（微电子学与固体电子学专业论文）地铁杂散电流数据监测传感器的设计.pdf

西安理工大学硕士学位论文 论文题目：地铁杂散电流数据监测传感器的设计 学科名称：微电子学与固体电子学 研究生：吴江 指导教师：杨嫒教授 摘要 签名：墨i 圣 签名：拗錾 城市轨道交通系统中的杂散电流会使混凝土结构中的钢筋以及轨道交通沿线的埋地 金属管线发生严重的电化学腐蚀，从而引发安全事故。因此对杂散电流进行监测具有非常 重要的意义。 本论文的任务是根据地铁杂散电流的特点以及行业规范，设计一种地铁杂散电流数据 监测传感器。该传感器是全自动化地铁杂散电流监测与控制系统的重要组成部分。设计以 s i l i c o nl a b 公司生产的c 8 0 5 1 f 0 2 0 混合信号微控制器为核心控制芯片，主要包括信号预 处理模块、通信模块和辅助模块。信号预处理模块包括信号的滤波和1 2 位模数转换电路， 模块的主要功能是实现信号的采集、信号电平调整和模拟信号到数字信号的转换。通信模 块采用p h i l i p s 公司的独立c a n 控制器s j a l 0 0 0 ，通过c a n 总线实现传感器与转接器或监 测装置之间的通信。辅助模块主要包括指示灯电路和拨码开关电路等。由于传感器所处的 工作环境恶劣，设计中还增加了e m c 保护电路。同时，通过特有的软硬件设计，使传感器 具有自动校准功能，显著地提高了极化电压采集的精度。 论文完成了传感器的硬件设计、制作、软件设计和测试。测试结果表明，传感器的各 项功能均达到预期的要求。极化电压的平均误差为8 4 ，轨构电压的平均误差为9 7 0 。 关键词：杂散电流极化电压传感器控制器局域网 西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：t h ed e s i g no fs e n s o ru s e dt om o n i t o ra n dm e a s u r et h e s t r a yc u r r e n ti ns u b w a y m a j o r ：m i c r o e l e c t r o n i c sa n ds o l i ds t a t ee l e c t r o n i c s n a m e ：j i a n gw u s u p e r v i s o r ：p r o f y u a ny a n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： t h es t r a yc u r r e n ti nt h eu r b a nr a i lt r a f f i cs y s t e mw i l lm a k es t e e lo ft h er e i n f o r c e dc o n c r e t e s t r u c t u r ea n dt h eb u r i e dm e t a lp i p e l i n e sa l o n gt h er a i lt r a f f i cs u f f e r i n g f r o ms e r i o u s e l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o n ，c a u s i n ga c c i d e n t s t h e r e f o r e ，i th a sv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et o m o n i t o ra n dm e a s u r es t r a yc u r r e n t t h eo b j e c t i v eo ft h i st h e s i si s ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t r a yc u r r e n ta n dt h e p r o t e c t i o ns t a n d a r d s ，d e s i g n i n gas e n s o rm o n i t o r i n ga n dm e a s u r i n gs t r a yc u r r e n t t h es e n s o ri s t h ei m p o r t a n tp a r to ft h ef u l l ya u t o m a t e ds y s t e mm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs t r a yc u r r e n t s e l e c t i n gm i x e d s i g n a lm c uc 8 0 5 1f 0 2 0 ，w i t c hi sp r o d u c e db yt h es i l i c o nl a b ，a st h ec o r e c o n t r o lc h i p ，t h ed e s i g nc o m p r i s et h es i g n a lp r e p r o c e s s i n gm o d u l e ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n d a u x i l i a r ym o d u l e s i g n a lp r e p r o c e s s i n g m o d u l ei n c l u d e ss i g n a l f i l t e r i n g a n d12 - b i t a n a l o g d i g i t a lc o n v e r s i o nc i r c u i t t h e m a i nf u n c t i o no ft h i sm o d u l ei st oa c h i e v es i g n a l a c q u i s i t i o n ，s i g n a ll e v e la d j u s t m e n ta n da n a l o gs i g n a l st od i g i t a ls i g n a lc o n v e r s i o n u s i n gt h e i n d e p e n d e n tc a n c o n t r o l l e rs j a10 0 0w i t c hi sp r o d u c e db yp h i l i p s ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l e a c h i e v et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h es e n s o ra n dt h ea d a p t e ro rt h es e n s o ra n dt h em o n i t o rb y c a nb u s a u x i l i a r ym o d u l e si n c l u d el e dc i r c u i ta n dc o d es w i t c hc i r c u i t b e c a u s eo ft h e w o r k i n ge n v i r o n m e n to ft h es e n s o ri sr u g g e d ，t h ed e s i g na l s oi n c r e a s e de m cp r o t e c t i o nc i r c u i t m e a n w h i l e ，t h eu n i q u es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g nm a k e st h es e n s o ra c q u i r ea u t o m a t i c c a l i b r a t i o nf u n c t i o n ，s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e dt h ea c c u r a c yo fm e a s u r i n gt h ep o l a r i z a t i o nv o l t a g e t h et a s ko ft h i st h e s i sc o n s i s t so fs e n s o rh a r d w a r ed e s i g n ，p r o d u c t i o n ，s o f t w a r ed e s i g na n d t e s t i n g t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ef u n c t i o no ft h es e n s o rr e a c h e dt h ee x p e c t e dr e q u i r e m e n t s t h e a v e r a g ee r r o ro fp o l a r i z a t i o nv o l t a g ei s8 4 o t h ea v e r a g ee r r o ro fv o l t a g ed i f f e r e n c eb e t w e e n r a j la n ds t e e ls t r u c t u r ei s9 7 o k e yw o r d s ：s t r a yc u r r e n t ，p o l a r i z a t i o nv o l t a g e ，s e n s o r , c a n i i 西安理工大学硕士学位论文 目录 摘宴臣i a b s t r a c t i i 1 者论1 1 1 地铁杂散电流监测的意义l 1 1 1 地铁杂散电流的产生1 1 1 2 地铁杂散电流的危害1 1 2 国内外地铁杂散电流监测的现状2 1 3 论文的主要任务和主要内容2 1 3 1 论文的主要任务2 1 3 2 论文的主要内容2 2 地铁杂散电流的监测原理与监测系统4 2 1 地铁杂散电流的监测原理4 2 1 1 地铁杂散电流的监测方法4 2 1 2 传感器的监测对象4 2 2 地铁杂散电流监测系统的分类5 2 2 1 集中式与分散式杂散电流监测系统的比较5 2 2 2 本传感器对应监测系统的结构6 2 3 本章小结7 3 地铁杂散电流数据监测传感器的硬件设计8 3 1 传感器功能模块的划分8 3 2 微控制器的选用8 3 3 信号采集与预处理模块的设计10 3 3 1 主要器件的选取10 3 3 2 信号采集与预处理电路的设计13 3 4 通信模块的设计1 4 3 4 1 通信总线的选择。14 3 4 2 主要器件的选取15 3 4 3 通信电路的设计1 8 3 5 电源模块的设计19 3 5 1 主要器件的选取1 9 3 5 2 电源电路的设计2 0 3 6 辅助功能模块2 2 3 6 1 拨码开关2 2 3 6 2l e d 指示灯2 2 3 7 本章小结2 3 4 地铁杂散电流数据监测传感器的软件设计2 4 4 1 传感器程序流程图2 4 4 2c a n 通信程序设计2 5 4 2 1s j a l 0 0 0 的相关设计2 5 4 2 。2c a n 中断服务函数的设计2 9 4 3a d c 数据处理程序设计31 4 3 1a d c 中断程序的设计3 l 4 3 2a d c 后数据的处理3 3 4 4 误差的校正3 4 i i i 西安理工大学硕士学位论文 4 5 本章小结3 6 5 地铁杂散电流数据监测传感器的测试一3 7 5 1c a n 通信测试3 8 5 2 数据采集与预处理测试一3 9 5 3 自校准误差校正效果测试一4 3 5 4 本章小结。4 4 6 结论4 5 致谢4 6 参考文献一4 7 i v 1 绪论 1 绪论 1 1 地铁杂散电流监测的意义 1 1 1 地铁杂散电流的产生 随着我国城市化进程的加快，城市交通拥堵日益严重。轨道交通系统以其输送能力大、 快速、节能、污染小和占地少等优点，成为解决城市交通拥堵的主要途径和最为有效的方 案。 图卜l 杂散电流的产生 f i g l - - 1 t h ep r i n c i p l eo fp r o d u c i n gs t r a yc u r r e n t 目前世界各国的轨道交通系统均以电力为牵引，一般采用直流供电方式，电压为7 5 0 v 或1 5 0 0 v 。牵引电流由变电所的正极流出，通过架空线或第三轨提供给列车，再由钢轨( 走 行轨) 返回到变电所的负极，如图卜1 所示。然而，由于钢轨本身具有电阻，牵引电流流 经钢轨返回变电所负极时，会使钢轨上产生压降，钢轨与大地之间存在电势差。同时钢轨 与隧道或道床等的结构钢之间并非完全绝缘，两者之间存在着一个电阻，即过渡电阻。由 于钢轨与大地之间电势差以及过渡电阻的存在，实际中，并不是所有的电流都通过钢轨返 回变电所的负极，有一部分电流以结构钢和大地为通路流回变电所的负极。这部分泄露到 隧道或道床的结构钢上，并以此通路返回变电所负极的电流称为杂散电流，在有些论文中 也被称为迷流。 1 1 2 地铁杂散电流的危害 地铁杂散电流是一种有害的电流。它的危害主要是会使隧道、高架桥和道床等的混凝 土结构中的钢筋以及地铁沿线的埋地金属管线发生严重的电化学腐蚀。在图卜1 中，杂散 电流流入金属导体处，金属导体的对地电位为负，此处为阴极区。杂散电流流出金属导体 处，金属导体的对地电位为正，此处为阳极区。由金属电化学腐蚀原理可知，金属电化学 腐蚀只发生在阳极区。 与自然腐蚀不同，杂散电流腐蚀集中于局部区域，腐蚀强烈，腐蚀速度很快。因此杂 散电流腐蚀会严重缩短轨道系统的使用寿命，破坏混凝土的结构并降低其结合强度与耐久 性，引发安全事故，影响地铁的安全运营，危及乘客的人身安全。 西安理工大学硕士学位论文 1 2 国内外地铁杂散电流监测的现状 地铁杂散电流的危害不容忽视。杂散电流腐蚀及其防护在发达国家一直受到高度的重 视，各国在此课题上都投入了巨大的人力和财力，并取得了丰硕的成果u 。，至今仍然有新 的防护方法和措施不断产生。在我国，随着轨道交通建设的蓬勃发展，杂散电流腐蚀问题 也引起了极大的重视，在杂散电流防护方面也做了大量的研究，很多研究成果都成功的用 于实际中。 科研和技术人员经过无数的理论研究与试验分析，制定出了多种杂散电流的防护标 准。目前，国际上常采用的有两种标准：v d e o l l 5 国际标准和德国v d v 5 0 1 2 标准，这两 种标准适用于采用直流电力牵引和钢轨( 走行轨) 回流方式的地铁系统的设计、施工运行 以及维护等环节，内容主要包括：地铁系统中的防蚀措施；地铁系统中可能受到杂散电流 腐蚀或影响杂散电流外泄的结构与设备；地铁直流牵引供电系统中与限制和减少杂散电流 值相关的措施；这两个标准从制定之初到现在，经过了不断的补充和完善，己被大多数国 家和地区所认可和采用“。 上世纪9 0 年代初，我国以北京市地下铁道研究所为核心制订出地铁杂散电流腐蚀 防护技术规程，该规程被批准成为国内的行业标准。同v d e o l l 5 国际标准和德国v d v 5 0 1 2 标准一样，该标准适合于采用直流电力牵引，钢轨( 走行轨) 回流方式的轨道交通系统。 作为我国杂散电流腐蚀防护方面的第一个标准，在我国的轨道交通系统建设和运行中，发 挥了功不可没的作用。 1 3 论文的主要任务和主要内容 1 3 1 论文的主要任务 以实际使用为最终目的，根据地铁杂散电流的特点以及地铁杂散电流腐蚀防护技术 规程中的相关要求，设计一种地铁杂散电流数据监测传感器，可以实时的对地铁沿线的 几种电信号进行采集和处理，并将处理后的数据上传，使其汇聚在一起，通过对大量相关 数据的分析，获得监测区域内的杂散电流的情况。为降低和消除杂散电流提供依据。该传 感器是全自动化地铁杂散电流监测与控制系统的重要组成部分。 1 3 2 论文的主要内容 本论文的主要内容由六部分组成，分别是绪论、地铁杂散电流的监测原理与监测对象、 地铁杂散电流监测传感器的硬件设计、地铁杂散电流监测传感器的软件设计、地铁杂散电 流监测传感器的调试和结论。详细的层次结构如下： 第一章：绪论，主要论述了地铁杂散电流监测的意义、国内外地铁杂散电流监测的现 状以及论文的主要任务和主要内容。 第二章：地铁杂散电流的监测原理与监测系统，介绍了地铁杂散电流的监测原理，对 传感器所要采集的信号对象的特点和作用进行了详细的分析，并对目前应用于实际的几种 2 1 绪论 杂散电流监测系统进行了介绍。 第三章：地铁杂散电流监测传感器的硬件设计，根据待测信号的特点以及地铁杂散 电流腐蚀防护技术规程中的相关要求，选择合适的芯片，设计电路。 第四章：地铁杂散电流监测传感器的软件设计，依据地铁杂散电流监测传感器硬件电 路的特点以及地铁杂散电流腐蚀防护技术规程中的相关要求，进行相应的软件设计。 第五章：地铁杂散电流监测传感器的调试，对每个功能模块分别进行调试，检测设计 的传感器是否满足设计要求。 第六章：结论，对整个地铁杂散电流监测传感器设计进行总结。 西安理工大学硕士学位论文 2 地铁杂散电流的监测原理与监测系统 2 1 地铁杂散电流的监测原理 2 1 1 地铁杂散电流的监测方法 地铁杂散电流本身难以测量，一般采用间接方法来确定杂散电流的大小。杂散电流流 过埋地金属而使其发生腐蚀时，埋地金属的电位将产生变化，这种由于电流流动而引起金 属电极电位偏离初始值的现象，称为金属发生极化现象。在实际工程中，通常通过对隧道、 高架桥和道床的混凝土中的结构钢极化电压的测量实现对杂散电流的间接监测。监测原理 如图2 一l 。 轨道 大地 结构钢 图2 1 地铁杂散电流监测原理图 f i 9 2 1 t h ep r i n c i p l eo fm e a s u r i n gs t r a yc u r r e n t 在图2 1 所示的地铁杂散电流监测方法中，由于杂散电流的极化作用，使得接地零电 位产生偏移，所以不能以大地作为电压基准点对结构钢极化电压进行测量。一般采用由 c u c u s 0 4 或m o m 0 0 a 等材料制作的参比电极做为测量结构钢极化电压的电压基准点。这种 电极具有电压稳定、耐极化性能好、使用寿命长和内阻小等优点，完全符合阴极保护工程 中对参比电极的要求。 经研究表明h 。，当埋地钢铁结构物的电位相对于c u c u s 0 4 ，电极为一6 0 0 - 一5 0 0 m v 时， 为自然腐蚀状态；如大于上述值，则存在杂散电流腐蚀；相反，如小于上述值，则处于受 保护状态，在一8 5 0 m v 下受到完全的保护，腐蚀停止。因此，可以通过对结构钢极化电位 的测量获得相应的杂散电流的情况。 2 1 2 传感器的监测对象 a 自然本体电位 在没有杂散电流的情况下，参比电极与结构钢的电势差就是参比电极的自然本体电位 u c ，该数据为一个稳定的值。该值的测量应在每天地铁停止运行2 小时后进行，以确保测 量没有受到杂散电流的干扰。 b 极化电压 当地铁运行时，存在杂散电流的情况下，此时测得的参比电极与结构钢的电势差其实 4 2 地铁杂散电流的监测原理与监测系统 是结构钢的极化电位与参比电极的自然本体电位的叠加值u i ，极化电压l i b = u i u c 。 结构钢的腐蚀是杂散电流长期作用在其上的结果，由于瞬时的杂散电流的变化是杂乱 的，没有规律，所以仅测量出瞬时参比电极与结构钢的电势差并不能获得采集点真正的杂 散电流腐蚀情况。地铁杂散电流腐蚀防护技术规程第3 0 4 条规定：腐蚀危险性的间 接指标为漏泄电流引起的结构的电位极化偏移( 电压) 值，应取在列车运行高峰时间内测 得的小时平均值。在实际的工程中，一般为3 0 分钟的平均值。极化电压平均值的计算 方法可按以下公式： 踟( + ) = u i ( + ) n u c i = l u a ( - ) = u i ( - ) n u c ( 2 1 ) ( 2 2 ) 公式2 1 中的明( + ) 为所有正电极性电压瞬时值和绝对值小于自然本体电位u c 值 的负极性电压各瞬时值之和；p 为所有正电极性电压瞬时值读取次数及绝对值小于自然本 体电位u c 值的负极性瞬时值读取次数之和；n 为总的测量次数。公式2 1 中的( 一) 为 绝对值超过自然本体电位u c 值的负极性瞬时值之和；m 为绝对值超过自然本体电位u c 值 的负极性瞬时值读取次数；n 为总的测量次数旧。在本论文的设计中，要求每秒钟至少对 极化电压进行2 5 6 次采样。 对极化电压的上限地铁杂散电流腐蚀防护技术规程也给出了限定，根据其第3 0 5 条规定：隧洞结构的外表面，受杂散电流腐蚀危害的控制指标是由漏泄电流引起的结构电 压偏离其自然电位数值；对于钢筋混凝土质地铁主体结构的钢筋，上述极化电压的正向偏 移平均值不应超过0 5 v 旧。当有多个监测点超出该限定电压时，则应及时进行排流，以 减小或消除杂散电流。 c 轨构电压 轨构电压即钢轨( 走行轨) 与结构钢的电压差值，根据轨构电压值的大小，可以判断 轨道接缝状况，从而了解钢轨( 走行轨) 的回流状况，及时消除隐患，确保轨道交通的安 全运行6 i 。 地铁钢轨( 走行轨) 除了作为牵引电流回流通路与变电所的负极相连外，还因为具有 屏蔽门框架保护作用而要与屏蔽门相连。当发生钢轨( 走行轨) 局部与大地间的绝缘比其 它地方低，则此处相对的轨电位就会比较低，而其它地方的轨电位则会被抬高，造成局部 轨电位异常，当异常处的轨电位过大时就会危害乘客的人身安全。在德国标准v d e o i1 5 第一部分( 6 8 2 ) 中规定，轨道与结构钢间的电位差，即轨构电压( 接触电压) 不得超过 9 2 v 6 】o 2 2 地铁杂散电流监测系统的分类 2 2 1 集中式与分散式杂散电流监测系统的比较 气 西安理工大学硕士学位论文 集中式杂散电流监测系统和分散式杂散电流监测系统在所依据的杂散电流的监测原 理和监测方法上没有区别，均为本论文2 1 节所介绍的方法。之所以有这两种名称的区分， 主要是将采集的模拟电压信号转换成数字信号的场所上有所不同。集中式杂散电流监测系 统通过统一的杂散电流测量用电缆，将采集的测试端子电压和参比电极电压由采集现场引 入至车站变电所的测试端子箱内转换成数字信号，然后再进行后续分析处理。分散式杂散 电流监测系统则是通过传感器将测试端子电压和参比电极电压在采集现场直接转化成数 字信号，处理后再将数字信号传递至车站变电所的监测装置中，进行进一步的处理与分析。 监测地铁杂散电流，需要在地铁沿线广泛的设置监测点，对于集中式杂散电流监测系 统来说，意味着通过长距离电缆进行模拟电压信号的传输，而极化电压是一种豪伏级的小 信号，容易造成信号的衰减，并遭受外部干扰的影响。同时传输距离长时，在电缆上的投 资也相对较大。而对于分散式杂散电流监测系统，则不存在上述的问题，采集信号在现场 就转化成了数字信号，只要选择合适的通信方式，长距离传输数字信号相对来说更容易实 现而且抗干扰能力更强，而在通信线上的投资与电缆比也要少很多。由以上分析可知，分 散式杂散电流监测系统更加符合监测杂散电流的要求。国内目前刚投入使用不久或正在建 设中的轨道交通系统，均选择了分散式杂散电流监测系统，例如上海地铁3 号线北延伸、 上海地铁9 号线等，有些较早的地铁线也在将监测系统改造成分散式的，如北京地铁1 、 2 、1 0 号线。 2 2 2 本传感器对应监测系统的结构 本论文所要设计的传感器正是2 2 1 中所介绍的分散式杂散电流监测系统的最主要 组成部分，整个分散式杂散电流监测系统的结构图如2 2 所示。 图2 2 分散式地铁杂散电流监测系统结构图 f i 9 2 - 2 t h eb l o c kd i a g r a mo fd e c e n t r a l i z e ds y s t e mf o rm e a s u r i n ga n dm o n i t o r i n gs t r a yc u r r e n t s 图2 - 2 中，转接器的最主要作用是进行信号的转接，使通信距离变得更远。监测装置 的主要作用是收集整个监测区域被采集对象的信息，并可以对信息进行长期的保存，监测 装置也可以对收集的信息进行处理和判断，在必要时可以自动控制排流柜进行排流。一个 转接器可以接多个传感器，而一个监测装置也可以接多个转接器。图中的双箭头表示通信 6 2 地铁杂散电流的监测原理与监测系统 方向是双向的。 2 3 本章小结 本章详细介绍了杂散电流的监测原理，相关规定中对杂散电流监测问题提出的要求， 以及本论文所设计的杂散电流数据监测传感器所要监测的信号对象；同时对集中式杂散电 流监测系统和分散式杂散电流监测系统的区别进行了描述，并介绍了本论文设计的传感器 所在的分散式杂散电流监测系统的结构。本章的主要内容，为第三章地铁杂散电流监测传 感器的硬件设计提供了设计标准和依据。 西安理工大学硕士学位论文 3 地铁杂散电流数据监测传感器的硬件设计 3 1 传感器功能模块的划分 图3 1 传感器框图 f i 9 3 1 t h eb l o c kd i a g r a mo fs e n s o r 传感器的模块图如3 1 所示。信号预处理电路的主要功能是实现信号的采集和模拟信 号到数字信号的转换。通信电路负责传感器与转接器或监测装置之间的通信。辅助电路主 要包括指示灯电路和拨码开关电等。 3 2 微控制器的选用 图3 2c 8 0 5 1 f 0 2 0 结构图 f i 9 3 2 c 8 0 51f 0 2 0b l o c kd i a g r a m 3 地铁杂散电流监测传感器的硬件设计 将选用c 8 0 5 1 f 0 2 0 微控制器做为传感器的控制芯片。c 8 0 5 1 f 0 2 0 微控制器是s i l i c o n l a b 公司生产的一款混合信号微控制器芯片，是真正独立的片上系统解决方案。c 8 0 5 1 f 0 2 0 的结构如图3 - 2 所示。下面，将对c 8 0 5 1 f 0 2 0 的主要特性进行介绍。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 使用c i p - 5 1 微控制器内核，该内核的专利为s i l i c o nl a b 所有。c i p 一5 1 与m c s 一5 1m 指令集完全兼容；标准的8 0 3 x 8 0 5 x 汇编器和编译器就可以对c i p 一5 1 进行软 件开发。c i p 一5 1 使用流水线结构，相对于标准的8 0 5 1 结构，指令执行速度得到了很大的 提高。标准8 0 5 1 中，在最大系统时钟频率1 2 - 2 4 m h z 下，执行不包括乘法和除法指令的所 有其它指令都需要1 2 或2 4 个时钟周期。相比而言，c i p 一5 1 百分之七十的指令，执行时 间仅为1 或2 个系统时钟周期，执行时间大于4 个系统时钟周期的指令只有四条。当c i p 一5 1 工作在最大系统时钟频率2 5 姗z 时，其峰值性能达到2 5 m i p s 。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 拥有片内j t a g 调试电路，对于已经安装了最终应用系统的c 8 0 5 1 f 0 2 0 微 控制器产品，允许通过其片内j t a g 实现全速、非侵入式( 不占用片内资源) 、在线系统调 试。这种调试系统支持对存储器和寄存器查看和修改、设置断点、监测点、单步运行、正 常运行和停止等命令，不需要额外的目标r a m 、程序存储器、定时器或通信通道。所有的 模拟和数字外设在使用j t a 6 进行调试时都具有其全部的功能。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 有标准8 0 5 1 的程序和地址配置，包括2 5 6 字节的数据r a m ，其中高1 2 8 字节为双映射，还拥有位于外部数据存储器地址空间的4 k 字节的r a m 块，一个用于访问 外部数据存储器的e m i f ( 外部存储器接口) 以及6 4 k + 1 2 8 字节的f l a s h 作为其程序存储 器。附加的1 2 8 字节f l a s h 在一个扇区，除了用于存储程序代码之外还可以用于非易失性 数据存储。c 8 0 5 1 f 0 2 0 提供了安全选项，用以保护f l a s h 存储器不会被软件修改，也用以 防止涉及产权的代码和常量被读取。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 内嵌有可编程看门狗定时器，该定时器有2 1 位，使用系统时钟，2 m h z 系 统时钟时，看门狗的超时间隔范围是0 0 3 2 m s 到5 2 4 m s 。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 是典型的工业级微控制器芯片，可在- 4 5 0 c - 8 5 0 c 范围内正常工作，工作电 压为2 7 v 到3 6 v 。所有的输入输出引脚、复位引脚和j t a g 引脚都容许5 v 的输入信号电 压。c 8 0 5 1 f 0 2 0 的封装为1 0 0 管脚的t q f p 封装。 9 西安理工大学硕士学位论文 t 、3d l 秘i o = ed c 1 辨 珂h 0 9 l；年0 j h j 9 5 置s th 二 靶f 4 二 c拿】p牛二 9 4；年 c p 】一p 啐 虻车 二 寺：j 1 1 c 斡 h 二 争二；毒5 c 阶“5 争j王毒一 一j v 0 插h 以量l o 9 。 一i 。一二 1 2 l 帝 1 拿02 3 二 c 】0 】二 、1 】丁d g 如 j 1 i 可f 1 4 g ：d”0 j j ：b 一 1 二 i 。p ：l ：一 ：- k 匹 i1】5 、1 工，1 )p ：二 s 5f 二2 要3 牛丧i1 毒 、罩王，0 p 二： ”f 二11 7 、1 e r l p 14 f ：4 d 0 ”二 ：；：5 上 ：1 j 5 望 鞠3p 15 ：1 0 】：! 、。2 1 跚：p 二 ；j：一 1 1 一鼍_ 一t i !p 5 0 暑。：0 i x 0 4p 5 l 。9i ： ：i - - 一一。 李2 4 ：n 0 二p 5 二 一i，5 二 ，订 l 】 r o d 5 p 5 二 ：猕p i 肾r 1 ：m ：中川 i ! x t 工1 5 二 x 工 l 二p 5 5 、x b ：】曩p 5 蔓l ；导 p 3 一p 0 ：f ： p 35p 】 f 二 p 3 二p 二 鳟f ： 上卜一i 萋篓 p 斗p 一： 5 f ； p j !p 1 4 p ：p 二 鳟一! ：j 。】 。三三 p 】lp s p 10p 。 j 二口 f 3 j d * 一 1 一r 33 5：二。二9 d ：强d 0 ：1 4 o k：二! 牝 e p 。0 5 】 “。i r ! ： = 2 二4 1 p 25 劭】 7匹 p 2 ：叠3 二 生0 、 = 二： ! p 二4鞠二 曩= 再一 p二!p0丰 。：一 ；二二p 。： 辈1 3 p 二】p05 二s 专 釜 p 二0 p 。 二4k - 二。 p 二一 p ：0 二： ；二： i 二二4 争 p 三5p ! 】 二二f ：二 歪了薅一 p 三：；：二 ：车：! p ：斗p ：二 ( b ) 图3 - 3c 8 0 5 1 f 0 2 0 应用电路图 f i 9 3 3 t h ec i r c u i to fc 8 0 51f 0 2 0 图3 - 3 为c 8 0 5 1 f 0 2 0 的电路图。图3 3 ( a ) 左为c 8 0 5 1 f 0 2 0 的复位电路，右为j t a g 接口电路。图3 3 ( b ) 为本论文传感器对c 8 0 5 1 f 0 2 0 的具体应用电路，i n t o 为c 8 0 5 a f 0 2 0 的外部中断o 管脚，时钟频率为2 2 1 1 8 4 m h z 。 3 3 信号采集与预处理模块的设计 3 3 1 主要器件的选取 a 模数转换器 采用a n a l o gd e v i c e s 公司的1 2 位模数转换器a d l 6 7 4 。a d l 6 7 4 是一款完整的、多用 途的1 2 位主次逼近型模数转换器。它包括对用户透明的片上采样保持放大器 ( s a m p l e a n d 哺o l da m p l i f i e r ) 、i o v 基准电压源、时钟和三态输出缓冲器，可与微处理 器总线直接接口的暂存三态输出缓冲器。 a d l 6 7 4 与业界标准产品a d 5 7 4 a 和a d 6 7 4 a 引脚兼容，并增加了采样功能，且转换速 1 0 3 地铁杂散电流监测传感器的硬件设计 率更快。片上采样保持放大器具有宽输入带宽，在转换器的完整乃奎斯特带宽范围内支持 1 2 位精度。 a d l 6 7 4 其交流参数( 信噪l ：l - , d i i 失真( s ( n + d ) 、总谐波失真( t h d ) 和互调失真( i m d ) 等) 以及直流参数( 失调、满量程误差等) 都完全符合额定要求。因此a d l 6 7 4 成为信号 处理和传统直流测量应用的最理想选择。 a d l 6 7 4 的详细参数如下： ( 1 ) 转换时间：l o u s ； ( 2 ) 内有i o v 基准电压源； ( 3 ) 菲线性误差：士i 2 l s b ( a d l 6 7 4 b d ) ； ( 4 ) 满量程校准误差：0 1 2 5 ； ( 5 ) 信噪比加失真：7 1 d b ( a d l 6 7 4 b d ) ； ( 6 ) 总谐波失真：一9 0d b ( a d l 6 7 4 b d ) ； ( 7 ) 单级或双极电压输入范围分别为o r - t o y ，o v - 2 0 v ，士5 v ，土l o v ； ( 8 ) 采用双电源供电：模拟部分为a ：1 2 v 或士1 5 v ，数字部分为+ 5 v ； ( 9 ) 正常工作环境温度范围：一4 5 。c - 8 5 0 c ； a d l 6 7 4 可以工作在全控制模式或独立模式下。全控制模式下，a d l 6 7 4 使用了所有的 控制信号，该模式适合用于系统的地址总线上接有多个设备的情况。独立模式用于系统有 专用的输入端口的情况，独立模式不需要全部的总线接口功能。 图3 4a d l 6 7 4 功能模块图 f i 酪一4 a d16 7 4f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a m 西安理工大学硕士学位论文 图3 4 踟是a d l 6 7 4 的内部功能模块图。其引脚按功能可分为逻辑控制端口、并行数 据输出端口、模拟信号输入端口和电源端口9 。 b 多路选择器 a d 7 5 0 2 是a n a l o gd e v i c e s 公司制造的一款单芯片c m o s 奴路4 通道模拟多路复用器。 li f r t l r r t , 油sl e v e lt r a n s i a t g r l _ 掣e 图3 - 5a d 7 5 0 2 功能模块图 f i 9 3 - 5 a d 7 5 0 2f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a m 表3 1a d 7 5 0 2 真值表 t a b l e 3 1t h et r u t ht a b l e so f a d 7 5 0 2 a ia o e n0 n 0oll 5 oll2 & 6 lol3 7 l 1 l 4 8 xx o n o n e 图3 5 u w 是a d 7 5 0 2 的功能模块图。由图示可以看到a d 7 5 0 2 根据2 个二进制地址输入 和一个使能输入的状态，将2 路输出总线切换至8 路输入中的2 路，真值表如表3 1 u w 所 示。a d 7 5 0 2 具有d t l t t l c m o s 直接接口，功耗为3 0 u w ，导通电阻为1 7 0 q ，供电电压为 士1 5 v 。可以在- 5 5 0 c - 1 2 5 0 c 温度范围内正常工作。 c 运算放大器 a n a l o gd e v i c e s 公司生产的运算放大器o p 0 7 具有非常低的输入失调电压( o p 0 7 e 的 最大输入失调电压为7 5 u v ) ，这种极低输入失调电压的特征是通过在晶圆阶段执行调整而 获得的，一般不需要进行任何外部零点校准。此外，o p 0 7 还拥有低输入偏置电流( o p 0 7 e 仅为士4 n a ) 以及高开环增益( o p 0 7 e 为2 0 0 v m y ) 的优良特性，这两种特性使得o p 0 7 特 别适合高增益仪器仪表应用。 1 2 3 地铁杂散电流监测传感器的硬件设计 o p 0 7 具有最d 、土1 3 v 的宽输入电压范围、1 0 6 d b 的高共模抑制比和高输入阻抗，使得 o p 0 7 在同相电路配置中实现极高的精度。即使在高闭环增益状态下，o p 0 7 也能保持极佳 的线性度和增益精度。o p 0 7 的失调电压和增益的时间稳定性及温度稳定性均非常出色。 不需要外部零点校准，o p 0 7 就能实现高增益情况下的精度和稳定性，使得0 p 0 7 成为仪表 仪器应用的工业标准器件。 v 稍t r i m i n l n v l v o s t r i m v + o u t n c 图3 - 6o p 0 7 的引脚配置 f i 9 3 6 t h ep i nc o n f i g u r a t i o no f o p 0 7 图3 6 u u 为o p 0 7 的引脚配置。其特性参数和技术指标如下： ( 1 ) 低失调电压：最大7 5 u v ( 2 5 0 c ) ( 2 ) 低失调电压漂移：1 3 u v o c ( 最大) ( 3 ) 极稳定的时间漂移性能：1 5 u v 月( 最大值) ( 4 ) 低噪声：0 6 u v 峰峰值( 最大值) ( 5 ) 一3 d b 带宽：6 0 0 k h z