基于嵌入式的地铁杂散电流监测装置的设计

1 地铁杂散电流产生原理
地铁牵引供电一般为直流供电，而当直流大电流沿地面敷设的轨道流动时，直流电流除了在轨道中流动外，还会从轨道泄漏到大地，在大地中的各种金属物体上流动，然后再回到电源系统。这部分泄漏出来的电流称为杂散电流，在地铁工程中又称为迷流，如图0所示。由于杂散电流对埋入地下金属产生腐蚀作用，就可能使得某些地方的地下金属在自然腐蚀的同时又受到严重的杂散电流电腐蚀作用，导致地铁电化腐蚀速度加快。有关地铁杂散电流的原因、危害、防治可以参考《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程 CJJ49-92》。

2 实验室模拟装置的设计
由于地下铁道的特殊环境, 理论上和实际中都难以在现场进行实验, 因此这类课题的研究和实验, 多数情况下往往要在实验室里进行,图1是自行设计的一个实验室模拟地下铁道杂散电流的产生和对地下金属腐蚀作用的实验装置。

3 数据采集系统的设计
3.1 系统概述
本系统由硬件和软件两部分组成。硬件以SST89C51 和8位ADC 芯片AD0809 为核心,具有键盘控制和液晶显示功能，该系统还具有实时时间显示和看门狗功能,可以通过RS232接口与外部(微机) 通信。系统的软件以实时嵌入式操作系统ucos2 为基础,采用多任务机制,通过任务调度和任务监视,系统具有较好的实时性和安全性。ucosII 是源码公开的实时嵌入式操作系统,采用优先级调度算法完成任务间的调度,并支持抢占式调度。ucosII 具有可裁减的体系结构,并具有内存管理、中断管理和任务控制块( TCB) 扩展的功能。ucosII 还提供很多系统服务,例如邮箱、消息队列、信号量等等。还具有可移植性好，结构简单等优点。
3.2 系统的硬件设计
系统的硬件组成框图如图2 所示。各电阻电压信号经过隔离放大，然后通过线性光耦的隔离后，分别传送到多路采集A/D转换芯片0809的输入端进行数据采集。经A/ D转换后的数字量被单片机读入,经处理后可，在液晶上显示出具体数据。同时也可以由通信接口读入微机进行进一步的处理和分析。液晶有系统提示和实时时间显示,可以通过键盘进行选择和控制。
A/ D 转换可采用价格低廉又通用的8位逐次逼近式ADC ,适合数据采集,转换时间可达100 us 。系统外部扩展32 kROM 和RAM ,供缓存数据和存贮程序。液晶采用日立公司系列产品中的D44780 ,可以显示16字×2行的字符模组。时间芯片采用的是M48T86 ,具有实时时间和日历显示功能。整个系统采用全地址译码法,外部设备和存储器统一编址。CPU 访问外部存贮器的一切指令均可用于对I/O 端口的访问, 大大增强了CPU 对外设端口信息的处理能力。

3.3 系统的软件设计
3.3.1 传统的程序流程
一个典型的单片机数据采集系统的程序通常包括输入/ 输出控制、数据处理和显示、键盘管理等模块。程序采用循环方式,流程如图3所示。