摘   要： 针对机车对其运行监控系统的性能要求，设计了一种采用C8051F005作为核心控制器的通用机车运行监控记录系统并分析了该控制系统的硬件结构和软件实现方法。
关键词： 机车监控  C8051F005单片机  DSP  光电隔离

　　随着铁路运输需求的发展以及列车速度的不断提高，列车监控装置逐渐成为列车车载运行的信息中心，为多种安全监测、运行信息传输提供基础。列车运行监控记录装置是以保障列车运行安全为主要目的的列车速度控制装置。监控装置以轨道电路及机车信号设备作为列车运行指令信息源，以线路数据预置于主机的独特方式获取运行线路参数信息，采用计算机智能处理对列车运行速度进行安全监控，实现列车的自动安全防护功能。该装置在实现安全速度控制的同时，采集记录与列车安全运行有关的各种机车运行状态信息，促进了机车运行管理的自动化。该系统由运行指令信息传递、运行所处线路参数信息传递、列车自身运行状况信息采集等信息获取、处理和控制的主机组成。
1  系统结构框架
1.1 任务要求
　　控制系统要实现的任务为：(1)对列车轨道上的8种不同灯信号（绿、黄、红、双黄、白、红黄、绿黄灯）进行检测；(2)对机车速度、过节、解锁、机车工况（前进、后退、牵引、制动）等信号进行检测；(3)对机车轴温、制动缸和机车管压、车厢温度等模拟信号进行检测；(4)对采集到的数据进行滤波处理，作出判断，并根据相应传送标准传送到上位机；(5)接收上位机返回的信号指令，并根据不同的标准做出相应的控制。
　　整个系统的监控单元主要由高速信号处理单元(核心单元是TMS320C2407)和高集成度的控制单元（控制核心是C8051F005）组成。
　　铁路轨道灯信号是用移频信号来表示的。各种频率信号采集过来之后，通过TMS320C2407进行解码,输出对应灯的开关电平信号[1]。在控制单元采用C8051F005这样一个高速、高集成、高性能的单片机作为控制单元的核心。这样既保证了所需实现的功能要求，又使芯片资源得到充分合理的利用。
1.2 系统结构框架
　　系统的结构框图如图1所示。

2  硬件设计
2.1 C8051F005功能介绍
　　C8051F005单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051指令集完全兼容的CIP-51内核。它在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件。
　　C8051F005单片机具有以下特点：
　　(1)具有的12位ADC，带有可编程增益和差分输入端且采样速度高达100Kbps，并具有16位的测量精度，这些特点给系统提供了高分辨率和实时性的基本条件，满足了系统动态精度要求，同时避免了增益放大和A/D转换环节，从而使系统前向通道更具稳定性。
　　(2)具有大容量的Flash程序存储器（32KB）和数据存储器RAM（2304KB），这在监控系统中已能满足程序存储和数据存储的需要。外部无须另加扩展且便于编程，因而提高了系统的运行效率。
　　(3)具有丰富的可编程数字I/O资源，因此不需进行I/O扩展已能满足该系统对I/O口的需求，同时可使系统的人机通道和输入/输出开关量与CPU的联系更加通畅便利。
　　(4)C8051F005单片机提供的独立时钟源的时钟误差小，稳定性高。片内增加的７个复位源可使系统的可靠性更高，同时也简化了电路。
　　(5)C8051F005单片机片内具有多类型串行总线端口，为系统通信的兼容性设计提供了可能。
　　综上所述， C8051F005单片机是一个高速、高集成、高性能的单片机产品，适合于要求速度快、精度高、扩展功能强、动态连续的应用领域。
2.2 轨道灯信号检测电路
　　根据轨道灯信号的特点，采用了TMS320C2407微处理器经过基于非整周期采样的FFT分析方法的处理，得到了灯信号的电平信号。充分利用了DSP器件的资源，使所设计的系统具有集成度高、实时性好、电路简单、抗干扰能力强、可靠性高等优点。经过解码后得到的对应灯的电平信号，输入到控制板再经过限幅、滤波处理以及光电隔离后，输入到CPU的I/O口。
2.3 开关量信号检测电路
　　不同电平的开关量信号经过R-C滤波、电平限位保护之后，再经过光电耦合器进行隔离，才输入到处理器的I/O端口。有些开关量信号在电平转换变化时对经过光隔之后的信号通道仍会产生电磁干扰，对这种干扰可通过在其对应光隔输出端对地加一个电容进行滤除，如图2所示。

2.4 A/D转换电路
　　控制系统采集的模拟信号包括压力信号和温度信号。在A/D转换模块中，选用的外部参考电压VREF为2.5V。把压力传感器输出的0～5V的电平信号进行增益放大之后，作为压力信号直接输入到CPU模拟采集端口中。由于温度传感器输出的电压范围是-0.55～+1.5V，而实际的模拟通道的采集电平的电压范围是0～2.5V。所以在电路的设计时，需要在外部增加一个+1V的提升电压，再把处理后的信号输入到模拟采集通道。
3  控制单元的软件设计
3.1 程序流程结构
　　在本文设计的机车监控记录装置的控制单元中，软件实现采用了不断地对各类信号进行循环检测，根据相应的发送信息条件进行通信的方式。该监控系统控制过程程序流程如图3所示。

3.2 程序代码保护设计
　　该单片机还为用户提供了安全选项，以保护Flash存储器不会被软件意外地修改，并防止产权程序代码和常数被读取。程序存储的写允许位（PSCTL.0）和程序存储擦除允许位（PSCTL.1）保护Flash存储器不会被软件意外修改。在用软件修改Flash存储器内容之前，这些位必须被置为逻辑1。此外，该单片机还提供了防止通过JTAG接口或通过运行在系统控制器上的软件读取产权程序代码和常数的安全功能。
3.3 可靠的通信告警设计
　　在程序设计时采用上、下位机双告警处理方式，无论是上、下位机中哪一端出现故障，还是通信线路出现了故障，在装置运行过程中，只要一方仍能够正常运行，在检测到通信联络失败时就能声光报警，提醒操作人员处理。
　　下位机上电初始化后就等待接收上位机发送的联络信号。若联络正常，则点亮绿灯并进行信号检测；如果等待一定时间后，仍然没联络上，就点亮红灯告警，指示通信联络失败。一般下位机正常，问题可能出现在线路或上位机。上位机在上电复位后，就迅速向下位机发送联络信号，并等待下位机上传数据，接收到正确的数据之后，就回馈接收正确标志。若连续一段时间之后仍没收到下位机发来的任何数据，就弹出“通信出错”窗口，同时语音提示通信出错，并不断向下位机发送联络信号，等待联络就绪。
4  结束语
　　该系统已设计完成并安装试运行。与正使用的其他类型的同类产品进行比较，本系统不仅检测结果正确，而且实时性和精度也满足铁路部颁标准，目前该装置已经通过鉴定。整个装置的所有信号及控制与通信等所有功能仅由一个C8051F005来完成，并配有完备的软硬件抗干扰设计，保证了所设计系统具有集成度高、实性好、线路简单、可靠性高、可扩展性强等优点。与目前国内正在使用的其他同类系统相比具有很大的优越性。
参考文献
1   严国志，徐箭，李兰芳.基于TMS320LF2407A的通用机车信号检测.电子技术应用，2003；（10）
2   潘琢金，施国君.C8051Fxxx高速SOC单片机原理及应用.北京：北京航空航天大学出版社，2002
3   丁元杰.单片机微机原理及应用.北京：机械工业出版社，2000