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無縫線路軌溫實時監測系統的實現和應用
摘要：為簡便實時地監測無縫線中的鋼軌溫度，應對鋼軌進行應力散放作業。介紹了無縫線路軌溫實時監測系統的硬件及軟件設計。在該系統中，利用單片機對傳感器進行遠程控制和數據傳輸，借助串行通信實現人機交互控制。該系統目前已投入使用，通過對軌溫的實時測量和數據統計，為軌道監測和維護作業提供了科學的依據。關鍵詞：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，天冷時可能會出現拉斷鋼軌的情況。因此，自無縫軌道問世以來，軌溫監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測數據密度小，難以捕捉日、月、年內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提供及時、準確、科學的決策依據。
本文所提出的無縫鐵路軌溫實時監測系統就是針對這一情況而設計的。通過控制遠程傳感器實現對負軌溫度測量。并把測得的軌溫數據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控以及制定相應的軌道維護策略。
1系統框圖
本系統利用89C51單片機及其外圍電路完成對DS18B20單總線數字傳感器的控制和數據傳輸，利用以nRF401無線收發芯片為核心構建的無線收發器完成數據的遠程傳輸，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語言開發了適應于鐵路溫度測量系統的個性化交互辦是非界面。圖1所示是無線軌溫實時監測系統的原理圖，這種方式具有方便、快捷和靈活的優點、同時克服了工程中布線的困難。
2硬件實現
按照系統原理圖的設計，整個系統中需要用到的硬件芯片主要包括DS18B20單總線數字傳感器、nRF401無線收發芯片、MCS-51單片機、MAX232等，這些芯片配以相應的外圍電路，構成系統的基本硬件結構。下面對各硬件的特點及其在本系統中使用的相應電路分別進行介紹。
2.1DS18B20單總線數字傳感器
DALLAS公司的DS18B20單總線數字傳感器工作溫度范圍是-55℃～125℃，在-30℃～85℃范圍內溫度測量精度為±5℃；具有溫度報警功能，用戶可設置最高和最低報警溫度，且設置值掉電不丟失；采用DALLAS公司特有的單總線通信協議，只用一條數據線就可實現與MCU的通信；此外，DS18B20能夠直接從數據線獲得電源，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、非揮發的溫度報警觸發器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的應用。溫度傳感器完成對溫度的測量，溫度報警觸發器TH和TL以及配置寄存器的設置值均以一個字節的形式存儲在EEPROM中，使用一個存儲功能命令可對其寫入。
2.2nRF401無線收發芯片
nRF401是NORDIC公司最新推出的單片無線收發一體化芯片中。該芯片采用藍牙核心技術設計。在一個20腳的芯片，包括高頻發射、高頻接收、PLL合成、FSK調制、FSK解調、多頻道切換等功能，是目前集成最高的無線數傳產品。
圖3
它的功能特點如下：
（1）工作頻率為國際通用的數傳頻率433MHz。
（2）FSK調制、直接數據輸入輸出、抗干擾能力強，特別適合工業控制場合。
（3）采用DSS+PLL頻率合成技術，頻率穩定性極好。
（4）靈敏主度高達-105dBm。
（5）功耗小，接收待機狀態時僅為8μA。
（6）最大發射功率達+10dBm。
（7）工作電壓為2.7V，可滿足低功耗設備的要求。
（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，基本無需調試。
（11）低發射功率、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，沒有調試部件，這給研制及生產帶來了極大的方便。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城需要采用高穩定度晶體，電容元件應選用高穩定貼片元件（如NPO高穩定電容）以確保性能穩定可靠。
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、數據存儲器RAM、程序存儲器ROM、定時器/計數器和多種I/O接口電路。MCS-51是一種使用最廣泛的單片機，本系統中用它對溫度傳感器進行控制和與計算機進行串口數據通信。
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、正電壓）取值范圍為3V--+15V；信號無效（斷開、OFF狀態、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的，與TTL器件以高低電平表示邏輯狀態的規定不同。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系的轉換。MAX232芯片可完成TTL與EIA的雙向電平轉換。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
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據。對每個溫度器的控制流程如圖4所示。根據系統的需求，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。控制流程如圖5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。數據發送和接收均將起始位和停止位作為開始和結束的標志。在該軌溫監測系統中，系統通信速率為1200bit/s，幀格式為N.8.1。發送時，先發送一個起始位（低電平），接著按低位在先的順序發送8位數據，最后發送停止位。接收時，先判斷接收端品時否有起始低電平出現，如有則按低位在先的順序接收8位數；最后判斷接收端口是否有停止高電平出現，如有則完成了一個數據的接收，否則繼續等待。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監控計算機用戶界面和數據庫部分
使用VB語言對系統用戶界面和數據庫部分編程，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進行管理；同時對測昨的軌溫數據進行存儲和分析，從而達到研究鐵軌溫度應力、及時改善軌道狀況的目的。系統默認設定為10分鐘測量一次軌溫，測得的數據存儲于專用的數據庫中。根據數據庫中的這些溫度值，用戶可以通過軟件預設的功能生成相應的曲線圖，從而清楚地觀測到當天、當月、當年溫度的變化規律和統計峰值，進行相應的應力分析和研究。
4應用
無縫線路由于在結構上限制了鋼軌的伸縮，所以當軌溫發生變化時就會產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別。這一區別也使得跑道與斷軌的可能性增大。
根據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，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系曲線，如圖6所示。
鋼軌內的溫度力僅與軌溫變化幅度有關，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沒軌溫進行遠程實時全天候測量，并對測得的軌溫數所進行相應的存儲、統計處理，用戶界面生動，操作簡單，可協助鐵道工作人員完成軌溫測量這一重要而又繁冗的工作。根據監測結果，對在溫度應力作用下的軌道狀況進行巡檢，及時發現無縫線路出現的異常，按規定采取必要的應中以解救，進行無縫線路應力放散作業，消除隱患。特別是應根據秀節特點，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，以便發現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。結合無縫線路的鎖定軌溫和線路狀態，維修計劃的原則為：在氣溫較低的季節安排鎖字軌溫較低地段的綜合維修，在氣溫較高的季節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度階段測得的溫度值統計示例。
表1軌溫監測值數據庫示例
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測系統從2002年10月開始在天津鐵路分局天津東車輛段試用，經過近一年的時間，已經測量并積累了大量的軌溫數據。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，使得系統的性能更加穩定。溫度傳感器的安置和固定也是一個很有技術性的工作，需保證與外界空氣隔絕且牢靠地固定在軌道上，不會因列車的經過而移動或損壞。
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