磁場效應(yīng)的火車道報(bào)警信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　隨著社會經(jīng)濟(jì)生活對鐵路運(yùn)輸?shù)男枨蠛涂茖W(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，鐵路運(yùn)輸?shù)哪芰θ找嫣岣撸瑢﹁F路運(yùn)輸安全的要求也就更高。然而，伴隨全路五次提速的實(shí)施，道口的安全隱患也越來越突出，已經(jīng)成為鐵路運(yùn)輸安全和鐵路運(yùn)輸能力的瓶頸。道口監(jiān)測報(bào)警裝置在降低道口事故率，防護(hù)道口安全方面有著非常積極的意義。但從目前的研究成果和實(shí)際應(yīng)用來看，大多采用軌道電路式、機(jī)械式，少部分采用多普勒雷達(dá)式和聲接收式。性能上各有優(yōu)缺點(diǎn)，在成本和體積上也不盡相同。

　　本文采用磁阻傳感器，根據(jù)磁場效應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種火車道報(bào)警信息采集裝置，并給出其軟硬件的設(shè)計(jì)方法。

　　2 系統(tǒng)工作原理

　　通電導(dǎo)體在磁場中電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁致電阻效應(yīng)。對于鐵、鈷、鎳及其合金，如果把這類金屬做成薄膜帶狀導(dǎo)線，當(dāng)有電流通過時(shí)，其阻值發(fā)生變化，變化值的大小因內(nèi)外兩磁場合成磁化方向與電流流向的相對關(guān)系而異，趨于同向則增大；反之減小[1]。如圖1中所示，將四個(gè)坡莫合金(permalloy)組成一個(gè)惠斯通電橋(wheatstone bridge)，則電阻阻值的變化將外加磁感應(yīng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成差分電壓輸出[2]。

　　大型鐵磁物體，如火車，可看成多個(gè)南北極磁鐵組成的模型。當(dāng)火車經(jīng)過時(shí)，則會引起地磁場的擾動(dòng)，其綜合影響是對地磁場磁力線造成扭曲和畸變。傳感器處于該變化的磁場中時(shí)，由磁阻效應(yīng)可知，傳感器的差分輸出端將會有變化的電壓產(chǎn)生，而這即是本系統(tǒng)用來檢測火車的理論依據(jù)。

圖1 磁阻傳感器原理圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　火車道報(bào)警信息采集系統(tǒng)硬件部分主要由數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成。其中數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)磁場信號的采集工作，其主要的核心為磁阻傳感器。當(dāng)列車接近磁阻傳感器時(shí)，傳感器將采集到的磁場變化信號，經(jīng)過信號放大和a/d轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號，傳送至微控制器(單片機(jī))。數(shù)據(jù)處理模塊主要部件是單片機(jī)。單片機(jī)負(fù)責(zé)對各個(gè)芯片的時(shí)序控制，同時(shí)為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，還需對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，然后才能發(fā)送至串口端，由通信設(shè)備進(jìn)行讀取。本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

　　3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

　　本系統(tǒng)中，磁阻傳感器選用的是honeywell公司生產(chǎn)的hmc1051z單軸磁阻傳感器。hmc1051z具有很寬的角度范圍，在±45°內(nèi)具有0.07°的分辨率，靈敏度為1.0mv/v/高斯，在5伏電源供電時(shí)有120mv的滿量程輸出。內(nèi)部無移動(dòng)部件，固有阻抗小，抗電磁噪聲和干擾能力強(qiáng)，且內(nèi)置置位/復(fù)位帶，可減小溫度漂移、非線性誤差以及在高磁場環(huán)境中對輸出信號造成的影響。而片內(nèi)偏置電路則可消除磁場失真的影響[3]。

　　lm358運(yùn)放配合2個(gè)4.99kω、2個(gè)1.00mω的電阻以及一個(gè)150pf的電容可構(gòu)成帶有低通濾波器的放大電路，其增益為200，帶寬約1khz，實(shí)現(xiàn)對傳感器輸出信號的放大和硬件濾波。

　　a/d轉(zhuǎn)換器采用分辨率為8位的adc0804模數(shù)轉(zhuǎn)換器對放大后的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

　　3.2 數(shù)據(jù)處理模塊

　　atmel公司的at89c51單片機(jī)與mcs-51的指令系統(tǒng)和引腳是兼容的，且自帶4kb的e2rom。但為了將來的升級和功能擴(kuò)展需要，這里對at89c51的存儲器進(jìn)行了擴(kuò)展。程序存儲器at28c64和數(shù)據(jù)存儲器hm6264lp-70均為8kb的容量，用p0.0～p0.7和p2.0～p2.4提供13位地址，74ls373對其低8位地址進(jìn)行鎖存。利用p2.5和p2.6對這兩存儲器進(jìn)行線選。

　　由于需將信號發(fā)送至db-9串口連接器，這里采用max232進(jìn)行ttl和rs-232電平間的轉(zhuǎn)換。將max232的t1in引腳接at89c51的串行發(fā)送引腳txd，r1out接at89c51的串行接收引腳rxd；與之對應(yīng)的r1in、t1out接9針串口連接器(db-9)相應(yīng)的rxd(2號針腳)和txd(3號針腳)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分主要為a/d轉(zhuǎn)換子程序以及數(shù)據(jù)處理子程序的設(shè)計(jì)，并采用keil μvision2開發(fā)工具進(jìn)行開發(fā)。

　　4.1 a/d轉(zhuǎn)換子程序

　　a/d轉(zhuǎn)換子程序流程圖如圖3所示。首先令(本次設(shè)計(jì)端已接地)為低電平，啟動(dòng)adc0804，查詢中斷0后，在上升沿后100μs模數(shù)轉(zhuǎn)換完成，并將結(jié)果存入數(shù)據(jù)鎖存器，在為低電平時(shí)將數(shù)據(jù)信號送至p1口。

圖3 a/d轉(zhuǎn)換子程序流程圖

　　4.2 數(shù)據(jù)處理子程序

　　本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理子程序是對采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行抗干擾處理，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。流程圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理子程序流程圖

　　數(shù)據(jù)處理子程序采用恒定閾值結(jié)合動(dòng)態(tài)基值的算法來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的抗干擾能力，即最近一次的采集數(shù)據(jù)與基值相減，并對相減后的值進(jìn)行判斷，大于閾值則記錄，當(dāng)記錄到一定次數(shù)時(shí)，此時(shí)可認(rèn)定火車已經(jīng)來到；基值的大小可根據(jù)周圍磁場的變化來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更新。按照此算法編寫的程序一方面能達(dá)到系統(tǒng)自適應(yīng)的目的，另一方面也可自由設(shè)定(閾值大小和基值采樣次數(shù))抗