趙 旭，連翠玲，張翠華

(河北省自動(dòng)化研究所，河北石家莊 050081)

隨著無(wú)縫線路的大量輔設(shè)，鐵路有關(guān)部門(mén)對(duì)無(wú)縫線路養(yǎng)護(hù)維修及安全使用更加重視，而無(wú)縫線路的鎖定軌溫是安排養(yǎng)護(hù)維修的重要依據(jù)，實(shí)際鎖定軌溫的準(zhǔn)確與否是保證無(wú)縫線路安全使用的重要因素。如果養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，鎖定軌溫會(huì)隨著外界環(huán)境溫度的變化升高或降低，造成線路脹軌或斷軌等現(xiàn)象，可能成為列車(chē)顛覆重大事故的安全隱患，威脅人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，并造成惡劣的社會(huì)影響。由此可見(jiàn)，測(cè)量當(dāng)前線路的實(shí)際鎖定軌溫，并以此為依據(jù)養(yǎng)護(hù)線路至關(guān)重要［1-2］。

本系統(tǒng)以W77E532單片機(jī)為控制核心，測(cè)試時(shí)對(duì)所測(cè)鋼軌施加一定的外力，將鋼軌形變與應(yīng)力狀態(tài)通過(guò)傳感器方式數(shù)值化，可快速、較準(zhǔn)確地測(cè)量出線路的實(shí)際鎖定軌溫，為線路的養(yǎng)護(hù)提供行之有效的數(shù)據(jù)保障［3-4］。

1 鎖定軌溫及其測(cè)量方法

1.1 鎖定軌溫

無(wú)縫線路的實(shí)際鎖定軌溫是指長(zhǎng)軌節(jié)應(yīng)力狀態(tài)為零時(shí)，即無(wú)溫度應(yīng)力狀態(tài)時(shí)的軌溫。實(shí)際鎖定軌溫反映出無(wú)縫線路在運(yùn)營(yíng)中的應(yīng)力狀態(tài)，隨著應(yīng)力狀態(tài)的變化，無(wú)溫度力狀態(tài)的軌溫也發(fā)生變化，因此，實(shí)際鎖定軌溫是個(gè)可變量［5-6］。

1.2 測(cè)量方法

本系統(tǒng)采用同心力變法測(cè)量線路的鎖定軌溫。具體方法是:首先利用線路養(yǎng)護(hù)工具和養(yǎng)護(hù)方法使部分鋼軌懸空，然后將施力機(jī)構(gòu)與千分表分別固定在懸空鋼軌中心處的兩側(cè)，其中施力機(jī)構(gòu)的施力中心與千分表測(cè)量觸頭在一條直線上，通過(guò)施力機(jī)構(gòu)向鋼軌施加不同的壓力使得鋼軌產(chǎn)生彎曲變形，千分表可測(cè)量此變形的量值，經(jīng)公式運(yùn)算可得出線路的鎖定軌溫［7］。測(cè)量方法示意圖如圖1所示。

圖1 測(cè)量方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of measurement method

1.3 計(jì)算公式

有關(guān)部門(mén)主要采用觀測(cè)樁法或巴克豪森噪聲效應(yīng)原理測(cè)量無(wú)縫線路的鎖定軌溫，其不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，而且還對(duì)鋼軌造成一定的損害。在此理論的基礎(chǔ)上，本研究將其原理性的部分做了改進(jìn)，主要是利用對(duì)鋼軌的作用力和位移變化量與溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)擬合出經(jīng)驗(yàn)公式，經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和在試驗(yàn)線路實(shí)際測(cè)量，鎖定軌溫值與傳統(tǒng)方法測(cè)試出的相差無(wú)幾。鎖定軌溫計(jì)算公式如下:

式中:k為濕度系數(shù);m為溫度系數(shù);n為長(zhǎng)度系數(shù);F為壓力值;l為懸空段鋼軌長(zhǎng)度;d為位移值;T為當(dāng)前鋼軌溫度［8］。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用51系列單片機(jī)W77E532為控制核心，W77E532是臺(tái)灣華邦公司生產(chǎn)的快速8051兼容微控制器。促使選擇其作為本系統(tǒng)控制核心的主要理由如下:

1)執(zhí)行速度快 W77E532的時(shí)鐘速度、存儲(chǔ)器訪問(wèn)周期速度和指令執(zhí)行速度比標(biāo)準(zhǔn)8051整體速度要快2.5倍。

2)存儲(chǔ)空間大 編譯后，本系統(tǒng)的程序量為70 KB左右，市面上一般的C51芯片的EPROM最大僅為64 KB，只能外接存儲(chǔ)芯片，實(shí)現(xiàn)程序的存儲(chǔ)。而W77E532內(nèi)含 128KB可區(qū)域?qū)ぶ返?Flash EPROM，滿足了本系統(tǒng)的程序存儲(chǔ)空間要求。

3)可擴(kuò)展性好 W77E532接口定義多樣化，可根據(jù)控制字靈活定義I/O口的不同功能，使用起來(lái)非常方便。

利用其提供的I/O口及接口電路組成系統(tǒng)，硬件原理如圖2所示。

圖2 硬件原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of hardware theory

SL811HS電路使用USB移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備接口芯片SL811HS為核心，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至U盤(pán)的功能;DS1302電路使用時(shí)鐘芯片DS1302為核心，實(shí)現(xiàn)了日期與時(shí)間的記錄和讀取;8255電路組成行列鍵盤(pán)陣列，實(shí)現(xiàn)了外部數(shù)據(jù)、資料的輸入［9-10］。

本系統(tǒng)共有4路模擬量輸入，分別為壓力、溫度、濕度和電壓信號(hào)，由12位A/D轉(zhuǎn)換器ADS774進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

對(duì)位移量的采集使用的是千分表，其輸出為數(shù)字信號(hào)，接口協(xié)議為RS232，通過(guò)RS232收發(fā)器，MAX232和單片機(jī)的TXD，RXD連接建立通信，即可有條件的讀出位移變化值。

系統(tǒng)采用存儲(chǔ)空間為32 KB的EPROM芯片28C256F作為內(nèi)部存儲(chǔ)單元，可按照一定格式存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，液晶顯示采用的是240×64點(diǎn)陣的液晶屏，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能。

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了利用外部中斷讀寫(xiě)功能、RS232通信功能、A/D采集功能和存儲(chǔ)顯示功能，具有較高的集成度［11-12］。

2.2 接口設(shè)計(jì)

W77E532是基于51單片機(jī)原理的擴(kuò)展型單片機(jī)。本系統(tǒng)利用其數(shù)據(jù)總線P0口和P2口作為地址總線，采用3線－8線譯碼器74ls138作為各功能模塊的選通接口，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行。以下介紹系統(tǒng)的主要接口設(shè)計(jì)。

2.2.1 A/D采集接口設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)共有4路模擬量輸入，但是ADS774為單輸入A/D轉(zhuǎn)換芯片，所以需進(jìn)行分時(shí)復(fù)用設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多路A/D信號(hào)的采集。系統(tǒng)采用8通道多路復(fù)用器ISL43741實(shí)現(xiàn)上述功能，通過(guò)軟硬件結(jié)合，進(jìn)行4路模擬信號(hào)的采集和A/D轉(zhuǎn)換。同時(shí)，需對(duì)模擬輸入和數(shù)據(jù)接口進(jìn)行光電隔離處理，以使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換更加精確。本系統(tǒng)A/D采集接口設(shè)計(jì)如圖3所示。電壓信號(hào)等4路模擬量分別接到ISL43741的模擬量輸入端No1～No4上，哪一路信號(hào)輸出由ADD1～ADD3的狀態(tài)值控制。當(dāng)ADD1～ADD3為000時(shí)，No1輸出，依此類推。ADS774的數(shù)據(jù)線DB0～DB11接至總線A0～A11，用于傳輸轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的12位數(shù)據(jù)值，STATUS為觸發(fā) A/D轉(zhuǎn)換指令［13-14］。

2.2.2 按鍵響應(yīng)接口設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)共有20個(gè)按鍵，如果直接使用單片機(jī)的I/O口進(jìn)行按鍵響應(yīng)，勢(shì)必會(huì)造成I/O口不夠用，因此，系統(tǒng)使用并行I/O芯片8255進(jìn)行按鍵響應(yīng)接口設(shè)計(jì)。20個(gè)按鍵采用4行5列行列按鍵原理設(shè)計(jì)，9個(gè)I/O口即可實(shí)現(xiàn)功能。按鍵響應(yīng)接口原理如圖4所示。8255的片選接至3－8譯碼器74ls138的輸出Y1端，PA0～PA3為行列按鍵的行，PB0－PB4為行列按鍵的列，組成4×5的按鍵行列。當(dāng)對(duì)應(yīng)按鍵按下時(shí)，可讀出相應(yīng)按鍵值。

圖3 A/D采集接口設(shè)計(jì)圖Fig.3 Design picture of A/D acquisition interface

圖4 按鍵響應(yīng)接口設(shè)計(jì)圖Fig.4 Design picture of key response interface

2.2.3 液晶顯示接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用240×64點(diǎn)陣液晶屏作為人機(jī)界面，其采用8位并行數(shù)據(jù)接口和單片機(jī)數(shù)據(jù)連通，利用多總線控制器與外圍模塊和CPU之間轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，保證了信號(hào)處理的快速性和實(shí)時(shí)性，通過(guò)編程處理和設(shè)計(jì)，滿屏可顯示15×4行漢字。接口設(shè)計(jì)電路如圖5所示。24064液晶屏的片選接至3－8譯碼器74ls138的輸出Y2端，F(xiàn)S為液晶屏的字符點(diǎn)陣控制，當(dāng)其為低電平時(shí)，為8×8點(diǎn)陣字符。

圖5 液晶顯示接口設(shè)計(jì)圖Fig.5 Design picture of LCD interface

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的控制軟件由Keil C編制，軟件組成主要包括A/D轉(zhuǎn)換、鍵盤(pán)響應(yīng)、液晶顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)讀取及分析計(jì)算等部分?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用照片如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用照片F(xiàn)ig.6 Field application photo

3.1 A/D轉(zhuǎn)換程序

據(jù)前文所述，本系統(tǒng)共有4路模擬量輸入，需定義通道控制命令字，需要A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，首先指定A/D通道，然后向A/D轉(zhuǎn)換器地址寫(xiě)入任意數(shù)值即可啟動(dòng)一次A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換部分程序如下。

3.2 鍵盤(pán)響應(yīng)

本系統(tǒng)采用掃描方式處理按鍵響應(yīng)。當(dāng)對(duì)應(yīng)按鍵按下時(shí)，行列按鍵對(duì)應(yīng)的掃描線將相應(yīng)按鍵特征值記錄下來(lái)，由單片機(jī)讀取該值，作出按鍵的判斷并執(zhí)行對(duì)應(yīng)程序。

3.3 分析計(jì)算

分析計(jì)算程序基于鎖定軌溫計(jì)算公式。經(jīng)研究人員大量試驗(yàn)得知，濕度參數(shù)系數(shù)雖然變化不大，但是仍然不可忽略，在整體濕度范圍內(nèi)不為線性表示，但是在某一段范圍內(nèi)可大致認(rèn)為是線性。具體如下定義:

code float damp［10］={0.958，0.976，0.983，0.989，0.996，1.003，1.009，1.018，1.029，1.036}。

使用時(shí)，根據(jù)當(dāng)前濕度值讀取對(duì)應(yīng)范圍，并得出系數(shù)參數(shù)。

其他參數(shù)由各傳感器信號(hào)提供，最終經(jīng)公式得出當(dāng)前點(diǎn)的鎖定軌溫，并存儲(chǔ)至系統(tǒng)內(nèi)部存儲(chǔ)器。

3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)讀取

本系統(tǒng)有2種存儲(chǔ)方式，一種是系統(tǒng)內(nèi)EPROM存儲(chǔ)，一種是外部USB設(shè)備存儲(chǔ)，系統(tǒng)內(nèi)存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)的軟件編制采用按位寫(xiě)入基地址+位地址的方式，外部USB存儲(chǔ)寫(xiě)入為采用外部中斷給單片機(jī)指令，再由單片機(jī)讀取內(nèi)部存儲(chǔ)記錄以并行寫(xiě)入方式存儲(chǔ)至USB設(shè)備。

3.5 液晶顯示

本系統(tǒng)采用240×64點(diǎn)陣液晶屏，將漢字編碼存至代碼段，使用時(shí)讀取對(duì)應(yīng)的編碼輸出到液晶屏顯示，并控制好行、列位置，每個(gè)漢字編碼不同，因此這段代碼較多，占用存儲(chǔ)空間較大［15-16］。

以上為軟件設(shè)計(jì)的介紹，軟件編譯后大小為70 KB左右，利用Keil C提供的程序分塊功能分為兩塊，分別寫(xiě)入W77E532的APFlash0和APFlash1中，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)方案確定的全部功能。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的無(wú)縫線路鎖定軌溫測(cè)試系統(tǒng)由于采用的是非破壞性檢測(cè)方法，在檢測(cè)速度上要高于傳統(tǒng)檢測(cè)方法，而且據(jù)有關(guān)部門(mén)檢定其檢測(cè)精度也符合要求。目前，該系統(tǒng)已在國(guó)內(nèi)多家鐵路工務(wù)養(yǎng)護(hù)車(chē)間試用。另外，該系統(tǒng)體積較小，測(cè)試時(shí)攜帶方便，且工作穩(wěn)定，滿足了鐵路部門(mén)日常養(yǎng)護(hù)工作的需求。

/References:

［1］ 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB/T 2098－2007無(wú)縫線路鋪設(shè)及養(yǎng)護(hù)維修方法［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2008.

The People's Republic of China Ministry of Railways.TB/T 2098－2007 CWR Laying and Maintenance and Repair Methods［M］.Beijing:China Railway Press，2008.

［2］ 中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵運(yùn)［2006］146號(hào):鐵路線路修理規(guī)則［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2006.

The People＇s Republic of China Ministry of Railways.Rail transport［2006］No.146:Railway Line Repair Rule［M］.Beijing:China Railway Press，2006.

［3］ 張 未，張步云.鐵路跨區(qū)間無(wú)縫線路［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2000.

ZHANG Wei，ZHANG Buyun.Railway CWR［M］.Beijing:China Railway Press，2001.

［4］ 郭麗娜.無(wú)縫線路檢測(cè)方法淺談［J］.山西科技，2012(2): 77-79.

GUO Lina.Talking about CWR detection method［J］.Shanxi Science and Technology，2012(2):77-79.

［5］ 胡華鋒.客運(yùn)專線無(wú)砟軌道無(wú)縫線路鎖定軌溫確定方法的探討［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2008(6):31-34.

HU Huafeng.Ballastless track rail temperature CWR determine method［J］.China Railway Science，2008(6):31-34.

［6］ 張 銘，蔣金洲.無(wú)縫線路鋼軌縱向力及鎖定軌溫檢測(cè)系統(tǒng)(NTS)的試用［J］.鐵道建設(shè)，2010(8):110-114.

ZHANG Ming，JIANG Jinzhou.CWR rail longitudinal forces and the lock rail temperature detection system(NTS)trial［J］.Railway Construction，2010(8):110-114.

［7］ 希伯萊.材料力學(xué)［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，2007.

HIBBELER R C.Mechanics of Materials［M］.Chongqing: Chongqing University Press，2007.

［8］ 趙廷剛.建模的數(shù)學(xué)方法與數(shù)學(xué)模型［M］.北京:科學(xué)出版社，2011.

ZHAO Tinggang. Mathematical Modeling Methods and Mathematical Models［M］.Beijing:Science Press，2011.

［9］ 陳 娟，祁 欣.巴克豪森檢測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)及分析［J］.哈爾濱電工學(xué)院學(xué)報(bào)，1994，17(1):35-39.

CHEN Juan，QI Xin.Barkhausen sensor design and analysis［J］.Harbin Institute of Electrical Technology，1994，17(1):35-39.

［10］ 劉見(jiàn)見(jiàn).淺談無(wú)縫線路實(shí)際鎖定軌溫監(jiān)測(cè)方法［J］.上海鐵道科技，2009(2):90-91.

LIU Jianjian.On the actual lock CWR rail temperature monitoring methods［J］.Shanghai Railway Science＆Technology，2009 (2):90-91.

［11］ 李 銳.無(wú)縫線路鎖定軌溫研究［J］.石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，10(4):13-15.

LI Rui.Research CWR rail temperature［J］.Journal of Shijiazhuang Institute of Railway Technology，2011，10(4):13-15.

［12］ 徐德強(qiáng).鋼軌摩阻力對(duì)無(wú)縫線路鎖定軌溫影響的研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012(4):38-40.

XU Deqiang.CWR rail friction lock on the impact of rail temperature［J］.Railway Standard Design，2012(4):38-40.

［13］ 耿永剛.51單片機(jī)C51應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011.

GENG Yonggang.C51 Application Technology of 51 MCU［M］.Beijing:Electronic Industry Press，2011.

［14］ 于 永，戴 佳，劉 波.51單片機(jī)C語(yǔ)言常用模塊與綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例精講［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

YU Yong，DAI Jia，LIU Bo.51 Microcontroller C Language Commonly Used Modules and Integrated System Design Example Succinctly［M］.Beijing:Electronic Industry Press，2007.

［15］ 孫世祥.液晶顯示技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

SUN Shixiang.LCD Technology［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2013.

［16］ 張道德.單片機(jī)接口技術(shù)(C51版)［M］.北京:水利水電出版社，2007.

ZHANG Daode.Microcontroller Interface Technology(C51 Version)［M］.Beijing:China Water Power Press，2007.