摘要：本文所設計的系統(tǒng)可以測量標準軌距為1435mm軌道的水平度、軌距，可實現(xiàn)自動檢測、自動存儲。通過rs232接口與計算機數(shù)據通信后，可用軟件查詢分析所有測量數(shù)據，并可打印報表。
引言
線路道岔電子檢測尺是列車運行安全的重要保障，其主要用途是測量軌道的軌距、水平度，目的是為了預防因外界環(huán)境溫度的影響而使鋼軌狀態(tài)變形。此外，它也可消除人工機械式測量帶來的誤差大、工作效率低等不良因素，從而進一步提高鐵路安全保障措施。
系統(tǒng)工作原理及硬件設計
線路道岔電子檢測尺的功能包括兩項：軌距和水平度，該儀器的結構如圖1所示，由數(shù)字傾角（角度）傳感器、高精度位移測量傳感器、單片機及外圍電路、橫尺、直擋、測量滑塊、和液晶顯示器等部分構成。其中高精度位移測量傳感器和測量滑塊用于測量軌距。軌距由兩部分構成，一部分是橫尺上的標準長度部分s1（該部分為固定值），另外一部分是以標準長度末端a點為起點的測量長度s2（該部分由高精度位移測量傳感器測量得到），總的軌距s=s1+s2?？紤]到溫度的影響，單片機自帶溫度傳感器，用來補償溫度對測量數(shù)據的影響。橫尺上的數(shù)字傾角（角度）傳感器測量橫尺的水平度（角度），通過角度和軌距可測量左右軌的高差。液晶顯示部分顯示軌距、左右軌高差和時間等信息，相關數(shù)據可以保存在儀器中，也可通過rs232接口與計算機通訊讀出來形成匯總，在計算機中保存、打印相關數(shù)據。
線路道岔電子檢測尺主要通過位移傳感器和數(shù)字傾角（角度）傳感器對鋼軌的軌距、水平度進行測量。傳感器信號通過rs232接口和特殊功能計數(shù)器后進入單片機，單片機計算出軌距后，再由傾角傳感器測量的傾角與軌距這兩組數(shù)據，根據正弦函數(shù)算出兩軌道相差高度。單片機把這兩組數(shù)據與設定的門限值進行比較來判斷測量點是否合格。液晶屏顯示輸出數(shù)據結果，鍵盤可以設定門限值、所測點的位置，并具備刪除和保存數(shù)據等功能。系統(tǒng)設計框圖見圖2。
數(shù)字傾角（角度）傳感器
數(shù)字傾角（角度）傳感器利用重力對流體的作用引起膜電位變化的原理而制成，是新型的慣性傳感器，它具有體積小、高靈敏度、線性好、壽命長、寬動態(tài)范圍、高穩(wěn)定性、*抗沖擊性等特點。
數(shù)字傾角（角度）傳感器通過rs232與單片機接口。紅線為電源輸入，黑線為地（rs232地與電源地共用），黃線為傳感器的rs232輸入，綠線為傳感器的rs232輸出。輸入電源電壓為7v-24v，推薦值9v。傳感器應豎直安裝，安裝面與垂直面的夾角不大于2°。安裝示意圖見圖3。
c8051f060單片機
為了減少外圍器件、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，采用自帶溫度傳感器的c8051f060器件，它是*集成的混合信號系統(tǒng)級mcu芯片，使用cygnal的cip-51微控制器內核，cip-51與mcs-51指令集*兼容。c8051f060內部有1個smbus/i2c接口、2個具有增強型波特率配置的全雙工uart和1個增強型spi接口，每種串行總線*由硬件實現(xiàn)，都能向cip-51產生中斷。c8051f060具有五個通用的16位定時器；具有6個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器數(shù)組；具有片內看門狗定時器、vdd監(jiān)視器、時鐘振蕩器。c8051f060是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。所有模擬和數(shù)字外設均可由用戶固件使能/禁止和配置。flash存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據存儲，并允許現(xiàn)場更新8051固件。
c8051f060有大量的數(shù)字資源需要通過4個低端i/o端口p0、p1、p2和p3才能使用。p0、p1、p2和p3中的每個引腳既可定義為通用的端口i/o（gpio）引腳，又可以分配給一個數(shù)字外設或功能（例如：uart0或int1）。系統(tǒng)設計者控制數(shù)字功能的引腳分配，只受可用引腳數(shù)的限制。這種資源分配的靈活性是通過使用優(yōu)先權交叉開關譯碼器實現(xiàn)的。不管引腳被分配給一個數(shù)字外設或是作為通用i/o，總是可以通過讀相應的數(shù)據寄存器得到端口i/o引腳的狀態(tài)。
優(yōu)先權交叉開關譯碼器按優(yōu)先權順序將端口0~3的引腳分配給器件上的數(shù)位外（uart、smbus、pca、定時器等）。端口引腳的分配順序從p0.0開始，可以一直分配到p3.7。當交叉開關配置寄存器xbr0、xbr1、xbr2和xbr3中外設的對應使能位被設置為邏輯1時，交叉開關將端口引腳分配給外設。端口0～3中所有未被交叉開關分配的引腳都可以作為通用i/o（gpio）引腳，通過讀或寫相應的端口數(shù)據寄存器訪問，這是一組既可以按位尋址也可以按字節(jié)尋址的sfr。被交叉開關分配的那些端口引腳的輸出狀態(tài)，受使用這些引腳的數(shù)字外設的控制。向端口資料寄存器（或相應的端口位）寫入時對這些引腳的狀態(tài)沒有影響。
c8051f060單片機的p0.0引腳被配置為uart0的tx0，p0.1引腳被配置為uart0的rx0，uart0用來與數(shù)字傾角（角度）傳感器進行通訊。uart0是一個具有幀錯誤檢測和地址識別硬件的增強型串行口。uart0可以工作在全雙工異步方式或半雙工同步方式，并支持多處理器通信。接收數(shù)據被暫存于一個保持寄存器中，這就允許uart0在軟件尚未讀取前一個數(shù)據字節(jié)的情況下開始接收第二個輸入數(shù)據字節(jié)。一個接收覆蓋位用于指示新的接收數(shù)據已被鎖存到接收緩沖器，而前一個接收數(shù)據尚未被讀取。對uart0的控制和訪問是通過相關的特殊功能寄存器即串行控制寄存器（scon0）和串行數(shù)據緩沖器（sbuf0）來實現(xiàn)的。用同一個sbuf0地址可以訪問發(fā)送寄存器和接收寄存器。讀sbuf0將自動訪問接收寄存器，而寫sbuf0自動訪問發(fā)送寄存器。uart0可以工作在查詢或中斷方式，它有兩個中斷源：一個發(fā)送中斷標志ti0（scon0.1，數(shù)據字節(jié)發(fā)送結束時置位）和一個接收中斷標志ri0（scon0.0，接收完一個數(shù)據字節(jié)后置位）。
c8051f060單片機的p0.2被配置為uart1的tx1，p0.3引腳被配置為uart1的rx1，uart1用來與上位pc機進行通訊。對uart1的控制基本與uart0相同。
c8051f060單片機的p0.4被配置為外部中斷源（/int0）的輸入腳，接收位移傳感器的零點復位信號，減少由于多次來回運動造成的累積測量誤差。/int0被配置為下降沿觸發(fā)輸入。
c8051f060單片機的p0.5被配置為定時器/計數(shù)器3的計數(shù)輸入腳（t3），接收位移傳感器的位移脈沖。p0.6被配置為定時器/計數(shù)器3計數(shù)方向控制腳（t3ex），用來判斷位移傳感器的移動方向。c/t3位被置1時，將定時器配置為計數(shù)器方式（即在t3輸入引腳上的負跳變使計數(shù)器/定時器的寄存器加1或減1）。定時器配置寄存器中的減1使能位（dcen3）被置1，定時器可以向上或向下計數(shù)。當dcen3=1時，定時器的計數(shù)方向受t3ex引腳上的邏輯電平的控制。當t3ex=1時，計數(shù)器/定時器向上計數(shù)；當t3ex=0時，計數(shù)器/定時器向下計數(shù)。t3ex必須在數(shù)字交叉開關中被使能并且被配置為數(shù)字輸入。
位移傳感器
采用dc20型光柵尺位移傳感器作為軌距測量工具。dc20型光柵尺采用雙層防護膠條密封，可保證*的密封性能。讀數(shù)頭滾動系統(tǒng)采用450式五軸承滾動系統(tǒng)，保證光學感應系統(tǒng)能長期穩(wěn)定地在光柵尺上順暢滑行以及它高等級的測量精度。
位移傳感器輸出信號波形見圖4。
調試電路
c8051f060的片內jtag調試電路允許使用安裝在zui終應用系統(tǒng)上的產品進行非侵入式（不占用片內資）、全速、在系統(tǒng)調試。該調試系統(tǒng)支持觀察并修改存儲器和寄存器，支持斷點、觀察點、單步及行和停機命令。在使用jtag調試時，所有的模擬和數(shù)字外設都可全功能運行。jtag接口使用mcu上的4個引腳（tms、tck、tdi、tdo）。
萬年歷時鐘芯片電路
每次測量后記錄測量時間，以便在上位pc機形成報表。ds1302是美國dallas公司推出的一種高性能、低功耗、帶ram的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5v～5.5v。ds1302內部有一個31×8的用于臨時性存放數(shù)據的ram寄存器。采用三線接口與cpu進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或ram數(shù)據。
ds1302與cpu的連接需要三條線，即sclk（7）、i/o（6）、rst（5）。ds1302與cpu的連接如圖5所示。
eeprom電路
測量的數(shù)據保存在eeprom中。at24c512是atmel公司推出的具有i2c總線容量達512kbit（64k×8）的eeprom，該芯片的主要特性如下：存儲容量為65536byte；與100khz、400khz、1mhzi2c總線兼容；100000次編程/擦寫周期；單電源、讀寫電壓為1.8v~5.5v；esd保護電壓>4kv；數(shù)據可保存40年；寫保護功能，當wp為高電平時，進入寫保護狀態(tài)；cmos低功耗技術，zui大寫入電流為3ma；128byte頁寫入緩存器；自動定時的寫周期；具有8引腳dip及20引腳soic封裝等多種封裝形式。eeprom電路見圖6。
rs232電平轉換電路
max232是單電源雙rs232發(fā)送/接受芯片，采用單一+5v電源供電，只需外接4個電容，便可構成標準的rs232通信接口。單片機和計算機、數(shù)字傾角（角度）傳感器接口電路如圖7所示。圖中的c3、c4、c5、c6是電荷泵升壓及電壓反轉部分電路，產生v+、v-電源供eia電平轉換使用，c7是vcc對地去藕電容，其值均為0.1μf