基于GPS/航跡推算組合導航的列車(chē)防撞系統設計

3.2 無(wú)線(xiàn)通信模塊

通信機制完成系統中各模塊間的通信功能，實(shí)現數據的傳遞。列車(chē)之間的互相通信是將實(shí)時(shí)的位置信息傳遞給臨近的列車(chē)，通過(guò)計算與相鄰列車(chē)的距離，并判斷是否存在碰撞的可能，根據判斷結果給出相應的警告信號，以實(shí)現列車(chē)的安全預警。

無(wú)線(xiàn)數據傳輸是利用無(wú)線(xiàn)電波作為傳輸的媒介，將數據信息進(jìn)行編碼調制到載波頻率上，送到射頻前端，通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射出去或將接收到的電波信號進(jìn)行解碼調制還原出原始數據的過(guò)程。無(wú)線(xiàn)數據傳輸技術(shù)具有不用預設網(wǎng)絡(luò )設施及自主組網(wǎng)等特點(diǎn)，主要用于解決一些不易架設線(xiàn)纜，但又需要進(jìn)行數據采集并傳輸的小型無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的通信問(wèn)題。由于鐵路沿線(xiàn)架設通訊線(xiàn)路不方便，而且架線(xiàn)工作量比較大，選擇無(wú)線(xiàn)數據傳輸作為各個(gè)列車(chē)防撞系統之間的通信方式，比較合理。

由于列車(chē)的慣性較大，所以其制動(dòng)距離較長(cháng)，可能達到幾千米，因此對列車(chē)之間的通信范圍有要求，本項目規定的最低要求是400m，但從安全系數上考慮，至少1km的安全距離比較合適。

通過(guò)綜合比較，系統通信模塊選擇YL-5001W中功率無(wú)線(xiàn)數傳模塊。YL-5001W是一款高穩定性，低功耗，高性?xún)r(jià)比的采用GFSK調制方式的無(wú)線(xiàn)透明數據收發(fā)模塊。該模塊相對其他通信模塊具有尺寸小，靈敏度高，傳輸距離遠，通訊數率高，內部自動(dòng)完成通訊協(xié)議轉換和數據收發(fā)控制等特點(diǎn)。能在不改變用戶(hù)的任何數據和協(xié)議，完成無(wú)線(xiàn)傳輸數據功能。工作頻率433MHz，串口波特率9.6kpbs，能滿(mǎn)足系統與系統之間的通信要求。

3.3 控制器及其他電路

主控芯片選擇ST(意法半導體)公司的STM32系列ARM芯片，該系列芯片采用Cortex—M3內核，采用8M晶振，通過(guò)鎖相環(huán)倍頻后時(shí)鐘頻率最高可達到72MHz。本系統選擇的32位的STM32F103RCT6是低功耗高速單片機，外設資源豐富，芯片集成了SPI，I2C，USB和A/D等硬件接。

本系統各模塊間采用串口通信，主要用了單片機的四個(gè)串口，串口一用來(lái)下載程序，串口二與導航系統通信獲取列車(chē)的定位信息，串口三與無(wú)線(xiàn)通信模塊交換數據，串口四與觸摸顯示屏相連，將需要的信息顯示在觸摸屏上。

4 軟件設計

系統軟件采用編程環(huán)境Keil設計，主要用C語(yǔ)言編寫(xiě)。由主程序main()、軌跡推算處理子程序GuiJi—Calcaulate()、觸摸屏顯示子程序Show()、中斷處理子程序、通信子程序Communication()、誤差處理子程序Error-Processing()等組成。軟件各部分均按照結構化程序設計思想進(jìn)行編程，易于調試和維護。主程序流圖如圖3所示。

5 系統測試

根據系統設計方案，完成硬件各模塊連接，組裝好樣機。實(shí)驗中，我們采用電動(dòng)摩托車(chē)來(lái)模擬低速運行的列車(chē)，通過(guò)拆除GPS天線(xiàn)來(lái)模擬列車(chē)進(jìn)入隧道、森林等GPS失鎖的情況，并讓兩樣機相距約500m的距離進(jìn)行了實(shí)驗。系統界面如圖4所示。實(shí)驗結果表明，當GPS信號良好時(shí)，誤差小于等于10m，衛星失鎖時(shí)，誤差不超過(guò)30m。

經(jīng)綜合分析，本系統達到項目要求，可以滿(mǎn)足列車(chē)實(shí)際運行。

6 結束語(yǔ)

本系統合理利用了GPS衛星定位技術(shù)以及航跡推算導航算法，實(shí)現了穩定、可靠的低成本組合導航。采用大功率無(wú)線(xiàn)電臺，使無(wú)線(xiàn)數據傳輸距離大幅度提升，安全預警距離更大。觸摸屏顯示界面友好，能直接獲取列車(chē)實(shí)時(shí)位置、導航信息來(lái)源、航向、定位誤差等信息。實(shí)驗結果表明，系統工作穩定可靠，在鐵路系統中具有一定的應用前景與參考價(jià)值。