采用單片機和GPRS的礦區鐵路道口監測系統設計

本文以 Atmega128和MC55為核心，設計一套鐵路道口監測系統，實(shí)現對鐵路道口監測管理的自動(dòng)化、數字化和網(wǎng)絡(luò )化。這對保證礦區正常生產(chǎn)、提高礦山企業(yè)經(jīng)濟效益和通過(guò)道口車(chē)輛、行人安全具有重要意義。

系統組成

　　整個(gè)系統由道口監控中心組成。從功能上分，該系統可分為信號采集部分、道口部分、信號傳輸和發(fā)送部分以及道口監控中心５個(gè)部分。圖１以其中的一個(gè)道口為例，給出簡(jiǎn)化后的系統總體框圖。

　　1 )信號采集部分

　　信號采集部分主要用于采集列車(chē)接近及離去信號，為自動(dòng)實(shí)現收放護欄提供決策信號。目前道口系統中有采用振動(dòng)傳感器、射頻傳感器,GPS+ ARM+GPRS、視頻監控設備或踏板開(kāi)關(guān)等幾種方式檢測來(lái)車(chē)信號，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。本系統中信號采集部分由4個(gè)磁電傳感器組成，分別成對的放置在道口兩側的鋼軌內側。 當有列車(chē)經(jīng)過(guò)該置時(shí)，磁電傳感器可檢測到來(lái)車(chē)信號，經(jīng)放大電路和A/D轉換電路后，直接發(fā)送到單片機 Atmega128。

　　2) 道口部分

　　道口部分設道口信號機、聲光報警器和欄木裝置各2套，分別用來(lái)指示火車(chē)即將到達信號、聲光報警和執行放桿操作。在道口設置自動(dòng)控制箱，既可由礦區道口監控室中心的PC機遠程控制各裝置動(dòng)作，也可由操作人員在現場(chǎng)手動(dòng)操作。報警器由音響電路板、筒式揚聲器及回轉警示燈組成，用來(lái)提醒來(lái)往車(chē)輛司機及過(guò)往行人注意安全不要搶道。

　　3) 信號傳輸和發(fā)送部分

　　磁電傳感器安裝在距道口500 m左右處，當它檢測到來(lái)車(chē)信號后，通過(guò)銅軸電纜將信號傳送至道口自動(dòng)控制箱內的單片機Atmega128。MC55是信號發(fā)送的主要設備，它將單片機采集到的數據打包后通過(guò)GＰRS網(wǎng)絡(luò )傳輸到礦區道口監控中心，由道口監控中心對數據做進(jìn)一步的分析處理。

　 4)　礦區道口監控中心部分

　　礦區道口監控中心設ＰＣ機1臺，主要用于接收各道口列車(chē)運行狀態(tài)的數據。該監控中心采用動(dòng)態(tài)IP結合DNS域名解析組網(wǎng)方式來(lái)實(shí)現對道口的遠程監測。這種方式首先需要聯(lián)系DNS服務(wù)商，為監控中心申請1個(gè)域名，把這個(gè)域名寫(xiě)入單片機Atmega128中。監控中心接入Internet后，與DNS服務(wù)器進(jìn)行連接，將當前獲得的動(dòng)態(tài)IP報告給DNS服務(wù)器，再由DNS服務(wù)器找到監控中心公網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP，這樣就可以在兩者之間建立通訊連接。

　 系統硬件設計

　　系統硬件設計主要是指道口控制部分硬件設計，按照信號流程大體可以分為三個(gè)硬件模塊，即傳感器信號放大和Ａ/Ｄ轉換電路設計、單片機Atmega128與MC55接口設計以及驅動(dòng)

　　現場(chǎng)各種設備接口電路設計，其中Atmega128與MC55接口電路是該監測系統硬件設計的重點(diǎn)和特色。圖２給出以該接口電路為核心的監測站硬件系統電路圖。ATmega128L和MC55都有標準的RS232接口，因此硬件設計相對比較簡(jiǎn)單，只需把Atmega128L的PE5與MC55的 IGT相連，用于啟動(dòng)MC55模塊，Atmega128L的TX0/RX0與MC55的TX0/RX0相連，進(jìn)行數據的輸入輸出；MC55的RING0接從ATmega128L的中斷線(xiàn)，作為數據傳輸的中斷信號。Atmega128是Atmel公司推出的８位高性能單片機，片內具有128KＢ的程序存儲器, 4KB的數據存儲器，4KB的EEPROM，有8個(gè)10位ADC通道、2個(gè)8位和2個(gè)16位硬件定時(shí)J計數器,8個(gè)PWM通道，具有可編程看門(mén)狗定時(shí)器和片上振蕩器、片上模擬比較器、JTAG、UART、SPI,和I2C總線(xiàn)等接口以及六種可以通過(guò)軟件選擇的省電模式。本設計中，ATmega128L是整個(gè)數據采集系統核心，主要完成信號的傳感器信號采集、軟件濾波、數據運算及各種控制功能。M C55是西門(mén)子公司生產(chǎn)的GPRS二頻模塊，它除了具有GSM模塊原有的功能外還支持分組業(yè)務(wù)功能，內嵌了TCP/IP協(xié)議；它的數據輸入/輸出接口實(shí)際上是一個(gè)串行異步收發(fā)器，符合RS232接口標準，且有固定的參數：8位數據位和1位停止位，無(wú)校驗位。它與 Atmega128協(xié)同工作，共同完成數據的遠程傳輸。

　系統軟件設計

　　采用模塊化的軟件設計，將軟件分成若干相對的獨立的功能模塊，并為各模塊安排適當的入口和出口參數，使得模塊之間的相互連接,組合靈活方便。整個(gè)監測系統軟件設計主要由道口自動(dòng)控制子系統和礦區監控中心子系統組成。

　　1) 道口自動(dòng)控制軟件設計

　　道口自動(dòng)控制子系統的整個(gè)程序采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言相結合編程，使用模塊化結構，其條理清楚、程序量精簡(jiǎn)，使得Atrnega128的速度和編譯程序容量最優(yōu)化。其主要的功能是根據磁電傳感器的輸出脈沖觸發(fā)，通過(guò)單片機驅動(dòng)現場(chǎng)各種報警設備，同時(shí)將駛過(guò)該道口的列車(chē)運行狀態(tài)數據通過(guò)MC55發(fā)送給監測中心。該子系統軟件按照功能可以分為定時(shí)器初始化模塊、中斷管理初始化模塊、MC55初始化模塊、中斷信號濾波處理模塊、列車(chē)狀態(tài)數據計算模塊、與上位機數據通信模塊以及驅動(dòng)現場(chǎng)各種設備模塊。其軟件設計主要包括主程序和中斷服務(wù)子程序兩大部份，其中中斷信號濾波處理模塊、驅動(dòng)現場(chǎng)各種設備和列車(chē)狀態(tài)數據計算模塊在中斷服務(wù)子程序中實(shí)現，其余模塊在主程序中實(shí)現。圖3給自動(dòng)控制子系統軟件的主流程圖。