基于dsPIC30F6011A單片機的機車軸溫采集盒的設計

魏柏榮，李可為

(1.西南交通大學 電氣工程學院，成都 610031;2.成都電子機械高等專科學校 通信工程系，成都 610031)

基于dsPIC30F6011A單片機的機車軸溫采集盒的設計

魏柏榮1，李可為2

(1.西南交通大學 電氣工程學院，成都 610031;2.成都電子機械高等專科學校 通信工程系，成都 610031)

機車軸溫監測系統是確保機車行車安全的重要設備，溫度采集盒是該系統的重要組成部分。針對傳統溫度采集盒在運用中出現的問題，提出了采用dsPIC30F6011A單片機對其進行改進的解決方案，介紹了溫度采集盒的系統原理，并闡述了系統的設計與實現。

軸溫監測系統;機車安全;監測系統;dsPIC30F6011A

機車作為重要的鐵路運輸設備，其運行狀況的好壞直接影響鐵路運輸指標。車軸是機車走行部上的重要部件，一旦發生故障，將直接危機行車安全。一般來說，車軸發生故障前會有急劇的溫升現象，因此軸溫可以看成是安全行車的一項重要指標。研制性能可靠的軸溫監測系統，對保障機車安全運行具有重要意義。本文采用dsPIC30F6011A單片機，對傳統溫度采集盒在運用中出現的問題提出了解決方案，并詳細闡述了系統的設計和實現。

1 傳統軸溫監測系統

傳統軸溫監測系統一般由顯示器、主機和溫度采集盒3個部分組成。溫度采集盒安裝在機車走行部上，負責采集軸溫數據，并通過現場總線將數據傳送給主機;主機布置在機車機械間，接收和處理采集盒送來的數據，并把處理結果送到顯示器;顯示器布置在兩端的司機室，接收并顯示主機送來的數據，向司機提供軸溫信息。系統結構如圖1所示。

傳統的溫度采集盒選用51單片機作為處理器，不僅自身處理速度慢，而且需要外部擴展，增大了采集盒的體積，因此抗震性較差，無法滿足高速重載機車的運用要求。

圖1 6軸機車軸溫監測系統結構圖

針對傳統軸溫監測系統溫度采集盒的不足，筆者采用一款新型單片機，對采集盒進行了改進設計，使之在滿足使用要求的情況下，減小體積，并考慮預留了以后的功能擴展。

2 采集盒設計原理

溫度采集盒是連接傳感器和主機的關鍵環節，其主要功能就是完成溫度數據的采集、存儲和傳輸。其原理框圖如圖2所示。

電源模塊將主機提供的15 V電源轉為5 V，為采集盒供電;單總線傳感器采集機車軸箱軸承、電機軸承和抱軸的溫度，并傳送給單片機;采集盒主控芯片使用dsPIC30F6011A單片機，完成主機幀解析、單總線傳感器控制、溫度數據采集與存儲等功能;各架采集盒之間、采集盒與主機之間使用RS485總線連接，主機與采集盒之間為主從通信方式。

圖2 溫度采集盒原理框圖

3 硬件設計

3.1 電源模塊

電源模塊采用摩托羅拉公司MC33063AD芯片，該芯片使用廣泛，成本低。在電路中使用大量的濾波電容，可有效去除雜波干擾，提高電源的品質。

3.2 通信模塊

通信模塊采用ADM489AR芯片，從滿足通訊要求和減少布線的角度出發，RS485總線通信采用雙線半雙工通信。

3.3 溫度采集與數據處理模塊

測溫模塊采用DALLAS公司生產的數字溫度傳感器DS18B20［1］。該傳感器測溫范圍為-55～125℃，最大線性偏差小于1℃，體積小，抗干擾能力強，“一線總線”數字傳輸方式，適用于惡劣環境的現場溫度測量。

處理器采用微芯公司的dsPIC30F6011A單片機［2］。該單片機具有30 MIPS的工作速度，通用I/O口較多，自帶內部看門狗，只需外接一個晶振電路即可工作，無需外部擴展，抗震性和抗干擾性較強，正常工作溫度為-40～70℃，工作電壓波動可以在3.5～5.5 V之間。

DS18B20的數據總線直接與單片機的I/O相連，單片機可以同時對多個傳感器進行操作，提高了測溫效率，也便于對單個傳感器進行故障檢測。部分硬件電路如圖3所示。

圖3 DS18B20、晶振與單片機連接部分電路

4 軟件設計

在采集盒軟件設計中，RS485驅動和主程序設計是重點。

圖4 RS485收發控制狀態機

4.1 RS485驅動

為了使采集盒能夠滿足寬進嚴出的通信要求，采用有限狀態機來控制RS485的收發，如圖4所示。

當一個主幀接收完成時，可以進入到允許發送狀態;從機幀發送完畢時，立即轉到接收狀態;如果發送從機幀的過程中，受各種原因的影響，到達最大允許響應時間還沒發送完成，則停止發送從機幀，強制轉為接收狀態。

4.2 主程序

主機每隔一定的時間發出主機幀輪詢每一個采集盒，采集盒解析主機幀并執行主機幀命令。采集盒主程序圍繞主幀命令執行相應的操作，向主機提供溫度數據，其簡化流程見圖5。

初始化程序先對硬件進行初始化，并進行一次溫度采集和存儲。每個采集盒在使用前均由主機配置地址，未分配地址的采集盒地址統一為“0xFF”。采集盒接收主機幀，首先判斷主機幀的目標地址是否為本機地址，如果是本機地址，就存儲并解析主機幀;如果不是本機地址，則丟棄該主機幀，繼續接收新的主機幀。

主機幀有多種命令，包括分配采集盒地址、對DS18B20的EEPROM進行數據讀寫、讀取溫度等，處理主機幀的部分代碼如下:

圖5 主程序的簡化流程

采集盒在執行完主機命令后，繼續接收主機幀。

5 系統測試

根據采集盒的功能特點，在25℃的實驗室環境中，將其固定在振動臺上，對其主要功能進行了連續測試。用PC機模擬軸溫監測系統主機給采集盒發主幀，采集盒根據主幀命令完成配置地址、采集和傳送溫度數據等操作。測試流程如圖6所示。

圖6 PC機模擬系統主機測試流程

通過多次測試統計，傳輸錯誤率為0.005﹪。將20 m長雙絞線的一端與采集盒的RS485接口相連，在雙絞線的另一端用示波器觀察采集盒的數據發送情況，數據波形良好，無畸變，滿足軸溫監測系統對傳輸距離的要求，如圖7所示。

圖7 RS485波形

6 結語

針對傳統機車軸溫監測系統溫度采集盒的不足，采用dsPIC30F6011A單片機對其進行了小型化改進，使新型采集盒具有體積小、便于安裝、工作可靠的特點。由于條件所限，僅在實驗室中做了一般性的測試，實驗結果表明，采集盒性能指標均符合設計要求，可以投入實際使用。

［1］美國DALLAS半導體公司.DS18B20數據手冊［Z］.2008.

［2］Microchip Technology Inc.dsPIC30F6011A_6012A_6013A_6014A中文數據手冊［Z］.2006.

［3］彭娜，黎英，林慶超，等.基于RS-485總線主從通信協議及其實現［J］.云南大學學報，2007，29(S2):259-262.

［4］張明峰.PIC單片機入門與實戰［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2004.

［5］王宇.PIC單片機入門與提高［M］.北京:機械工業出版社，2006.

［6］彭樹生.PIC單片機實踐與系統設計［M］.北京:電子工業出版社，2007.

Design of Axle Temperature Gather-Box in Locomotive Based on dsPIC30F6011A Single-Chip Microcomputer

WEI Bairong1and LI Kewei2
(1.School of Electrical Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China;2.Department of Communication Engineering，Chengdu Electromechanical College，Chengdu 610031，China)

The axle temperature for locomotive safe running is an important in locomotive monitoring system in which axle temperature gather-box is a key unit.The conventional axle temperature monitoring systems are reviewed briefly.The focus is then concentrated on the design of the axle temperature gather-box based on dsPIC30F6011A，including hardware module，software module，and system testing.

Axle temperature gather-box;locomotive safe;monitoring system;dsPIC30F6011A

U268.3

A

1008-5440(2012)01-0028-04

2011-12-21

魏柏榮(1983-)，男(漢族)，遼寧錦州人，在讀碩士研究生，研究方向:運載工具與智能控制。

李可為(1961-)，男(漢族)，吉林省吉林市人，副教授，碩士，研究方向:智能控制。