基于嵌入式TCP/IP协定单片机的杂散电流监测体系

摘要：本文体系介绍了杂散电流的发生及迫害及嵌入式TCP/IP协定单片机体系接入Internet网络的方式，并组建了基于嵌入式TCP/IP协定单片机的杂散电流监测体系，并对全体体系进行了通信误码率和测试精度的实验验证。成果表明，该体系在杂散电流监测体系利用成果较好，具有可靠性高，成本低等优点。 关键词：TCP/IP协定单片机，杂散电流，监测 1 引言 TCP/IP(传输掌握协定/网际协定)是当今Internet/Intranet的根本通信协定的尺度。TCP负责数据流量掌握，并保证传输的准确性；IP负责将数据从一处传送至它地。随着互联网的日益发展，越来越多的单片机体系要求能够通过互联网进行数据通信。但是，支撑互联网得以正常运行的TCP/IP协定是一个庞大而繁杂的协定族，受到自身资源及运行速度的限制，在普通单片机体系中不可能也没有必要完全实现TCP/IP协定所要求的全体功能。现阶段，在单片机通信与互联网的结合方面存在两大趋势。第一，依据单片机体系自身的须要有选择的实现TCP/IP协定族中的某些协定；第二，在单片机通信体系中利用TCP/IP协定中的某些先进思想和技术，进步单片机通信效力与可靠性。 Internet现已成为主要的基本信息设施之一，和人们的生活紧紧地接洽在一起，是人们远距离传递和共享信息的主要媒体。同时，单片机或微掌握器（MCU），通称嵌入式体系，已经在家庭和工业的各个领域得到了利用。 2 杂散电流的发生及迫害 地铁迷流，又称地铁杂散电流(metro stray current)．主要是指由采用直流供电牵引方式的地铁列车在地下铁道运行时泄漏到道床及其周围土壤介质中的电流。国内北京、天津、上海、广州和香港地铁均采用直流电力牵引(DC—Powered transit system)的方式。在这种供电方式当中，列车直流牵引体系采用正极接接触网，走行轨兼作负极回流线。在地铁建成并投入运营的初期，走行轨与道床之间的绝缘程度较高，即轨地过渡电阻阻值较大，由走行轨泄漏到土壤介质中的迷流也较少。但是随着地铁运营时间的推移，由于受到不可避免的污染、潮湿、渗水、漏水和高地应力作用等因素的影响，使地铁车站以及区间隧道中的轨地绝缘性能降低或先期防护法子失效，势必增大了由走行轨泄漏到土壤介质中的杂散电流。 地铁迷流主要是对地铁周围的埋地金属管道、通信电缆外皮以及车站和区间隧道主体结构中的钢筋发生电化学蜕化。它不仅能缩短金属管、线的使用寿命，而且还会降低地铁钢筋混凝土主体结构的强度和耐久性，甚至酿成灾难性的事故。在我国，地铁作为城市主要的交通工具正得到敏捷发展，除北京、上海、香港、天津和广州地铁己投入运营外，目前深圳、南京地铁也正在建设之中。由于地铁是一种繁杂的地下工程，其结构在施工完成后已定型。经若干年运营后，要对主体结构因迷流蜕化而进行更换或翻修则是十分困难的。因此，对地铁迷流的监测与防护具有主要的现实意义。 在本论文中，笔者依据目前地铁局域网建设已根本成熟的条件下，通过对地铁工程中杂散电流的监控方式和技术进行深入过细的研讨，利用现有的局域网，研制了一套基于嵌入式TCP/IP协定的杂散电流监测体系，用以实现地铁杂散电流的监测和预报。 3 基于嵌入式TCP/IP协定的杂散电流监测体系的设计 3.1体系功能描写 《地铁杂散电流蜕化防护技术规程》(CJJ49—92)规定：“对地铁回流体系、隧道主体结构等的电压测量，应在地铁正常运行条件下进行。”即必需测出结构钢筋极化电压正向偏移值(CJJ49—92规定偏移平均值不得超过0.5V)以及走行轨与结构钢筋间电压变化情况。为此，必需设计完备的杂散电流监测体系，监测主体结构钢筋是否遭遇杂散电流蜕化，以便涌现问题时及时采用法子，确保轨道交通主体结构及周边设施的安全。 该监测体系通过传感器在城市轨道交通沿线监测点附近及时将所采集到的主体结构钢筋的极化电位(模仿量)和钢轨(回流轨)对主体结构钢筋的电位经短距离的传输(小于10m)及时转化(数字量)，避免了长距离模仿量传输造成的误差。微机体系安装在车站的监测室内，微机与转接器之间利用局域网基本设施进行传输，依照必定的时间顺序把传感器的信号传到微机采集体系，确保了所读数据的准确性。 该监测装置主要监测下面两个参数：①极化电位——每个传感器每隔30min存贮一个结构钢筋对参考电极电位的平均值；②轨道电位——传感器每天在机车运行时，每隔一分钟储存一个轨道对结构钢筋的电位信号。 所有这些数据均储存在监测装置上，可随时显示，并记忆下来。同时可把记忆的各个车站监测装置的数据通过网络通信方式传给微机，并打印出来。 3.2 体系的构成 体系的构成如图1所示，利用目前最常用的微处置器8位单片机，嵌入TCP/IP协定，并利用尺度RS485接口连接传感器，使所有传感器与局域网相连，进一步可以连接Internet上网。 本体系的优点是成本低，而且和其他嵌入式装备的接口比拟简单，便于和现有的终端装备进行连接，利用现有的局域网络，组网方便，传输速度也比拟快。 图1 体系构成框图 3.3 嵌入式TCP/IP协定单片机体系接入Internet网络的方式 图2 嵌入式TCP/IP协定单片机接入网络的方式 要将单片机体系接人Internet需做好两方面的预备：①在硬件上，要给体系主控器——单片机加一个网络接口；②在软件上，要供给相应的通信协定。 当给一个体系配上一个以太网卡芯片，并供给TCP/IP协定和IEEE802.3协定时，这个体系就可以通过局域网接入Internet。同理，如果给体系配上一个DTE/DCE接口装备，并支撑TCP/IP协定和PPP协定，它就可通过Modem上网；如果一个体系配上一个具有无线收发功能的网络接口(RF)，并支撑TCP/IP协定和IEEE802.11系列协定，那么它也能通过无线方式上网。由此看来，要将单片机体系接入Internet的症结是如何实现网络接口，以及供给相应的网络协定。 利用NIC(网络掌握器／网卡)实现网络接口，由单片机来供给其他所需协定。在本体系中，CPU处置器选用Atmel公司的8位单片机AT89C58和RTL8019AS芯片构成的体系。RTL8019AS是一个依据IEEE802.3的MAC层(媒体造访掌握)协定尺度设计的以太网NIC。它除了具有接收物理介质上的串行数据和发送串行数据到物理介质的功能外，还具有MAC层的掌握功能。如发生MAC帧的CRC校验，依据相应的校验方式检验输入数据等等。其内部的协定逻辑阵列能够实现IEEE802.3协定，包孕CSMA/CD协定(具有碰撞检测的载波侦听式多址接人掌握)的冲突随机退避，装帧(加帧头)，拆帧(去帧头)和实现接收同步。至于高层协定，如网络层的IP协定、ARP协定、ICMP协定、传输层的UDP协定、TCP协定、利用层的PPP协定、FTP协定等等，就由主控器运行存储在体系扩大ROM中的协定代码来实现。 4 监测体系的实验验证 4.1通信可靠性验证 为了验证此体系的通信可靠性，设计了2个通信转接器，30个智能传感器以及上位机的采集软件，通信波特率设定为9600kps。上位机依次循环向每个智能传感器要数，智能传感器依据不同的命令，发送不同的数据，通过长时间的测试，通信误码率为0，阐明采用这种组网通信模式，通信可靠性高。 4.2智能传感器测试精度的验证 为了测试智能传感器的精度，通过在传感器的输入端加上尺度可调信号源，通过采用在传感器输入信号端子上用万用表测量（U1）和上位机采集显示信号（U2）进行比拟，来肯定传感器的测量精度。测量精度计算公式为： 对设计的30个智能传感器一一进行测试，测试成果测量精度 0.5%，能满足现场测试能精度的要求。 5 结 语 本体系充足利用了地铁的网络资源，不须要在地铁沿线铺设通信电缆投入的情况下，实现了对杂散电流蜕化因子参数的在线监测。改变了传统疏散的采集模式，采用了集中监控方式，减少了日常测试的工作量。目前该体系已在地铁中使用，大大进步了维护管理的质量和效益。 参考文献: [1] 汪圆圆.杂散电流“源处置”方式的研讨与探讨，城市轨道交通研讨，2001.1:42～45 [2] 汪圆圆.杂散电流分区域防护的研讨[J].铁道尺度设计,2002(6):84～85 [3] 赵煜,李威.广州地铁杂散电流实时监测体系设计及利用.城市轨道交通研讨，2001.1:63～65 [4] 地铁杂散电流蜕化防护技术规程（CJJ49-92）. 北京，中国筹划出版社，1993 [5] 周晓军，高波.地铁迷流对钢筋混凝土中钢筋蜕化的实验研讨.铁道学报，VOL.21 NO.5 1999 12～24 [6] 吕京建.嵌入式因特网技术的兴起与前景.今日电子，2001(增刊):4～5 [7] 吴誉，张卫东，许晓鸣.以太网和现场总线的互连方式.测控技术，2000(1) [8] 铙运涛，邹继军，郑勇芸.现场总线CAN原理与利用技术.北京航空航天大学出版社，2003