保存100年。
３ 系统软件设计
本系统软件设计部分由数字电路系统设计硬件描述语言Verilog HDL语言及MCU的 汇编语言编程两大块内容组成。
３.1:CPLD部分: 主要完成以下三个功能(1):接收#1,#2号传感器信号输入,计算车速,并判断列车经过否?
引发MCU的INT1中断。(2) 与MCU互传数据。(3)作为16位LED动态显示器件等。功能（２），（３）许多参考书多有叙及，下面只对如何实现功能（１）的原理叙述如下：
测∆T1时间原理为把输入的40MHZ 的标准脉冲信号分频到10MHZ,在∆T1时间内记数,则∆T1=脉冲数*0.1µS，计算车速公式为V=9720000／脉冲数（千米/小时）,调用32位标准除法模块实现之。
判列车是否通过的软件思路为:程序初始化时应设flagpass(列车通过标志位)并设立计时缓冲寄存器。列车前行, #1号传感器发生持续周期性负跳变脉冲信号,#1号传感器每产生一个负跳变脉冲信号,启动计时缓冲器从零开始计时并检查flagpass标志位,为１，说明列车车头前轮刚驶过,为第一个负跳变脉冲信号。则计算车速并取消flagpass标志位。可见测速系统只在列车第一个前轮经过#1号,#2号传感器.时才测量车速。因为每个负跳变时刻,计时缓冲寄存器都要从零开始计时,若计时缓冲寄存器溢出,(此处设2秒)说明列车完全经过#1号传感器,此时设flagpass标志.系统等待进行下一辆列车的车速测量与计算。所有列车的车速都在∆T1计算。一旦车速计算完毕,启动out1输出口即MCU的INT1中断输入口,进行列车的车速传输及其他处理。
３.２ MCU的汇编程序设计
图3.1 INT1 INT0中断程序流程图
MCU的汇编程序设计主要由主程序和两个中断INT0,INT1程序组成。主程序的功能为系统初始化,例如
CPLD与MCU交换地址,数据各种flag缓冲区,存储缓冲区初始化,中断初始化,车速上下限初始化,各种子程序的写入等。在无限循环中不断调用16位LED变灰子程序等待INT0,INT1中断的发 生。INT1中断程序主要完成列车信息的获取,存储,越限启动语音芯片。INT0中断程序完成判键散转功能.。图3.1.为INT0,INT1中断程序流程图。
4 电源监控及抗干扰技术
由于测速系统为便携式,野外工作时采用蓄电池作为电源,因此有必要设置一套可靠的复位电路,看门狗以及低压检测电路。本系统采用MAXIM公司max808芯片(同时具备看门狗以及低压报警功能)电路作为MCU的监控器以保证系统可靠的工作。另外由于采用CPLD和 I²C总线技术(二线传输)其本身就具备高的抗干扰能力。当然也可在软件中采用软件冗余等方式提高抗干扰能力。
5 结束语
通过以上设计,我们完成基于P89C66X单片机，CPLD及I²C总线技术的一种列车测速报警系统的设计,其具备结构小巧,工作效率高,功能全面,可靠灵活, 抗干扰能力强的特点。所有程序均在广州致远电子有限公司设计的单片机和CPLD综合仿真仪DP-MCU/Altera上仿真调试通过,实验证明:完全达到设计要求。
参考文献:
(1) 周立功主编<<单片机与CPLD综合应用技术>.北京航空航天大学出版社 2003 (2) 何立民主编<<单片机高级教程的应用与设计>> 北京航空航天大学 出版社 2001 (3) 李华主编< （6）刘汉平等：80C196单片机和CPLD在光电轴角编码器中的应用《微计算机信息》嵌入式与 SOC片上系统专题报告2006-2月-2旬 P3-4 作者简介:马鸿文(1967-),女,(汉族),江苏徐州人, ,中国矿业大学信电学院教师（中级） 《检测与转换技术》实验室 在职在读硕士研究生，方向：电力电子与电气传动。1990年毕业于合肥工业大学电气工程系电机专业 工学学士 ， EMAIL： MMHHWW402@163.COM About the writer: Ma Hong wen(1967-) female,graduated from He Fei University of technology, major in motor engineering。now,as an engineer, she works in the institute of information and electrical engineering, china of university of mining and technology. 2006.4.14 本文创新点为： 1：在本系统中我们选用PHLIPS公司生产的增强型P89C66X单片机作为系统的核心微控制器.(MCU),该系列产品是个8位微控制器,其制造领先于CMOS工艺,衍生于80C51控制器家族.指令与80C51的指令集100%的执行和时序兼容。本次设计采用I²C总线技术扩展I/O口。 I²C总线技术是PHLIPS公司推出的一种高效可靠方便的技术,为二线传输。I²C总线技术可缩小单片机及外围芯片体积,简化连接线路,可实现电路系统 的模块化设计等等。目前采用和支持I²C总线的器件大量涌现。I²C总线通过2根线串行数据(SDA)和串行时钟(SCL)线连接到总线上的任何一个器件,每个器件均有自己唯一的器件地址，而且都可以作为一个发送器或接受器。本系统共用5个I²C总线技术器件。取代了以往89C51单片机和老套的8255等扩展I/O 口。整体设计简练可靠，体积小巧，便于野外安装。 2：语音报警芯片采用ISD2560语音芯片（其经常被用于公交车报站器，使用简单可靠） 3：本次设计的CPLD(复杂可编程逻辑设计)器件采用ALTERA公司的EP1K50QC208-3,我们用一块EP1K50QC208-3设计本系统专用的ASIC芯片作为 P89C66X单片机的外设，语言采用Verilog HDL标准芯片设计语言，能（1）高速进行乘除运算（此为单片机的弱项），（2）与MCU互传数据。(3)作为16位LED动态显示器件等。具体详见周立功主编<<单片机与CPLD综合应用技术>.北京航空航天大学出版社 2003。 4：本系统采用MAXIM公司max808芯片(同时具备看门狗以及低压报警功能)电路作为MCU的监控器以保证系统可靠的工作。另外由于采用ASIC（CPLD）和I²C总线技术器件(二线传输)其本身就具备高的抗干扰能力，而且由于外围设计器件数量少，受到干扰的可能性就小。当然也可在软件中采用软件冗余等方式提高抗干扰能力。 5：本设计采用高频反射式电涡流传感器，其具有结构简单，安装方便，灵敏度高，抗干扰能力强，不受油污介质的影响的特点。 总之：在本次设计中全部采用高新科技，高新科技本身就蕴涵着无限的潜力和价值。本次设计作为一个例子抛砖引玉，详细的介绍了采用PHLIPS公司生产的增强型P89C66X单片机，I²C总线技术器件， ASIC设计等实现自动化仪表——列车测速报警系统。 2006．5．18 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容