磁場(chǎng)效應(yīng)的火車道報(bào)警信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)詳解

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活對(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)男枨蠛涂茖W(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，鐵路運(yùn)輸?shù)哪芰θ找嫣岣?，?duì)鐵路運(yùn)輸安全的要求也就更高。然而，伴隨全路五次提速的實(shí)施，道口的安全隱患也越來(lái)越突出，已經(jīng)成為鐵路運(yùn)輸安全和鐵路運(yùn)輸能力的瓶頸。道口監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置在降低道口事故率，防護(hù)道口安全方面有著非常積極的意義。但從目前的研究成果和實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，大多采用軌道電路式、機(jī)械式，少部分采用多普勒雷達(dá)式和聲接收式。性能上各有優(yōu)缺點(diǎn)，在成本和體積上也不盡相同。

本文采用磁阻傳感器，根據(jù)磁場(chǎng)效應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種火車道報(bào)警信息采集裝置，并給出其軟硬件的設(shè)計(jì)方法。

2 系統(tǒng)工作原理

通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁致電阻效應(yīng)。對(duì)于鐵、鈷、鎳及其合金，如果把這類金屬做成薄膜帶狀導(dǎo)線，當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，其阻值發(fā)生變化，變化值的大小因內(nèi)外兩磁場(chǎng)合成磁化方向與電流流向的相對(duì)關(guān)系而異，趨于同向則增大；反之減小［1］。如圖1中所示，將四個(gè)坡莫合金（permalloy）組成一個(gè)惠斯通電橋（wheatstone bridge），則電阻阻值的變化將外加磁感應(yīng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成差分電壓輸出［2］。

大型鐵磁物體，如火車，可看成多個(gè)南北極磁鐵組成的模型。當(dāng)火車經(jīng)過(guò)時(shí)，則會(huì)引起地磁場(chǎng)的擾動(dòng)，其綜合影響是對(duì)地磁場(chǎng)磁力線造成扭曲和畸變。傳感器處于該變化的磁場(chǎng)中時(shí)，由磁阻效應(yīng)可知，傳感器的差分輸出端將會(huì)有變化的電壓產(chǎn)生，而這即是本系統(tǒng)用來(lái)檢測(cè)火車的理論依據(jù)。

圖1 磁阻傳感器原理圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

火車道報(bào)警信息采集系統(tǒng)硬件部分主要由數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成。其中數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)磁場(chǎng)信號(hào)的采集工作，其主要的核心為磁阻傳感器。當(dāng)列車接近磁阻傳感器時(shí)，傳感器將采集到的磁場(chǎng)變化信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大和a/d轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號(hào)，傳送至微控制器（單片機(jī)）。數(shù)據(jù)處理模塊主要部件是單片機(jī)。單片機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)芯片的時(shí)序控制，同時(shí)為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，還需對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，然后才能發(fā)送至串口端，由通信設(shè)備進(jìn)行讀取。本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

本系統(tǒng)中，磁阻傳感器選用的是honeywell公司生產(chǎn)的hmc1051z單軸磁阻傳感器。hmc1051z具有很寬的角度范圍，在±45°內(nèi)具有《0.07°的分辨率，靈敏度為1.0mv/v/高斯，在5伏電源供電時(shí)有120mv的滿量程輸出。內(nèi)部無(wú)移動(dòng)部件，固有阻抗小，抗電磁噪聲和干擾能力強(qiáng)，且內(nèi)置置位/復(fù)位帶，可減小溫度漂移、非線性誤差以及在高磁場(chǎng)環(huán)境中對(duì)輸出信號(hào)造成的影響。而片內(nèi)偏置電路則可消除磁場(chǎng)失真的影響［3］。

lm358運(yùn)放配合2個(gè)4.99kω、2個(gè)1.00mω的電阻以及一個(gè)150pf的電容可構(gòu)成帶有低通濾波器的放大電路，其增益為200，帶寬約1khz，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器輸出信號(hào)的放大和硬件濾波。

a/d轉(zhuǎn)換器采用分辨率為8位的adc0804模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

3.2 數(shù)據(jù)處理模塊

atmel公司的at89c51單片機(jī)與mcs-51的指令系統(tǒng)和引腳是兼容的，且自帶4kb的e2rom。但為了將來(lái)的升級(jí)和功能擴(kuò)展需要，這里對(duì)at89c51的存儲(chǔ)器進(jìn)行了擴(kuò)展。程序存儲(chǔ)器at28c64和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器hm6264lp-70均為8kb的容量，用p0.0～p0.7和p2.0～p2.4提供13位地址，74ls373對(duì)其低8位地址進(jìn)行鎖存。利用p2.5和p2.6對(duì)這兩存儲(chǔ)器進(jìn)行線選。

由于需將信號(hào)發(fā)送至db-9串口連接器，這里采用max232進(jìn)行ttl和rs-232電平間的轉(zhuǎn)換。將max232的t1in引腳接at89c51的串行發(fā)送引腳txd，r1out接at89c51的串行接收引腳rxd；與之對(duì)應(yīng)的r1in、t1out接9針串口連接器（db-9）相應(yīng)的rxd（2號(hào)針腳）和txd（3號(hào)針腳）。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分主要為a/d轉(zhuǎn)換子程序以及數(shù)據(jù)處理子程序的設(shè)計(jì)，并采用keil μvision2開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

4.1 a/d轉(zhuǎn)換子程序

a/d轉(zhuǎn)換子程序流程圖如圖3所示。首先令（本次設(shè)計(jì)端已接地）為低電平，啟動(dòng)adc0804，查詢中斷0后，在上升沿后100μs模數(shù)轉(zhuǎn)換完成，并將結(jié)果存入數(shù)據(jù)鎖存器，在為低電平時(shí)將數(shù)據(jù)信號(hào)送至p1口。

圖3 a/d轉(zhuǎn)換子程序流程圖

4.2 數(shù)據(jù)處理子程序

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理子程序是對(duì)采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行抗干擾處理，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。流程圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理子程序流程圖

數(shù)據(jù)處理子程序采用恒定閾值結(jié)合動(dòng)態(tài)基值的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的抗干擾能力，即最近一次的采集數(shù)據(jù)與基值相減，并對(duì)相減后的值進(jìn)行判斷，大于閾值則記錄，當(dāng)記錄到一定次數(shù)時(shí)，此時(shí)可認(rèn)定火車已經(jīng)來(lái)到；基值的大小可根據(jù)周圍磁場(chǎng)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更新。按照此算法編寫的程序一方面能達(dá)到系統(tǒng)自適應(yīng)的目的，另一方面也可自由設(shè)定（閾值大小和基值采樣次數(shù)）抗干擾的處理等級(jí)，方便不同種類的需要。

5 結(jié)束語(yǔ)

分別以磁鐵和收音機(jī)作為目標(biāo)對(duì)象，在遠(yuǎn)離和接近本系統(tǒng)的動(dòng)作條件下，觀察并記錄磁阻傳感器差分輸出端的電壓有效值以及l(fā)m358運(yùn)放放大200倍后的電壓值。兩組實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行十次，且每次目標(biāo)對(duì)象從遠(yuǎn)離到接近本系統(tǒng)時(shí)切入的角度和位置各不相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1和表2所示。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，物體的磁場(chǎng)強(qiáng)度和物體相對(duì)于傳感器位置的不同都會(huì)造成測(cè)量值較大的變化，且對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度大的物體，變化較為明顯，可利用該特性判斷火車的到來(lái)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，闡述了基于磁阻效應(yīng)的火車道報(bào)警信息采集系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程。該系統(tǒng)具有低功耗、成本低以及性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)可與gprs等無(wú)線設(shè)備相連，組成遠(yuǎn)距報(bào)警系統(tǒng)，因此具有一定實(shí)用價(jià)值。