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無縫線路軌溫實時監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)和應用
摘要：為簡便實時地監(jiān)測無縫線中的鋼軌溫度，應對鋼軌進行應力散放作業(yè)。介紹了無縫線路軌溫實時監(jiān)測系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計。在該系統(tǒng)中，利用單片機對傳感器進行遠程控制和數(shù)據(jù)傳輸，借助串行通信實現(xiàn)人機交互控制。該系統(tǒng)目前已投入使用，通過對軌溫的實時測量和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，為軌道監(jiān)測和維護作業(yè)提供了科學的依據(jù)。關(guān)鍵詞：無縫線路軌溫溫度應力傳感器控制串口通信
當今，世界各國鐵路都在大力發(fā)展無縫軌道。無縫軌道的特點是鋼軌中間不留間際，但無縫鋼軌因熱脹冷縮所帶來的長度變化會產(chǎn)生巨大的溫度應力作用，若鋼軌應力散放控制得不好，天熱時可能會造成脹軌跑道，天冷時可能會出現(xiàn)拉斷鋼軌的情況。因此，自無縫軌道問世以來，軌溫監(jiān)測工作就被放到了一個非常重要的地位。目前，我國的鐵路軌溫監(jiān)測主要是靠人工定點定時測量完成。這種測溫方法所獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)密度小，難以捕捉日、月、年內(nèi)的最高軌溫和最低軌溫；占用勞動力多、測量誤差大、實時性差，因此難以為鐵路工務作業(yè)提供及時、準確、科學的決策依據(jù)。
本文所提出的無縫鐵路軌溫實時監(jiān)測系統(tǒng)就是針對這一情況而設(shè)計的。通過控制遠程傳感器實現(xiàn)對負軌溫度測量。并把測得的軌溫數(shù)據(jù)傳入計算機進行存儲、處理和分析，極大方便了鐵道工作者對軌溫的測量和監(jiān)控以及制定相應的軌道維護策略。
1系統(tǒng)框圖
本系統(tǒng)利用89C51單片機及其外圍電路完成對DS18B20單總線數(shù)字傳感器的控制和數(shù)據(jù)傳輸，利用以nRF401無線收發(fā)芯片為核心構(gòu)建的無線收發(fā)器完成數(shù)據(jù)的遠程傳輸，借助單片機和計算機之間的串行通信完成人機交互控制，并用VB語言開發(fā)了適應于鐵路溫度測量系統(tǒng)的個性化交互辦是非界面。圖1所示是無線軌溫實時監(jiān)測系統(tǒng)的原理圖，這種方式具有方便、快捷和靈活的優(yōu)點、同時克服了工程中布線的困難。
2硬件實現(xiàn)
按照系統(tǒng)原理圖的設(shè)計，整個系統(tǒng)中需要用到的硬件芯片主要包括DS18B20單總線數(shù)字傳感器、nRF401無線收發(fā)芯片、MCS-51單片機、MAX232等，這些芯片配以相應的外圍電路，構(gòu)成系統(tǒng)的基本硬件結(jié)構(gòu)。下面對各硬件的特點及其在本系統(tǒng)中使用的相應電路分別進行介紹。
2.1DS18B20單總線數(shù)字傳感器
DALLAS公司的DS18B20單總線數(shù)字傳感器工作溫度范圍是-55℃～125℃，在-30℃～85℃范圍內(nèi)溫度測量精度為±5℃；具有溫度報警功能，用戶可設(shè)置最高和最低報警溫度，且設(shè)置值掉電不丟失；采用DALLAS公司特有的單總線通信協(xié)議，只用一條數(shù)據(jù)線就可實現(xiàn)與MCU的通信；此外，DS18B20能夠直接從數(shù)據(jù)線獲得電源，無需外部電池供電。
DS18B20與單片機的接口電路如圖2所示。DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端，GND為電源地，VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。
DS18B20主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的。相當于給每個DS18B20分配了一個獨一無二的64比特地址序列碼，這就允許多個DS18B20工作同條一線總線上，從而大大簡化了分布式溫度傳感系統(tǒng)的應用。溫度傳感器完成對溫度的測量，溫度報警觸發(fā)器TH和TL以及配置寄存器的設(shè)置值均以一個字節(jié)的形式存儲在EEPROM中，使用一個存儲功能命令可對其寫入。
2.2nRF401無線收發(fā)芯片
nRF401是NORDIC公司最新推出的單片無線收發(fā)一體化芯片中。該芯片采用藍牙核心技術(shù)設(shè)計。在一個20腳的芯片，包括高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制、FSK解調(diào)、多頻道切換等功能，是目前集成最高的無線數(shù)傳產(chǎn)品。
圖3
它的功能特點如下：
�。�1）工作頻率為國際通用的數(shù)傳頻率433MHz。
�。�2）FSK調(diào)制、直接數(shù)據(jù)輸入輸出、抗干擾能力強，特別適合工業(yè)控制場合。
�。�3）采用DSS+PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性極好。
�。�4）靈敏主度高達-105dBm。
�。�5）功耗小，接收待機狀態(tài)時僅為8μA。
�。�6）最大發(fā)射功率達+10dBm。
�。�7）工作電壓為2.7V，可滿足低功耗設(shè)備的要求。
�。�8）具有多個頻道，可方便地切換工作頻率，滿足需要多信道工作的特殊場合的應用。
�。�9）工作速率最高可達20kbit/s。
�。�10）僅外妝一晶體和幾個電阻、電容、電感元件，基本無需調(diào)試。
�。�11）低發(fā)射功率、高接收靈敏度，開闊地的使用距離最遠可達1000m。
圖3是nRF401在本系統(tǒng)中應用的電路原理圖，可直接應用232串口異步傳輸。從圖中可以看到，外圍元件很少，包括一個基準晶體及幾個無源器件，沒有調(diào)試部件，這給研制及生產(chǎn)帶來了極大的方便。圖中L1電感需要采用高Q高精度的巾片繞線高頻電感（Q>45），晶體X1城需要采用高穩(wěn)定度晶體，電容元件應選用高穩(wěn)定貼片元件（如NPO高穩(wěn)定電容）以確保性能穩(wěn)定可靠。
2.3MCS-51單片機
單片機是在一塊硅片上集成了各種部件的微型計算機，這些部件包括中央處理器CPU、數(shù)據(jù)存儲器RAM、程序存儲器ROM、定時器/計數(shù)器和多種I/O接口電路。MCS-51是一種使用最廣泛的單片機，本系統(tǒng)中用它對溫度傳感器進行控制和與計算機進行串口數(shù)據(jù)通信。
2.4串口通信
EIA-RS-232C對電器特性、邏輯電平和各種信號線功能都作了規(guī)定，在TxD和RxD上：邏輯1（MARK）取值范圍為-3V--15V；邏輯0（SPACE）取范圍為+3V--+15V。在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上：信號有效（接通、ON狀態(tài)、正電壓）取值范圍為3V--+15V；信號無效（斷開、OFF狀態(tài)、負電壓）取值范圍為為-3V---15V。EIA-RS-232C是用正負電壓表示邏輯狀態(tài)的，與TTL器件以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此，為了能夠同計算機接口或終端的TTL器件連接，必須在EIA-RS-232C與TTL電路之間進行電平和邏輯關(guān)系的轉(zhuǎn)換。MAX232芯片可完成TTL與EIA的雙向電平轉(zhuǎn)換。在通信速率低于20kb/s時，RS-232C所能直接連接的最大物理距離為15m。
3軟件實現(xiàn)
3.1單片控制程序
這里使用單片機的C語言編寫單片機控制程序。和匯編語言相比，單片機的C語言具有可讀性高、易移植等優(yōu)點。該控制程序主要對溫度傳感器進行控制，并收集溫度傳感器測得的軌溫數(shù)據(jù)。對每個溫度器的控制流程如圖4所示。根據(jù)系統(tǒng)的需求，還可以用單總線方式對多個溫度傳感器進行控制，從而完成多點測量任務�？刂屏鞒倘鐖D5所示。
3.2串口通信程序
串行接口有異步和同步兩種基本通信方式。異步通信采用異步傳磅格式。數(shù)據(jù)發(fā)送和接收均將起始位和停止位作為開始和結(jié)束的標志。在該軌溫監(jiān)測系統(tǒng)中，系統(tǒng)通信速率為1200bit/s，幀格式為N.8.1。發(fā)送時，先發(fā)送一個起始位（低電平），接著按低位在先的順序發(fā)送8位數(shù)據(jù)，最后發(fā)送停止位。接收時，先判斷接收端品時否有起始低電平出現(xiàn)，如有則按低位在先的順序接收8位數(shù)；最后判斷接收端口是否有停止高電平出現(xiàn)，如有則完成了一個數(shù)據(jù)的接收，否則繼續(xù)等待。軟件編寫嚴格按照異步通信的時序進行，每比特位傳送的時間間隔按通信速率為1200bit/s計算，為833μs。
3.3監(jiān)控計算機用戶界面和數(shù)據(jù)庫部分
使用VB語言對系統(tǒng)用戶界面和數(shù)據(jù)庫部分編程，生成性能良好的人機界面，使得用戶能夠方便快捷地對系統(tǒng)進行管理；同時對測昨的軌溫數(shù)據(jù)進行存儲和分析，從而達到研究鐵軌溫度應力、及時改善軌道狀況的目的。系統(tǒng)默認設(shè)定為10分鐘測量一次軌溫，測得的數(shù)據(jù)存儲于專用的數(shù)據(jù)庫中。根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的這些溫度值，用戶可以通過軟件預設(shè)的功能生成相應的曲線圖，從而清楚地觀測到當天、當月、當年溫度的變化規(guī)律和統(tǒng)計峰值，進行相應的應力分析和研究。
4應用
無縫線路由于在結(jié)構(gòu)上限制了鋼軌的伸縮，所以當軌溫發(fā)生變化時就會產(chǎn)生巨大的縱向溫度力，這是在受力方面與與標準軌線路的最大區(qū)別。這一區(qū)別也使得跑道與斷軌的可能性增大。
根據(jù)無縫線路鋼軌溫度力計算公式：
P=EfαΔt
其中：P——鋼軌溫度力，
E——鋼軌彈性模量，為2.1×105Mpa，
F——鋼軌斷面積，
α——鋼軌線膨脹系數(shù)，為11.8×10-6/℃，
Δt——相對于零應力軌溫的軌溫變化幅度。
可得溫度應力與軌溫變化的關(guān)系曲線，如圖6所示。
鋼軌內(nèi)的溫度力僅與軌溫變化幅度有關(guān)，然而即使在一天當中，軌溫也是不停地變化著的。一般說來，鎖定軌溫（即通常理解的零應力軌溫）是一個常量，如果準確地掌握了實際鎖定軌溫，便可以知道任意軌溫時的軌溫變化幅度以及相應的溫度力。
該無縫線路軌溫實時監(jiān)沒軌溫進行遠程實時全天候測量，并對測得的軌溫數(shù)所進行相應的存儲、統(tǒng)計處理，用戶界面生動，操作簡單，可協(xié)助鐵道工作人員完成軌溫測量這一重要而又繁冗的工作。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，對在溫度應力作用下的軌道狀況進行巡檢，及時發(fā)現(xiàn)無縫線路出現(xiàn)的異常，按規(guī)定采取必要的應中以解救，進行無縫線路應力放散作業(yè)，消除隱患。特別是應根據(jù)秀節(jié)特點，在冬、夏季最低軌溫和最高軌溫時間段加強無縫線路的巡檢，以便發(fā)現(xiàn)無縫線路的鋼軌折磨或脹軌路道的先兆，合理安排線路維修計劃，確保行車安全。結(jié)合無縫線路的鎖定軌溫和線路狀態(tài)，維修計劃的原則為：在氣溫較低的季節(jié)安排鎖字軌溫較低地段的綜合維修，在氣溫較高的季節(jié)安排鎖定軌溫高地段的綜合維修。
表1所示為部分實驗室調(diào)度階段測得的溫度值統(tǒng)計示例。
表1軌溫監(jiān)測值數(shù)據(jù)庫示例
空氣溫度/℃年月日時間鋼軌溫度/℃27.220028921：43：5427.227.120028921：53：5527.228.3200281019：12：0928.128.4200281019：29：1828.128.5200281019：29：2428.128.5200281019：29：3028.228.5200281019：50：1728.228.5200281020：00：1828.127.1200281110：30：5226.927200281110：41：0326.927.2200281110：51：1027
該無縫線路軌溫實時監(jiān)測系統(tǒng)從2002年10月開始在天津鐵路分局天津東車輛段試用，經(jīng)過近一年的時間，已經(jīng)測量并積累了大量的軌溫數(shù)據(jù)。同時，在使用的過程中，也對線路連接的一些工程問題進行了不斷的完善，防止因接口接觸不良而導致傳感器不能正常工作，使得系統(tǒng)的性能更加穩(wěn)定。溫度傳感器的安置和固定也是一個很有技術(shù)性的工作，需保證與外界空氣隔絕且牢靠地固定在軌道上，不會因列車的經(jīng)過而移動或損壞。
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