本文介紹的火車輪軸承溫度采集系統(tǒng)運(yùn)用高性能的處理器，能夠在火車運(yùn)行的過程中不斷記錄溫度與時(shí)間信息，并實(shí)時(shí)地把相關(guān)信息存儲(chǔ)到SD卡中。火車輪軸承的損壞將導(dǎo)致重大交通事故，提前預(yù)防是避免事故發(fā)生的最好辦法。現(xiàn)有的軸承溫度采集系統(tǒng)大都不能實(shí)時(shí)采集溫度信息，而且不能大量保存相關(guān)信息供人們分析。

1  系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

火車輪軸承溫度采集系統(tǒng)的工作原理是，各測量點(diǎn)通過溫度傳感器獲取軸承溫度信息，隨后通過I2C總線把這些信息轉(zhuǎn)輸給主機(jī)，主機(jī)收到后根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行超溫報(bào)警等動(dòng)作，同時(shí)把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD卡中，以便查詢。該系統(tǒng)以S3C2440A為主控制器，外部各個(gè)溫度傳感器直接掛接在I2C總線上，就可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)對傳感器數(shù)據(jù)的采集，從而簡化了硬件電路。同時(shí)利用S3C2440處理器速度快的特點(diǎn)，可以實(shí)時(shí)對溫度進(jìn)行采集，并且可以高速地存儲(chǔ)大量溫度信息。通過時(shí)鐘芯片，還可以記錄對應(yīng)時(shí)刻各測量點(diǎn)溫度的情況。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

主控制器直接采用了Mini2440最小系統(tǒng)板。其處理器為三星S3C2440A，主頻高達(dá)400 MHz，很好地滿足了系統(tǒng)對速度的要求。在溫度測量方面，選取DS18B20數(shù)字溫度傳感器，它的精確度很好地滿足了設(shè)計(jì)需要，價(jià)格較低，大大降低了開發(fā)成本。在通信方面，選取了I2c總線連接方式。利用處理器2個(gè)I／O口，簡單方便地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集。時(shí)鐘芯片：DS1302還為系統(tǒng)提供了準(zhǔn)確時(shí)間信息，可讓人們準(zhǔn)確了解具體時(shí)刻各測量點(diǎn)的溫度信息。該部分的示意圖如圖1所示。



系統(tǒng)采用SD卡來擴(kuò)展存儲(chǔ)器。在該系統(tǒng)中，SD卡用于存儲(chǔ)大量的信息，也可以很方便地將相關(guān)信息轉(zhuǎn)出。S3C2440A處理器中集成了SD卡控制器，給硬件電路的設(shè)計(jì)帶來了方便。SD卡硬件連接圖如圖2所示。



在軸承溫度采集系統(tǒng)實(shí)際工作中，電源的穩(wěn)定是相當(dāng)重要的。該系統(tǒng)需要5 V、3.3 V的工作電源。+5 V電壓經(jīng)過LM1117穩(wěn)壓后，可以得到+3.3 V的電壓，供Mini2440最小系統(tǒng)板與SD卡電路使用，+5 V的電壓由溫度傳感器、時(shí)鐘芯片等器件使用。電源模塊硬件圖如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是完成測量點(diǎn)與主機(jī)的通信，以及對各測量點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)的采集、處理和存儲(chǔ)。

3.1傳感器數(shù)據(jù)的采集

考慮到系統(tǒng)對溫度采集實(shí)時(shí)性的要求，系統(tǒng)每隔100ms采集1次溫度傳感器的數(shù)據(jù)，并不間斷地對整組測量點(diǎn)進(jìn)行輪流采集，確保讓每個(gè)測量點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)能及時(shí)地被主機(jī)處理。數(shù)據(jù)采集軟件流程如圖4所示。


3.2主機(jī)數(shù)據(jù)處理和管理軟件的設(shè)計(jì)

此模塊軟件的主要任務(wù)是處理采集的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。軟件將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果溫度有大于65℃，將啟動(dòng)報(bào)警程式，并可以根據(jù)溫度的變化趨勢采取相應(yīng)的預(yù)防措施。同時(shí)，在每次讀取傳感器數(shù)據(jù)的過程中記錄此刻的時(shí)間，軟件將保存本次采集的溫度和時(shí)間信息。當(dāng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)出時(shí)，可以清晰地看到各個(gè)時(shí)刻所對應(yīng)的不同溫度。數(shù)據(jù)處理的軟件流程如圖5所示。

3.3  基于S3C2440的SD卡控制器設(shè)計(jì)

主控制器S3C2440片內(nèi)集成了功能強(qiáng)大的SD卡的控制器，加上其提供的1組寄存器，使編程工作變得相對簡單。程序中定義相關(guān)寄存器如下：
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從各個(gè)寄存器定義后面的注釋中可以看出相應(yīng)寄存器的作用。

這些寄存器相互配合，就可以很方便地實(shí)現(xiàn)協(xié)議所要求的復(fù)雜時(shí)序。在對各個(gè)寄存器有了全方位的把握之后，就可以實(shí)現(xiàn)SD卡的相關(guān)功能，其操作過程為：

①CPU寄存器設(shè)置過程

◆正確設(shè)置SDICON寄存器；
◆正確設(shè)置SDIPRE寄存器；
◆等待74個(gè)時(shí)鐘信號初始卡。

②CMD命令發(fā)送過程

◆向SDICARG寄存器中寫入發(fā)送的參數(shù)；
◆確定命令類型并且通過設(shè)置SDICCON[8]來啟動(dòng)命令；
◆確定命令是否發(fā)送完成，沒應(yīng)答的話看SDICSTA[11]，有應(yīng)答的話看SDICSTA[9]；
◆清除SDICSTA中的相應(yīng)位。

③數(shù)據(jù)傳輸過程

◆向SDITIMER中寫入超時(shí)值；
◆向SDIBSIZE中寫入塊大小的值；
◆設(shè)置塊模式，總線寬度等，通過SDIDCON啟動(dòng)傳輸；
◆通過SDIFSTA檢查TxFIFO是否可用，再通過SDIDAT寫入發(fā)送數(shù)據(jù)；
◆通過SDIFSTA檢查RxFIFO是否可用，再通過SDIDAT讀入接收數(shù)據(jù)；
◆通過檢查SDIDSTA[4]確定傳輸過程已完成；
◆清除SDIDSTA中的相應(yīng)位。

程序采用模塊化設(shè)計(jì)思想。以主程序?yàn)楹诵脑O(shè)置功能模塊子程序，簡化了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。運(yùn)行過程中通過主程序調(diào)用各功能模塊子程序。通過程序的聯(lián)合作用，實(shí)現(xiàn)了對SD卡的讀寫，對大量的溫度、時(shí)間信息進(jìn)行了實(shí)時(shí)可靠的保存。以下是數(shù)據(jù)采集保存部分的函數(shù)分析。
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結(jié)  語

系統(tǒng)采用高性能處理器作為主控制器，高速地采集各節(jié)點(diǎn)溫度信息，當(dāng)溫度過高時(shí)能及時(shí)報(bào)警，并能快速地存儲(chǔ)大量溫度與時(shí)間信息。運(yùn)用SD卡能方便地將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)出并進(jìn)行分析。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案已成功運(yùn)用在湖南電力機(jī)車設(shè)備公司的產(chǎn)品中，對海量數(shù)據(jù)采集有較高參考價(jià)值。