基于I2C总线的火车轮轴承温度采集系统设计

本文介绍的火车轮轴承温度采集系统运用高性能的处理器，能够在火车运行的过程中不断记录温度与时间信息，并实时地把相关信息存储到SD卡中。火车轮轴承的损坏将导致重大交通事故，提前预防是避免事故发生的最好办法。现有的轴承温度采集系统大都不能实时采集温度信息，而且不能大量保存相关信息供人们分析。

1 系统设计原理

火车轮轴承温度采集系统的工作原理是，各测量点通过温度传感器获取轴承温度信息，随后通过I2C总线把这些信息转输给主机，主机收到后根据数据进行超温报警等动作，同时把数据存储在SD卡中，以便查询。该系统以S3C2440A为主控制器，外部各个温度传感器直接挂接在I2C总线上，就可以实现主机对传感器数据的采集，从而简化了硬件电路。同时利用S3C2440处理器速度快的特点，可以实时对温度进行采集，并且可以高速地存储大量温度信息。通过时钟芯片，还可以记录对应时刻各测量点温度的情况。

2 系统硬件设计

主控制器直接采用了Mini2440最小系统板。其处理器为三星S3C2440A，主频高达400 MHz，很好地满足了系统对速度的要求。在温度测量方面，选取DS18B20数字温度传感器，它的精确度很好地满足了设计需要，价格较低，大大降低了开发成本。在通信方面，选取了I2c总线连接方式。利用处理器2个I／O口，简单方便地实现了数据的采集。时钟芯片：DS1302还为系统提供了准确时间信息，可让人们准确了解具体时刻各测量点的温度信息。该部分的示意图如图1所示。



系统采用SD卡来扩展存储器。在该系统中，SD卡用于存储大量的信息，也可以很方便地将相关信息转出。S3C2440A处理器中集成了SD卡控制器，给硬件电路的设计带来了方便。SD卡硬件连接图如图2所示。



在轴承温度采集系统实际工作中，电源的稳定是相当重要的。该系统需要5 V、3.3 V的工作电源。+5 V电压经过LM1117稳压后，可以得到+3.3 V的电压，供Mini2440最小系统板与SD卡电路使用，+5 V的电压由温度传感器、时钟芯片等器件使用。电源模块硬件图如图3所示。

3 系统软件设计

设计的主要任务是完成测量点与主机的通信，以及对各测量点温度数据的采集、处理和存储。

3.1传感器数据的采集

考虑到系统对温度采集实时性的要求，系统每隔100ms采集1次温度传感器的数据，并不间断地对整组测量点进行轮流采集，确保让每个测量点的温度数据能及时地被主机处理。数据采集软件流程如图4所示。


3.2主机数据处理和管理软件的设计

此模块软件的主要任务是处理采集的数据并存储数据。软件将采集到的数据进行比较，如果温度有大于65℃，将启动报警程式，并可以根据温度的变化趋势采取相应的预防措施。同时，在每次读取传感器数据的过程中记录此刻的时间，软件将保存本次采集的温度和时间信息。当数据转出时，可以清晰地看到各个时刻所对应的不同温度。数据处理的软件流程如图5所示。

3.3 基于S3C2440的SD卡控制器设计

主控制器S3C2440片内集成了功能强大的SD卡的控制器，加上其提供的1组寄存器，使编程工作变得相对简单。程序中定义相关寄存器如下：

从各个寄存器定义后面的注释中可以看出相应寄存器的作用。

这些寄存器相互配合，就可以很方便地实现协议所要求的复杂时序。在对各个寄存器有了全方位的把握之后，就可以实现SD卡的相关功能，其操作过程为：

①CPU寄存器设置过程

◆正确设置SDICON寄存器；
◆正确设置SDIPRE寄存器；
◆等待74个时钟信号初始卡。

②CMD命令发送过程

◆向SDICARG寄存器中写入发送的参数；
◆确定命令类型并且通过设置SDICCON[8]来启动命令；
◆确定命令是否发送完成，没应答的话看SDICSTA[11]，有应答的话看SDICSTA[9]；
◆清除SDICSTA中的相应位。

③数据传输过程

◆向SDITIMER中写入超时值；
◆向SDIBSIZE中写入块大小的值；
◆设置块模式，总线宽度等，通过SDIDCON启动传输；
◆通过SDIFSTA检查TxFIFO是否可用，再通过SDIDAT写入发送数据；
◆通过SDIFSTA检查RxFIFO是否可用，再通过SDIDAT读入接收数据；
◆通过检查SDIDSTA[4]确定传输过程已完成；
◆清除SDIDSTA中的相应位。

程序采用模块化设计思想。以主程序为核心设置功能模块子程序，简化了设计结构。运行过程中通过主程序调用各功能模块子程序。通过程序的联合作用，实现了对SD卡的读写，对大量的温度、时间信息进行了实时可靠的保存。以下是数据采集保存部分的函数分析。




结 语

系统采用高性能处理器作为主控制器，高速地采集各节点温度信息，当温度过高时能及时报警，并能快速地存储大量温度与时间信息。运用SD卡能方便地将数据转出并进行分析。本系统设计方案已成功运用在湖南电力机车设备公司的产品中，对海量数据采集有较高参考价值。