摘    要：本文簡要介紹了基于內部集成電路總線I2C的電氣化鐵路導線磨耗儀的設計與應用。在開發電氣鐵路導線磨耗遙測儀的過程中，通過使用I2C電路和單片機AT89C52的I/O口，可以控制DS1307、AT24C256和IC卡。這種設計方法縮短了開發周期，提高了系統的整體穩定性。
關鍵詞：導線磨耗；I2C電路；AT89C52；電氣化鐵路

引言
接觸網斷線問題一直是困擾電氣化鐵路牽引供電設備安全的主要問題；同時，這也是接觸網系統各檢測項目中的難點。導線磨耗遙測儀的研究就是針對此問題，利用CCD(電荷耦合器件)作為傳感器，利用微控制器進行控制與數據傳輸，配合PC機構成的一套智能檢測系統。
本文設計的電氣鐵路導線磨耗遙測儀，采用測量導線磨耗殘存高度的方法，比較好的解決了接觸網帶電測量的問題。

導線磨耗儀系統結構與原理
導線磨耗目前比較典型的測量方法主要有以下三種：測量接觸導線的磨耗滑面寬度；測量導線截面積；測量接觸導線的殘存高度。
通過分析對比，我們選擇了測量導線磨耗殘高的方法。這種方法具有以下優點：
(1)由于接觸線磨耗面有波狀磨耗、局部磨耗，表面狀態各異。采用反射法測殘面高度，不可避免的存在反射光不均勻，凹陷處反射特性很差，因此必然造成目標邊緣模糊。而且反射法的檢測精度受接觸線高度影響較大，高懸掛點處磨耗檢測值精度隨距離增大而降低，對偏磨更是無能為力。而本文法則能很好解決這一問題。
(2)精度高：采用本方法，測量精度可小于0.05mm。
(3)檢測直觀：我國限于檢測手段，只能用卡尺測量殘高。所以這種方法檢測直觀方便、不必進行換算。
便攜式導線磨耗帶電遙測儀分為檢測裝置、地面接收機和上位機三部分。檢測裝置由光學照明系統、光學成像系統、CCD陣列及驅動電路、光電信息處理電路、穩功率電源、調制發射電路等組成。其結構框圖見圖1。
測量時，光學照明系統產生一束均勻的平行光，從接觸線側面平行射入，線高經光學成像系統映射在CCD線陣靶面上，并在線陣響應的像元中獲得一定寬度的脈沖信號。該信號經光電信息處理后變成二進制信號，經調制后發射出去。
地面接收裝置由紅外接收電路、解調電路、單片機、串行口等組成。結構框圖見圖2。
地面接收裝置將接收到的特征信號解調后，經單片機系統計算出導線殘留高度及磨耗百分比，顯示在LCD上，也可通過串行口上傳到PC機中。上位機是安裝有Windows 9x/2000操作系統的PC機，本設計使用微軟公司的Visual C++ 6.0編寫數據接收、處理、存儲和顯示的程序，界面友好，簡潔易用。

I2C總線及其硬件設計
I2C總線原理
I2C總線通過一根數據線SDA和一根時鐘線SCL實現全雙工的同步數據通信。同一總線上可以連接多個帶有I2C接口的器件，每個器件都有一個唯一的地址，既可以是單接收的器件，也可以是能夠接收發送的器件。發送器或接收器可以在主模式或從模式下操作，這取決于芯片是否必須啟動數據的傳輸還是僅僅被尋址。I2C還是一個多主總線，即它可以由多個連接的器件控制。圖3顯示了I2C總線上的數據穩定規則，圖4是I2C總線的起始位和停止位。
每次數據傳輸都是以一個起始位開始，而以停止位結束。傳輸的字節數由主機決定，沒有限制。最高有效位MSB將首先被傳輸，接收方收到第8位數據后會發出應答位。數據傳輸通常分為兩種：主機發送從機接收和從機發送主機接收。這兩種模式都需要主機發送起始位和停止位。應答位由接收方產生。從機地址一般是1或2個字節，用于區分連接在同一I2C上的不同器件。
I2C相關硬件設計
本導線磨耗儀系統中有三個部分帶有I2C接口，分別是實時時鐘芯片DS1307、串行EEPROM AT24C256和IC卡AT24C16。
DS1307內部具有地址指針，每次讀寫操作之后會自動加1，到達存儲器的末尾(3FH)會翻轉為0。時間信息的地址是00H~06H，因此讀取之前應先向3FH中寫入一個字節的數據，以便將地址指針復位到00H。
AT24C256是帶I2C電路的串行EEPROM，對AT24C256寫操作可分為字節模式和頁模式。如果采用字節模式，主機在發送從機地址(1字節)和字地址(2字節)之后，再送出1字節的數據，而后EEPROM返回應答位，主機以停止位結束操作。然后AT24C256進入自定時的寫周期，將收到的數據寫入非揮發性的存儲器，此時對于任何的輸入都不會作出響應。而頁模式的初始化過程與字節模式相同，在收到第1個數據字節的應答位之后，主機并不產生停止位，而是繼續發送數據，每頁最多包括64個字節。每收到1個字節的數據，EEPROM都會返回應答位，直到主機產生停止位結束操作。AT24C256讀操作的初始化過程與寫操作基本相同，只是從機地址的最低位設置略有差別。
IC卡AT24C256具有2K字節的EEPROM。由于帶電插拔可能會對IC卡造成損傷，因此需要在硬件和軟件兩方面對它的電源進行控制。如果有卡插入，卡座內部的按鍵被按下，通知主機可以進行檢測。主機應首先檢查插入的卡片是否會將電源Vcc與地GND短路，若沒有問題可以打開IC卡的電源，否則提示插入的是廢卡。如果插入的卡片是已經擊穿的壞卡或者金屬片，不經檢測就打開電源會造成供電回路的短路，嚴重時甚至導致整個系統損壞。單片機的I/O口通過一個小功率三極管控制IC卡的電源開關，每次插卡并檢測后接入5V電源，讀寫完畢后應及時切斷，以便IC卡的拔出。

軟件設計
導線磨耗遙測系統的軟件主要分由主控制程序、接口程序、輔助程序、上位機軟件等幾部分組成。
(1)導線磨耗系統的主控制程序控制整個系統的流程，主要完成程序的初始化、中斷方式的設置、計數器的工作方式的設置及相關子程序的調用。主控制程序除了管理資源、控制各模塊、處理數據外，還包括開機界面的六個顯示子菜單：測量溫度、參數設置、查看記錄、上傳數據、時鐘和休眠。
在數據處理算法方面，則使用采樣取平均的方法。在對查表得到溫度值的基礎上，與室溫比較，并進行距離、輻射率的補償。
(2)接口程序即各個接口的驅動程序，包括存儲器、時鐘、液晶、鍵盤、串口、ADC、時鐘和定時器。每個接口程序都應分別進行調試，按照協議編寫，注意時序問題。I2C電路可根據其接口時序進行調試。由于AT89C52單片機資源有限，所以需要注意資源的管理。
(3)輔助程序主要是字模提取和寫入，包括圖像圖標和文字的字模提取與保存，圖象的旋轉、縮放、平移、反顯，顏色與大小的修改等。
(4)上位機軟件可以用VC或VB編寫，由串行端口控件MSComm來為應用程序提供串行通信，打開串口、讀取數據、存儲和顯示。上位機軟件還可以統計數據、連接數據庫和遠程管理。數據庫可以使檢測記錄格式統一，便于集中處理。遠程管理可以加快數據傳輸速度，節省時間，減少事故發生的機會。
另外，由于這套系統要長期在野外工作，對穩定性要求較高。除了設置硬件看門狗外，還在編程時增加了許多軟件陷阱，使得程序必要時可以迅速復位。

結語
I2C總線電路結構簡單，符合系統設計向小型化低功耗方向的發展趨勢。在軟件方面，由于使用平臺模式的VIIC軟件包，保證了在較短的時間內開發出高穩定性的驅動程序。
本導線磨耗帶電遙測儀基于I2C總線設計，可以快速準確的帶電遙測輸電導線殘高，并能夠自動計算和存儲，還可保存環境溫度、電源電壓與時間信息。具有操作簡單、界面友好、易擴充等優點，對促進電氣鐵路的管理科學化具有重要的應用和推廣價值。■

參考文獻
1 孫涵芳、徐愛卿著.MCS51/96系列單片機原理及應用(修訂版).北京：北京航空航天大學出版社，1996
2 周航慈著.單片機應用程序設計技術.北京：北京航空航天大學出版社，1991