高速鐵路防風(fēng)防雨安全監測報警系統

關(guān)鍵詞：防風(fēng)防雨 安全監測 無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng) 信息傳輸方式 抗干擾

引言

高速列車(chē)運營(yíng)的安全性，是全世界鐵路部門(mén)均予以重視的問(wèn)題。1981年6月印度馬特那附近的鐵橋和1986年12月日本山陰線(xiàn)余部橋梁上發(fā)生的列車(chē)災害事故都說(shuō)明：一個(gè)及時(shí)、準確、可靠的報警系統，對于避免這些事故的發(fā)生至關(guān)重要。本文針對高速鐵路中高架橋和高路堤上列車(chē)運行的安全性，提出了安全監測系統方案：報警裝置對與列車(chē)安全行使有關(guān)的參數進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理，根據專(zhuān)家系統綜合處理采集的數據發(fā)出報警與限速信息，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信將這些信息傳輸給列車(chē)上的調度中心。

一、系統總體設計

本系統分為兩大部分：一是對風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量、環(huán)境溫度和軌道振動(dòng)信號的監測裝置（裝于需監測的高路堤或高架橋上），主要包括以AT89C52單片機為核心的基本數據采集處理模塊，以RS-232-C標準接口芯片MAX202CPE為主的有線(xiàn)通信接口模塊及以FC-202BN為主的無(wú)線(xiàn)通信模塊；二是監控報警信息傳輸系統，利用有線(xiàn)通信或無(wú)線(xiàn)通信方式，實(shí)現該裝置同調度所的上位計算機（PC）進(jìn)行報警信息傳輸，或者直接同列車(chē)上的電臺通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信傳輸報警信息。有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)通信采用開(kāi)放式的二級通信網(wǎng)絡(luò )結構，其結構框圖如圖1所示。

1.硬件設計

監測裝置主要由數據采集處理模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、硬件抗干擾模塊、數據存儲模塊等組成。監視裝置硬件結構框圖如圖2所示。

（1）單片機數據采集處理模塊

數據采集主要由AT89C52單片機、AT28C64存儲器、8279鍵盤(pán)顯示接口芯片、8155、ADC0809等組成。鑒于A(yíng)T89C52的寬工作電壓范圍，高容量的Flash程序存儲器、可靠的加密方式、較好的兼容性，我們采用該芯片。同時(shí)利用AT28C64存儲歷史參數值及可修改常數、報警值設定等。Intel公司的8279具有鍵盤(pán)顯示接口的強大功能，擴展44的鍵盤(pán)和外接5位LED顯示器，使之具有良好的人機界面。8155主要完成風(fēng)向格雷碼信號的并行采集。ADC0808用于處理雨量和加速度傳感器的模擬信號。

（2）無(wú)線(xiàn)通信模塊

電平轉換器由RS-232-C標準接口芯片MAX202CPE構成。利用RS-232-C接口進(jìn)行有線(xiàn)通信，雖然相對于TTL電平抗干擾能力大大提高，但由于受回路電容負載限制，同時(shí)它屬于單端信號，傳送存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問(wèn)題，其通信距離僅在20m內，這遠遠不能滿(mǎn)足實(shí)際要求。若采用RS-485接口，通信可達數km，但由于回路電容大而可靠性不高，為此采用無(wú)線(xiàn)通信方式。

FC-202無(wú)線(xiàn)通信模塊由發(fā)射機、接收機、鎖相環(huán)、基帶處理及調制解調器、CPU（AT89C2051）、RS-232-C接口組成，如圖3所示。其通信原理為：采用MSK調制方式，將基帶信號調制并將功率放大成射頻信號，再利用VHF/UHF頻段發(fā)送和接收，然后解調、放大還原成相應的基帶信號，完成數據無(wú)線(xiàn)傳輸。FC-202無(wú)線(xiàn)數傳模塊內含VHF/UHF頻段范圍的無(wú)線(xiàn)收發(fā)機。收發(fā)采用雙鎖相環(huán)及雙VCO技術(shù)，收發(fā)轉換速度快，其接口為RS-232-C標準接口，可直接連接計算機或帶有串口的設備。FC-202無(wú)線(xiàn)數傳模塊可存儲16個(gè)通信信道，空中傳輸率兼容1200b/s或2400b/s，模塊功率為5W，可方便完成15km以?xún)鹊倪h距離無(wú)線(xiàn)數據傳輸。

（3）硬件抗干擾

單片機系統包括較大功率的電源電路、高速數字電路、小信號模擬電路。為避免各部分信號的相互耦合，對硬件抗干擾采取了電源去耦、模擬信號濾波、分離布局不同類(lèi)型的電路、加大電源和地線(xiàn)的走線(xiàn)面積等措施。

2.軟件設計

（1）單片機多機通信程序設計

AT89C52單片機本身具有全雙工串行數據通信功能，其實(shí)現由SCON和PCON兩個(gè)特殊寄存器控制。本系統選用方式3的9位數據異步通信方式，無(wú)奇偶校驗。通信時(shí)各單片機裝置中SCON的SM2均設置為1，上位機發(fā)送某一地址碼并置R1，則所有的單片機均發(fā)生接收中斷，此時(shí)表明上位機發(fā)來(lái)的信息是1幀地址信息。當某一單片機發(fā)現其接收的地址信息與本機地址相符時(shí)，SM2=0，并把本機地址作為應答信號返回給上位機，準備接收上位機發(fā)來(lái)的命令或數據。地址相符的單片機收第9位為0的數據或命令；而地址不符的單片機則保持SM2=1，不能產(chǎn)生中斷標志，信息將拋棄，從而實(shí)現了上位機與單片機的一對一通信。通信初始化為

MOV SCON，#0F0H

MOV PCON，#00H

MOV TMOD，#20H

MOV TH1，#0F3H

MOV TL1，#0F3H

（2）PC機軟件設計

在串行通信中調用Windows的API接口方法，是實(shí)現VB直接控制串行口硬件的有效方案。VB提供了一個(gè)名為Mscomm的控件（或Winsock控件），能為應用程序提供串行通信功能。初始化和定時(shí)數據通信程序如下：

Dim Cindata As Variant

Dim Coutdata(0) As Byte

Private Sub Form_Load()

MSComm1.CommPort=2 '端口設置為2

MSComm1.PortOpen=True '打開(kāi)端口

MSComm1.Settings="2400，n,8,1" '通信方式設置

MSConn1.InputMode=comliputModeBinary '以二進(jìn)制形式傳送

End Sub

Private Sub Timer2_Timer()

Coutdata(0)=CUMADDRESS '發(fā)送下位機地址

MSComm1.Output=Coutdata

Do

DoEvents

Loop Until MSComm1.InBufferCount>=1

Cindata=MSComm1.Input

If Cindata(0)=CUMADDRESS Then

Do

DoEvents

Loop Until MSComm1.InBufferCount>=DATALENGTH

Cindata=MSComm1.Input

┆

End Sub

（3）軟件抗干擾設計

調試中發(fā)現常有死機、接觸不靈敏問(wèn)題，因此必須考慮抗干擾設計方法。單片機受干擾導致出錯而無(wú)法自動(dòng)恢復正常狀態(tài)，通常是由于RAM區數據被破壞的緣故。我們利用AT89C52的數據RAM單元在每一個(gè)主要程序模塊入口設置檢驗標導，結束時(shí)驗證其標志是否與入口時(shí)一致，還要驗證重要的數據標志是否正確（如鍵盤(pán)的鍵值），否則程序將進(jìn)行出錯處理。另外，設備軟件看門(mén)狗，利用AT89C52不用的T2定時(shí)監視程序是否正常運行，這樣保證了運行的可靠性。

3.傳感器的標度轉換

（1）線(xiàn)性標度

對于風(fēng)速傳感器，利用AT89C52的I/O口，測出與風(fēng)速成正比的脈沖信號，因此可以線(xiàn)性標度。設0.5s內的最小脈沖數為A0=0個(gè)，最大脈沖數Amax為255個(gè)，A為測得的脈沖數；起始風(fēng)速V0=0.08m/s，最大風(fēng)速Vmax=65m/s，V為實(shí)際風(fēng)速值。根據線(xiàn)性標度公式則有

（V-V0）/(Vmax-V0)=(A-A0)/(Amax-a0)

代入數據得V=(0.25459A+0.08)m/s

對于DS1820單線(xiàn)數字溫度傳感器，其溫度測量范圍是-55～+125℃，增量值為0.5℃。在n≤64范圍內（n為P1.0口所掛DS1820的個(gè)數），每一片DS1820有1個(gè)自己的序列號，單片機與DS1820通過(guò)單線(xiàn)串行通信，單片機向某一DS1820寫(xiě)入序列號并啟動(dòng)轉換，經(jīng)過(guò)1s的延時(shí)轉換時(shí)間后，再進(jìn)行下一個(gè)DS1820操作。DS1820輸出的是與溫度成正比的數字信號，采用線(xiàn)性標度。設在P1.0口測得的數字信號值為T(mén)，實(shí)際溫度為t，則有

t/℃=T/2

在本裝置中，僅接有兩片DS1820：一片裝于機箱主板上，監測機器運行時(shí)溫度是否正常；另一片置于機箱外，作為監測環(huán)境溫度之用。

（2）非線(xiàn)性標度

風(fēng)向傳感器是應用格雷碼盤(pán)將風(fēng)向機械信號轉換成電信號的。測量范圍為：0～360，分辨率為3。由于用8155并行口接收的7路格雷碼信號與風(fēng)向成非線(xiàn)性關(guān)系，所以采用非線(xiàn)性標度。具體做法是將格雷碼與風(fēng)向的對應關(guān)系存在A(yíng)T28C64中，以備查表之用。雨量傳感器輸出的是具有0～

5V的模擬信號，利用ADC0809實(shí)現模數轉換，采用非線(xiàn)性標度轉換。加速主傳感器是將縱、橫向位移信號轉換成電壓模擬信號信號的裝置。標度轉換與風(fēng)向傳感器相同。

二、監測報警系統功能特性

（1）是可方便切換的有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )結構，系統構建靈活方便，可根據監測區段的實(shí)際情況靈活更改系統配置，具有良好的可維護性；

（2）調度所的PC機可動(dòng)態(tài)顯示各監測點(diǎn)的列車(chē)限速或停車(chē)報警信息，并實(shí)時(shí)調度列車(chē)運行；

（3）裝置本身具有獨立的參數顯示、指示燈和蜂鳴器報警功能，可方便測試之用；

（4）能提供列車(chē)所需報表，提供報警裝置號碼和報警時(shí)間；

（5）信息的無(wú)線(xiàn)傳輸遠達15km。