基于嵌入式的地鐵雜散電流監(jiān)測裝置的設(shè)計

1 地鐵雜散電流產(chǎn)生原理
地鐵牽引供電一般為直流供電，而當(dāng)直流大電流沿地面敷設(shè)的軌道流動時，直流電流除了在軌道中流動外，還會從軌道泄漏到大地，在大地中的各種金屬物體上流動，然后再回到電源系統(tǒng)。這部分泄漏出來的電流稱為雜散電流，在地鐵工程中又稱為迷流，如圖0所示。由于雜散電流對埋入地下金屬產(chǎn)生腐蝕作用，就可能使得某些地方的地下金屬在自然腐蝕的同時又受到嚴(yán)重的雜散電流電腐蝕作用，導(dǎo)致地鐵電化腐蝕速度加快。有關(guān)地鐵雜散電流的原因、危害、防治可以參考《地鐵雜散電流腐蝕防護技術(shù)規(guī)程 CJJ49-92》。

2 實驗室模擬裝置的設(shè)計
由于地下鐵道的特殊環(huán)境, 理論上和實際中都難以在現(xiàn)場進行實驗, 因此這類課題的研究和實驗, 多數(shù)情況下往往要在實驗室里進行,圖1是自行設(shè)計的一個實驗室模擬地下鐵道雜散電流的產(chǎn)生和對地下金屬腐蝕作用的實驗裝置。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計
3.1 系統(tǒng)概述
本系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件以SST89C51 和8位ADC 芯片AD0809 為核心,具有鍵盤控制和液晶顯示功能，該系統(tǒng)還具有實時時間顯示和看門狗功能,可以通過RS232接口與外部(微機) 通信。系統(tǒng)的軟件以實時嵌入式操作系統(tǒng)ucos2 為基礎(chǔ),采用多任務(wù)機制,通過任務(wù)調(diào)度和任務(wù)監(jiān)視,系統(tǒng)具有較好的實時性和安全性。ucosII 是源碼公開的實時嵌入式操作系統(tǒng),采用優(yōu)先級調(diào)度算法完成任務(wù)間的調(diào)度,并支持搶占式調(diào)度。ucosII 具有可裁減的體系結(jié)構(gòu),并具有內(nèi)存管理、中斷管理和任務(wù)控制塊( TCB) 擴展的功能。ucosII 還提供很多系統(tǒng)服務(wù),例如郵箱、消息隊列、信號量等等。還具有可移植性好，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。
3.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計
系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖2 所示。各電阻電壓信號經(jīng)過隔離放大，然后通過線性光耦的隔離后，分別傳送到多路采集A/D轉(zhuǎn)換芯片0809的輸入端進行數(shù)據(jù)采集。經(jīng)A/ D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量被單片機讀入,經(jīng)處理后可，在液晶上顯示出具體數(shù)據(jù)。同時也可以由通信接口讀入微機進行進一步的處理和分析。液晶有系統(tǒng)提示和實時時間顯示,可以通過鍵盤進行選擇和控制。
A/ D 轉(zhuǎn)換可采用價格低廉又通用的8位逐次逼近式ADC ,適合數(shù)據(jù)采集,轉(zhuǎn)換時間可達100 us 。系統(tǒng)外部擴展32 kROM 和RAM ,供緩存數(shù)據(jù)和存貯程序。液晶采用日立公司系列產(chǎn)品中的D44780 ,可以顯示16字×2行的字符模組。時間芯片采用的是M48T86 ,具有實時時間和日歷顯示功能。整個系統(tǒng)采用全地址譯碼法,外部設(shè)備和存儲器統(tǒng)一編址。CPU 訪問外部存貯器的一切指令均可用于對I/O 端口的訪問, 大大增強了CPU 對外設(shè)端口信息的處理能力。

3.3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計
3.3.1 傳統(tǒng)的程序流程
一個典型的單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的程序通常包括輸入/ 輸出控制、數(shù)據(jù)處理和顯示、鍵盤管理等模塊。程序采用循環(huán)方式,流程如圖3所示。