图1 测量系统原理图
3、测量装置硬件电路设计
测量装置硬件主要包括两部分：智能传感器和监测装置，主控芯片都选用P87C591，P87C591从80C51微控制器家族派生而来。全静态内核提供了扩展的节电方式。振荡器可停止和恢复而不会丢失数据。改进的1:1内部时钟预分频器在12MHz外部时钟速率时实现500ns指令周期。它采用了强大的80C51指令集，并成功的包括了Philips半导体SJA1000 CAN控制器的PeliCAN功能。其主要特性如下： 全静态80C51中央处理单元，可提供OTP，ROM和无ROM型； 16K字节内部程序存储器，可外部扩展到64K字节； 512字节片内数据RAM，可外部扩展到64K字节；3个16位定时/计数器T0，T1（标准80C51）和附加的T2（捕获/比较）；2个8位分辨率的脉宽调制输出（PWM）；作为标准80C51引脚时有32个I/O口；带字节方式主和从功能的C总线串行I/O口；片内看门狗定时器T3；PeliCAN。
3.1 智能传感器硬件设计
智能传感器要实现对两路模拟信号的采集、处理，把计算后的数字信号能过CAN网送给监测装置。根据智能传感器的功能要求，主要由以下几个功能模块组成：电源模块、模拟量信号输入部分、AD转换部分、CAN通信接点以及辅助电路。由于主控芯片带来CAN接点，不需单独设计，所以下面重点介绍AD转换部分的设计。
考虑到转换精度的要求，AD转换芯片选用MAX1202，它是利用逐次逼近转换技术和输入跟踪／保持电路, 把模拟信号转换为12位数字信号输出。ADC的模拟比较器可通过软件设置成单端和差分输入方式。MAX1202内含8通道的多路转换器、宽带的跟踪／保持电路和串行接口。其4线的串行接口可直接与SPI、Microwire器件连接。串行接口工作频率高达2MHz。MAX1202具有精度高、速度快、使用灵活和体积小的优点, 为设计人员提供了一种高性价比的选择。它可广泛应用于数据采集、高精度过程控制、电池电源装置、医疗仪器等。AD转换芯片与单片机的接线如图2所示，AD转换器IC1与单片机IC2通过SPI接口交换数据，SCLK、DIN和DOUT分别为SPI接口的时钟和数据输入、输出线分别与单片机的P1.2、P1.4、P1.5连接， 为片选信号用于控制芯片使能，与单片机的P1.3连接，SSTRB用于判断AD转换是否完成，与单片机的P1.6连接，
图2 AD转换电路原理图
3.2 监测装置硬件设计
监测装置的任务是实现通信和数据存储显示等功能，主要由以下几个功能模块组成：电源模块、CAN通信接点、USB通信接点、显示单元以及辅助电路。由于主控芯片具有CAN接点，不需单独设计，所以下面重点介绍USB通信转换电路的设计。
CAN接口选用CH372芯片，它是一个USB总线的通用设备接口芯片。在本地端，CH372具有8 位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机/DSP/MCU 等控制器的系统总线上；在计算机系统中，CH372的配套软件提供了简洁易用的操作接口，与本地端的单片机通讯就如同读写硬盘文件。CH372内置了USB 通讯中的底层协议，具有内置固件模式和外置固件模式。在内置固件模式下，CH372 自动处理默认端点0的所有事务，本地端单片机只要负责数据交换。在外置固件模式下，由外部单片机或者DSP/MCU根据需要自行处理各种USB请求，从而可以实现符合各种USB类规范的设备。CH372具有通用的本地8 位数据总线，4 线控制：读选通、写选通、片选输入、中断输出。
单片机IC2的A9/P2.1、A10/P2.2、INT1/P3.3、WR/P3.6、RD/P3.7、P0.0/AD0、P0.1/AD1、P0.2/AD2、P0.3/AD3、P0.4/AD4、P0.5/AD5、P0.6/AD6、P0.7/AD7分别与USB接口芯片IC1 CH372T的A0、CS#、INT#、WR#、RD#、D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7连接，分别实现命令数据选择、片选、中断、读写选定、数据传输，USB接口芯片IC11通过UD+、UD-分别与USB接口端子P1的UD+、UD-连接，用于与USB通讯电缆连接，
监测装置USB通信接口原理图
4、结语
本文对便携式轨道电位和接缝电阻测量系统的测试原理方法进行了分析，对系统中的智能传感器和监测装置硬件电路进行了设计。该系统携带安装方便，测量过程简单，不需人工干预，可以单独测量轨道电位或者轨道接缝电阻，也可同时测量两个量，且测量数据易于被保存分析，主要应用于煤矿井下、地铁、轻轨等测试。该装置已在现场进行过测试，测试结果表明，该装置抗干扰能力强，测试精度高，测量结果准确可靠。
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