磁场效应的火车道报警信息采集系统设计

　　1  引言
                   
　　随着社会经济生活对铁路运输的需求和科学技术的不断发展，铁路运输的能力日益提高，对铁路运输安全的要求也就更高。然而，伴随全路五次提速的实施，道口的安全隐患也越来越突出，已经成为铁路运输安全和铁路运输能力的瓶颈。道口监测报警装置在降低道口事故率，防护道口安全方面有着非常积极的意义。但从目前的研究成果和实际应用来看，大多采用轨道电路式、机械式，少部分采用多普勒雷达式和声接收式。性能上各有优缺点，在成本和体积上也不尽相同。
                   
　　本文采用磁阻传感器，根据磁场效应，设计了一种火车道报警信息采集装置，并给出其软硬件的设计方法。
           
　　2  系统工作原理
                   
　　通电导体在磁场中电阻值发生变化的现象称为磁致电阻效应。对于铁、钴、镍及其合金，如果把这类金属做成薄膜带状导线，当有电流通过时，其阻值发生变化，变化值的大小因内外两磁场合成磁化方向与电流流向的相对关系而异，趋于同向则增大；反之减小[1]。如图1中所示，将四个坡莫合金(permalloy)组成一个惠斯通电桥(wheatstone bridge)，则电阻阻值的变化将外加磁感应强度转换成差分电压输出[2]。
                   
　　大型铁磁物体，如火车，可看成多个南北极磁铁组成的模型。当火车经过时，则会引起地磁场的扰动，其综合影响是对地磁场磁力线造成扭曲和畸变。传感器处于该变化的磁场中时，由磁阻效应可知，传感器的差分输出端将会有变化的电压产生，而这即是本系统用来检测火车的理论依据。

                                                                  图1  磁阻传感器原理图

 3  系统硬件设计
                   
　　火车道报警信息采集系统硬件部分主要由数据采集模块和数据处理模块组成。其中数据采集模块负责磁场信号的采集工作，其主要的核心为磁阻传感器。当列车接近磁阻传感器时，传感器将采集到的磁场变化信号，经过信号放大和a/d转换环节，转换成离散的数字信号，传送至微控制器(单片机)。数据处理模块主要部件是单片机。单片机负责对各个芯片的时序控制，同时为了提高系统的抗干扰能力，还需对采集到的数据进行滤波处理，然后才能发送至串口端，由通信设备进行读取。本系统的硬件设计框图如图2所示。

                                                                  图2  系统硬件设计框图
           
　　3.1 数据采集模块
                   
　　本系统中，磁阻传感器选用的是honeywell公司生产的hmc1051z单轴磁阻传感器。hmc1051z具有很宽的角度范围，在±45°内具有<0.07°的分辨率，灵敏度为1.0mv/v/高斯，在5伏电源供电时有120mv的满量程输出。内部无移动部件，固有阻抗小，抗电磁噪声和干扰能力强，且内置置位/复位带，可减小温度漂移、非线性误差以及在高磁场环境中对输出信号造成的影响。而片内偏置电路则可消除磁场失真的影响[3]。
                   
　　lm358运放配合2个4.99kω、2个1.00mω的电阻以及一个150pf的电容可构成带有低通滤波器的放大电路，其增益为200，带宽约1khz，实现对传感器输出信号的放大和硬件滤波。

　　a/d转换器采用分辨率为8位的adc0804模数转换器对放大后的信号进行模数转换。
           
　　3.2 数据处理模块
                   
　　atmel公司的at89c51单片机与mcs-51的指令系统和引脚是兼容的，且自带4kb的e2rom。但为了将来的升级和功能扩展需要，这里对at89c51的存储器进行了扩展。程序存储器at28c64和数据存储器hm6264lp-70均为8kb的容量，用p0.0～p0.7和p2.0～p2.4提供13位地址，74ls373对其低8位地址进行锁存。利用p2.5和p2.6对这两存储器进行线选。
                   
　　由于需将信号发送至db-9串口连接器，这里采用max232进行ttl和rs-232电平间的转换。将max232的t1in引脚接at89c51的串行发送引脚txd，r1out接at89c51的串行接收引脚rxd；与之对应的r1in、t1out接9针串口连接器(db-9)相应的rxd(2号针脚)和txd(3号针脚)。
           
4  系统软件设计
                   
　　本系统的软件设计部分主要为a/d转换子程序以及数据处理子程序的设计，并采用keil μvision2开发工具进行开发。
           
　　4.1 a/d转换子程序
                   
　　a/d转换子程序流程图如图3所示。首先令(本次设计端已接地)为低电平，启动adc0804，查询中断0后，在上升沿后100μs模数转换完成，并将结果存入数据锁存器，在为低电平时将数据信号送至p1口。

                                                         图3  a/d转换子程序流程图
           
　　4.2 数据处理子程序
                   
　　本系统的数据处理子程序是对采集后的数据进行抗干扰处理，以提高系统的稳定性和可靠性。流程图如图4所示。

                                                         图4  数据处理子程序流程图
                   
　　数据处理子程序采用恒定阈值结合动态基值的算法来实现系统的抗干扰能力，即最近一次的采集数据与基值相减，并对相减后的值进行判断，大于阈值则记录，当记录到一定次数时，此时可认定火车已经来到；基值的大小可根据周围磁场的变化来实现实时更新。按照此算法编写的程序一方面能达到系统自适应的目的，另一方面也可自由设定(阈值大小和基值采样次数)抗干扰的处理等级，方便不同种类的需要。

                   
　　分别以磁铁和收音机作为目标对象，在远离和接近本系统的动作条件下，观察并记录磁阻传感器差分输出端的电压有效值以及lm358运放放大200倍后的电压值。两组实验分别进行十次，且每次目标对象从远离到接近本系统时切入的角度和位置各不相同。实验结果如表1和表2所示。

　　由实验结果分析，物体的磁场强度和物体相对于传感器位置的不同都会造成测量值较大的变化，且对磁场强度大的物体，变化较为明显，可利用该特性判断火车的到来。
           
5  结束语
                   
　　本文从工程应用的角度出发，阐述了基于磁阻效应的火车道报警信息采集系统的开发过程。该系统具有低功耗、成本低以及性能稳定等优点，系统可与gprs等无线设备相连，组成远距报警系统，因此具有一定实用价值。