基于16位微处理器的道岔融雪装置及工作方法与流程

本发明涉及道岔融雪系统技术领域，尤其涉及一种基于16位微处理器的道岔融雪装置及工作方法。

背景技术：

道岔作为铁路运输系统中的主要组成部分，在铁路正常运行的过程中，它的好坏直接影响着铁路运输安全。而在我国北方一些高海拔地区，冬季气温低，暴风雪天气下，容易在道岔上留存大量积雪，如果不及时进行处理，所覆盖的积雪将迅速结冰，使得道岔的尖轨部分不能与基本轨密贴，可能会发生危机人身及行车安全等重大安全事故。

目前道岔融雪装置多采用PLC作为控制系统的核心处理单元，PLC具有快捷方便、成功率高等优势，但其成本较高；控制终端与融雪装置之间一般通过一路RS485进行数据交换，一旦网络出现故障可能影响整个系统的运行稳定性。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种基于16位微处理器的道岔融雪装置及工作方法，降低成本。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种基于16位微处理器的道岔融雪装置，其特征在于：包括微处理器模块、第四电平转换模块、第一电平转换模块、模拟量适配模块、交流采样模块、开关量输入模块、第二电平转换模块、温度传感器、温度适配模块、显示模块、第三电平转换模块、开关量输出模块、存储模块、第一数据收发模块、第二数据收发模块以及车站控制终端组成；

所述第一电平转换模块的输入端连接AC220V市电，第一电平转换模块输出端连接微处理器模块和显示模块的电源输入端，第一电平转换模块输出端连接模拟量适配模块的电源输入端；

所述第四电平转换模块的输入端连接AC220V市电，输出端连接开关量输入模块与开关量输出模块的电源输入端；所述模拟量适配模块的输出端连接交流采样模块的输入端，所述交流采样模块的输出端连接微处理器模块的输入端；所述开关量输入模块的输出端连接第二电平转换模块的输入端，所述第二电平转换模块的输出端连接微处理器模块的开关量输入端；

所述温度传感器的输出端连接温度适配模块的输入端；所述温度适配模块的输出端连接微处理器模块的信号采集输入端；

所述微处理器的IO输出端连接显示模块的输入端；所述微处理器模块的开关量输出端连接第三电平转换模块的输入端；所述第三电平转换模块的输出端连接开关量模块的输入端；

所述微处理器模块的SPI输出端连接数据存储模块的输入端；微处理器模块的CAN通讯输出端与第一数据收发模块的输入端双向连接，第一数据收发模块的输出端与车站控制终端的输入端双向连接；

所述微处理器模块的RS485通讯输出端与第二数据收发模块的输入端双向连接，第二数据收发模块的输出端与车站控制终端的输入端双向连接。

优选地，所述第一电平转换模块采用RT-85B开关电源,结合常规的硬件接口电路构成，将AC220V市电转换为DC+5V、DC±12V，DC±12V连接模拟量适配模块的输入端，DC+5V连接微处理器模块与显示模块的电源输入端；

优选地，所述第二电平转换模块采用SN74LVC4245芯片，结合常规的硬件接口电路构成，将采集到的5V开关量信号转换为3.3V后输入至微处理器模块的I/O输入端。

优选地，所述第四电平转换模块采用NES-100-24开关电源,结合常规的硬件接口电路构成，将AC220V市电转换为DC+24V，DC+24V连接开关量输入模块与开关量输出模块的电源输入端。

优选地，所述模拟量适配模块由模拟量预处理电路组成，模拟量输入信号包括交流电压和交流电流两种基本信号，由常规的运放电路组成，通过适配电路将交流电压信号、交流电流信号调整至满足交流采样模块输入端所需的电压范围，送至交流采样模块的输入端。

优选地，所述交流采样模块采用Max1324交流采样芯片，其数据输出端连接至微处理器模块的数据总线输入端。

优选地，所述开关量输入模块由低通滤波电路、光隔离电路、二极管显示电路和逻辑转换电路组成，其第一级电路对24V开关量信号进行低通滤波后，通过第二级光隔离电路将信号由24V转换为5V并通过发光二极管显示，最后将电平信号连接至第二电平转换模块的输入端。

优选地，所述开关量输出模块由一级逻辑转换电路、光隔离电路和二极管显示电路组成，将接收到的5V开关量信号经过两次逻辑转换，通过光隔离电路转换为24V信号，并且通过发光二极管显示出来，最后输送出去。

优选地，所述温度适配模块由第一级恒压源电路，通过调节滑线变阻器得出4.096V电压，再经第二级桥式电压采样电路得出一个相对的电压数值，最后经过第三级电压放大电路传输到微处理器的输入端。

一种基于16位微处理器的道岔融雪装置的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)通过模拟量适配模块、交流采样模块，实现控制柜三相电压、三相电流、频率信号的采样工作，所有采样信号进入微处理器模块后，经过软件计算可得到电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率及当前功率回路的各项数据；

2)通过开关量输入模块和第二电平转换模块，完成对各个道岔融雪加热设备开关量信号的采集，进而可以检测到当前的运行状态以及其它的开关量信息；

3)微处理器模块对采集到的开关量信号和计算得到的各项数据进行识别、判断和处理，将采集到的数据信息通过CAN总线及RS485总线传输到车站控制终端。

本发明的有益效果是:1.本发明采用16位微处理器作为该系统控制处理核心，在数据处理上减小了计算误差，增加数据处理精度，简化了数据运算过程，从而降低了核心处理器的负担，使控制系统变得更加安全、稳定。

2.该16位微处理器具有多种外设接口，如ADC，UART,SPI,CAN等。在唤醒延迟和功耗方面，几种省电模式提供了具有灵活性的最大优化方案。

3.在通讯上选用了CAN总线与RS485网络冗余方式，每个道岔融雪装置都具有网络自检功能，当某一网络出现故障时，可自动切换网络，保证了车站与各个道岔融雪装置之间的通讯更为可靠稳定运行。

4.微处理器电路板的设计上采用多层板设计，使电路板的布线更合理，电磁兼容性更好，抗干扰能力更强。

5.微处理器将采集到的模拟量数据及开关量状态实时上传到车站控制终端。

6.在故障分析上，微处理器将故障发生时刻前后10秒的重要模拟量数据及开关量状态数据自动存储，便于事故发生后现场工作人员能快速解决问题。

附图说明

附图1为本发明所涉及的系统硬件框图；

附图2为本发明所涉及的开关量输入模块电路图；

附图3为本发明所涉及的温度采集模块电路图；

附图4为本发明所涉及的开关量输出电路图；

附图5为本发明所涉及的CAN发送接收电路图；

附图6为本发明所涉及的RS485发送接收电路图；

附图7为本发明所涉及的道岔融雪装置的软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。如图1所示，如图1所示，一种基于16位微处理器的道岔融雪装置包括：微处理器模块、第四电平转换模块、第一电平转换模块、模拟量适配模块、交流采样模块、开关量输入模块、第二电平转换模块、温度传感器、温度适配模块、显示模块、第三电平转换模块、开关量输出模块、存储模块、第一数据收发模块、第二数据收发模块以及车站控制终端组成。所说的第一电平转换模块的输入端连接AC220V市电，第一个输出端连接微处理器模块和显示模块的电源输入端，第二个输出端连接模拟量适配模块的电源输入端；所说的第四电平转换模块的输入端连接AC220V市电，输出端连接开关量输入模块与开关量输出模块的电源输入端；所说的模拟量适配模块的输出端连接交流采样模块的输入端，所说的交流采样模块的输出端连接微处理器模块的输入端；所说的开关量输入模块的输出端连接第二电平转换模块的输入端，所说的第二电平转换模块的输出端连接微处理器模块的开关量输入端；所说的温度传感器的输出端连接温度适配模块的输入端；所说的温度适配模块的输出端连接微处理器模块的信号采集输入端；所说的微处理器的IO输出端连接显示模块的输入端；所说的微处理器模块的开关量输出端连接第三电平转换模块的输入端；所说的第三电平转换模块的输出端连接开关量模块的输入端；所说的微处理器模块的SPI输出端连接数据存储模块的输入端；微处理器模块的CAN通讯输出端与第一数据收发模块的输入端双向连接，第一数据收发模块的输出端与车站控制终端的输入端双向连接；微处理器模块的RS485通讯输出端与第二数据收发模块的输入端双向连接，第二数据收发模块的输出端与车站控制终端的输入端双向连接。本发明在主控单元模块上选用高性能的16位微处理器作为主CPU芯片，它通过选用合适的A/D采样模块，将先进的采样算法和自身的优异性能完美的结合在一起，在数据处理上减小了计算误差，增加数据处理精度，简化了数据运算过程，实现了数据的高速，稳定传递，进而提高了道岔融雪控制系统的整体性能指标。

上述所说的第四电平转换模块以台湾明纬电子有限公司生产的NES-100-24开关电源为主,结合常规的硬件接口电路构成，将AC220V市电转换为DC+24V，DC+24V连接开关量输入模块与开关量输出模块的电源输入端；

上述所说的第一电平转换模块以台湾明纬电子有限公司生产的RT-85B开关电源为主,结合常规的硬件接口电路构成，将AC220V市电转换为DC+5V、DC±12V，DC±12V连接模拟量适配模块的输入端，DC+5V连接微处理器模块与显示模块的电源输入端；

上述所说模拟量适配模块由模拟量预处理电路组成，模拟量输入信号包括交流电压和交流电流两种基本信号，由常规的运放电路组成，通过适配电路将交流电压信号，交流电流信号(电流信号需经过电阻分压后转换为电压信号)调整至满足交流采样模块输入端所需的电压范围，送至交流采样模块的输入端。

上述所说的交流采样模块以Maxim公司生产的Max1324交流采样芯片为主，它是一种14位高速模/数转换器，具有独立的采样/保持电路使得每一通道可以同时采样，其数据输出端连接至微处理器模块的数据总线输入端(数据总线)；

如图2所示，上述所说的开关量输入模块由低通滤波电路、光隔离电路、二极管显示电路和逻辑转换电路组成，其第一级电路对24V开关量信号进行低通滤波后，通过第二级光隔离电路将信号由24V转换为5V并通过发光二极管显示，最后将电平信号连接至第二电平转换模块的输入端；

上述所说的第二电平转换模块以德州仪器公司生产的SN74LVC4245芯片为主，结合常规的硬件接口电路构成，将采集到的5V开关量信号转换为3.3V后输入至微处理器模块的I/O输入端；

上述所说的温度传感器模块以PT100铂热电阻为主，它的阻值会随着温度的变化而改变，将温度信号转变为阻值的变化传输到温度适配模块的输入端；

如图3所示，上述所说的温度适配模块由第一级恒压源电路，通过调节滑线变阻器得出4.096V电压，再经第二级桥式电压采样电路得出一个相对的电压数值，最后经过第三级电压放大电路传输到微处理器的输入端；

上述所说的显示模块与单片机引脚直接相连，单片机将需要显示的数据通过八位双向数据线传输到LCD显示器，最终实现实时显示电压、电流、功率、温度以及开关量等信息；

如图4所示，上述所说开关量输出模块由一级逻辑转换电路、光隔离电路和二极管显示电路组成，将接收到的5V开关量信号经过两次逻辑转换，通过光隔离电路转换为24V信号，并且通过发光二极管显示出来，最后输送出去；

上述所说的存储模块由外部扩展存储器组成，外扩存储器选用Ramtron公司生产的FM25L256芯片，微处理器模块通过SPI与外扩铁电存储器连接，可在系统运行过程中可实现高速简捷的通讯，可随时保存工作过程中采集的开关量信息和时间标签，完成数据的读、写工作，并且支持掉电保存。

如图5所示，上述所说的第一数据收发模块主要由CAN通讯电路组成，此处给出的为第一数据收发模块的电路结构图，该部分电路主要包括光隔离电路、CAN收发电路以及相关的适配电路，实现CAN通讯信号的光隔离，数据接收和发送工作。其中CAN收发器选用德州仪器生产的SN65HVD1050DR(VP1050)芯片。

如图6所示，上述所说的第二数据收发模块主要由RS485通讯电路组成，该部分电路包括光隔离电路、收发电路。第一数据收发模块和第二数据收发模块的输入端分别与微处理器模块的CAN通讯口和RS485通讯口相连接构成双网冗余网络，它们与车站控制终端的通讯输入口相连接，构成本发明所说的冗余高速双网通讯网络。其中通讯网路的每个节点都具有网络自检功能，当网络出现故障时，可实现运行网络和备用网络的自动切换，进而保证了励磁系统运行的安全和稳定性。

本发明提供的一种基于16位微处理器的道岔融雪装置的工作方法包括如下步骤：

1)AC220V的市电通过第四电平转换模块输出DC+24V，它可直接为开光量输出模块与开关量输入模块供电；AC220V的市电通过第一电平转换模块输出DC+5V、DC±12V，DC+5V可为显示模块供电，同时还可为微处理器模块提供供电，DC±12V可为模拟量适配模块供电。

2)通过模拟量适配模块、交流采样模块，通过变压模块、电压、电流等适配模块完成各个回路道岔加热装置的电压电流信号的采样，所有采样信号进入微处理器模块后，经过软件实时计算出各个回路以及总回路的电压有效值、电流有效值、功率等模拟量数据。

3)通过开关量输入模块和第二电平转换模块，微处理器模块完成对各个道岔回路的开关量信号进行采集，进而可以实现对道岔融雪系统的运行状态(自动方式、手动方式、应急方式)、融雪加热装置的状态(运行状态、停止状态)等开关量的实时监测。

4)通过温度传感器、温度适配模块，微处理器模块利用AD采样采集模拟量数据，实现各个道岔轨温、气温信号的采集工作。

5)微处理器模块通过软件运算处理后通过第三电平转换模块输出到开关量输出模块，最终实现对各道岔回路加热装置进行实时控制。

6)微处理器模块通过并口与显示模块进行实时通讯，实现将装置的运行状态、数据实时显示。

7)最后微处理器模块将采集到的模拟量数据以及开关量的动作状态通过第一数据收发模块与第二数据收发模块同时实时上传到车站控制终端，并将某些设置参数以及故障数据存储到外设存储模块中。

上述步骤中所述的信号的计算软件实现：首先，16位微处理器通过对捕捉引脚上方波信号的处理，可得出被测电压的频率，再通过软件锁相环和交流采样子程序可完成系统模拟量的交流采样；通过计算子程序可得到系统的电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率。然后将模拟量数据以及开关量动作信息通过CAN及RS485网络传输到远端的车站控制终端。

上述步骤中所述气象数据采集的软件实现：

如图7所示，本发明所述对道岔融雪装置控制的原理软件流程如下：

1)关中断：禁止所有中断；

2)初始化中断向量表，设置中断优先级；

3)开中断；使能所有中断；

4)系统进入主循环程序，等待中断，如中断响应则进入下一步用户定义的系统子程序，如无响应中断，则继续等待；

5)进入系统子程序后，程序分为三个分支分别运行，分别执行数据存储程序、开关量输入程序和采样程序；

6)通过采样程序采集温度、电压、电流等模拟量信号，开关量输入程序采集各道岔的开关量动作信息，经运算处理后得出控制策略；

7)执行完上一步后，最后系统程序分两个分支运行：开关量输出程序与数据发送接收程序。开关量输出程序实现对各道岔的加热装置的控制；数据发送接收程序将数据实时上传至车站控制终端。

本发明采用16位微处理器作为道岔融雪控制系统的核心部分，它具有高精度，高可靠等性能，在数据处理上减小了计算误差，增加数据处理精度，简化了数据运算过程，保证了处理器的处理速度与运行效率；采用双网络冗余通讯方式(即一路CAN网络与一路RS485网络)实现数据实时交换。它需完成的最主要的作用是通过采集轨温及气温等数据来控制道岔融雪加热装置的正常启停，实时采集每一路加热装置的电压电流信号，并将其进行处理运算(功率、频率、电能等)、显示、存储及上传等功能，从而保证道岔融雪装置的正常可靠运行。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。