基于嵌入式的地鐵雜散電流監測裝置的設計

1 地鐵雜散電流產生原理
地鐵牽引供電一般為直流供電，而當直流大電流沿地面敷設的軌道流動時，直流電流除了在軌道中流動外，還會從軌道泄漏到大地，在大地中的各種金屬物體上流動，然后再回到電源系統。這部分泄漏出來的電流稱為雜散電流，在地鐵工程中又稱為迷流，如圖0所示。由于雜散電流對埋入地下金屬產生腐蝕作用，就可能使得某些地方的地下金屬在自然腐蝕的同時又受到嚴重的雜散電流電腐蝕作用，導致地鐵電化腐蝕速度加快。有關地鐵雜散電流的原因、危害、防治可以參考《地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程 CJJ49-92》。

2 實驗室模擬裝置的設計
由于地下鐵道的特殊環境, 理論上和實際中都難以在現場進行實驗, 因此這類課題的研究和實驗, 多數情況下往往要在實驗室里進行,圖1是自行設計的一個實驗室模擬地下鐵道雜散電流的產生和對地下金屬腐蝕作用的實驗裝置。

3 數據采集系統的設計
3.1 系統概述
本系統由硬件和軟件兩部分組成。硬件以SST89C51 和8位ADC 芯片AD0809 為核心,具有鍵盤控制和液晶顯示功能，該系統還具有實時時間顯示和看門狗功能,可以通過RS232接口與外部(微機) 通信。系統的軟件以實時嵌入式操作系統ucos2 為基礎,采用多任務機制,通過任務調度和任務監視,系統具有較好的實時性和安全性。ucosII 是源碼公開的實時嵌入式操作系統,采用優先級調度算法完成任務間的調度,并支持搶占式調度。ucosII 具有可裁減的體系結構,并具有內存管理、中斷管理和任務控制塊( TCB) 擴展的功能。ucosII 還提供很多系統服務,例如郵箱、消息隊列、信號量等等。還具有可移植性好，結構簡單等優點。
3.2 系統的硬件設計
系統的硬件組成框圖如圖2 所示。各電阻電壓信號經過隔離放大，然后通過線性光耦的隔離后，分別傳送到多路采集A/D轉換芯片0809的輸入端進行數據采集。經A/ D轉換后的數字量被單片機讀入,經處理后可，在液晶上顯示出具體數據。同時也可以由通信接口讀入微機進行進一步的處理和分析。液晶有系統提示和實時時間顯示,可以通過鍵盤進行選擇和控制。
A/ D 轉換可采用價格低廉又通用的8位逐次逼近式ADC ,適合數據采集,轉換時間可達100 us 。系統外部擴展32 kROM 和RAM ,供緩存數據和存貯程序。液晶采用日立公司系列產品中的D44780 ,可以顯示16字×2行的字符模組。時間芯片采用的是M48T86 ,具有實時時間和日歷顯示功能。整個系統采用全地址譯碼法,外部設備和存儲器統一編址。CPU 訪問外部存貯器的一切指令均可用于對I/O 端口的訪問, 大大增強了CPU 對外設端口信息的處理能力。

3.3 系統的軟件設計
3.3.1 傳統的程序流程
一個典型的單片機數據采集系統的程序通常包括輸入/ 輸出控制、數據處理和顯示、鍵盤管理等模塊。程序采用循環方式,流程如圖3所示。