基于I2C總線的火車輪軸承溫度采集系統設計

本文介紹的火車輪軸承溫度采集系統運用高性能的處理器，能夠在火車運行的過程中不斷記錄溫度與時間信息，并實時地把相關信息存儲到SD卡中。火車輪軸承的損壞將導致重大交通事故，提前預防是避免事故發生的最好辦法。現有的軸承溫度采集系統大都不能實時采集溫度信息，而且不能大量保存相關信息供人們分析。

1 系統設計原理

火車輪軸承溫度采集系統的工作原理是，各測量點通過溫度傳感器獲取軸承溫度信息，隨后通過I2C總線把這些信息轉輸給主機，主機收到后根據數據進行超溫報警等動作，同時把數據存儲在SD卡中，以便查詢。該系統以S3C2440A為主控制器，外部各個溫度傳感器直接掛接在I2C總線上，就可以實現主機對傳感器數據的采集，從而簡化了硬件電路。同時利用S3C2440處理器速度快的特點，可以實時對溫度進行采集，并且可以高速地存儲大量溫度信息。通過時鐘芯片，還可以記錄對應時刻各測量點溫度的情況。

2 系統硬件設計

主控制器直接采用了Mini2440最小系統板。其處理器為三星S3C2440A，主頻高達400 MHz，很好地滿足了系統對速度的要求。在溫度測量方面，選取DS18B20數字溫度傳感器，它的精確度很好地滿足了設計需要，價格較低，大大降低了開發成本。在通信方面，選取了I2c總線連接方式。利用處理器2個I／O口，簡單方便地實現了數據的采集。時鐘芯片：DS1302還為系統提供了準確時間信息，可讓人們準確了解具體時刻各測量點的溫度信息。該部分的示意圖如圖1所示。



系統采用SD卡來擴展存儲器。在該系統中，SD卡用于存儲大量的信息，也可以很方便地將相關信息轉出。S3C2440A處理器中集成了SD卡控制器，給硬件電路的設計帶來了方便。SD卡硬件連接圖如圖2所示。



在軸承溫度采集系統實際工作中，電源的穩定是相當重要的。該系統需要5 V、3.3 V的工作電源。+5 V電壓經過LM1117穩壓后，可以得到+3.3 V的電壓，供Mini2440最小系統板與SD卡電路使用，+5 V的電壓由溫度傳感器、時鐘芯片等器件使用。電源模塊硬件圖如圖3所示。

3 系統軟件設計

設計的主要任務是完成測量點與主機的通信，以及對各測量點溫度數據的采集、處理和存儲。

3.1傳感器數據的采集

考慮到系統對溫度采集實時性的要求，系統每隔100ms采集1次溫度傳感器的數據，并不間斷地對整組測量點進行輪流采集，確保讓每個測量點的溫度數據能及時地被主機處理。數據采集軟件流程如圖4所示。


3.2主機數據處理和管理軟件的設計

此模塊軟件的主要任務是處理采集的數據并存儲數據。軟件將采集到的數據進行比較，如果溫度有大于65℃，將啟動報警程式，并可以根據溫度的變化趨勢采取相應的預防措施。同時，在每次讀取傳感器數據的過程中記錄此刻的時間，軟件將保存本次采集的溫度和時間信息。當數據轉出時，可以清晰地看到各個時刻所對應的不同溫度。數據處理的軟件流程如圖5所示。

3.3 基于S3C2440的SD卡控制器設計

主控制器S3C2440片內集成了功能強大的SD卡的控制器，加上其提供的1組寄存器，使編程工作變得相對簡單。程序中定義相關寄存器如下：