基于GSM、GPS及CAN總線(xiàn)的列車(chē)行程測量系統

　　引言

　　隨著(zhù)鐵路運輸向高速度、高密度方向發(fā)展,安全工作將更加重要。一旦發(fā)生事故,不僅中斷行車(chē)、打亂正常運行秩序,在經(jīng)濟上造成嚴重的損失,而且還會(huì )在社會(huì )上產(chǎn)生不良影響。為保證列車(chē)快速、安全、舒適、高效地在高速線(xiàn)上運行,對鐵路列車(chē)進(jìn)行及時(shí)的檢修是非常重要的。列車(chē)檢修周期主要以列車(chē)行駛的里程為參考,所以及時(shí)準確地記錄列車(chē)的行駛里程是保證列車(chē)安全運行的關(guān)鍵。以往對列車(chē)各車(chē)廂行駛里程的記錄是采用人工記錄計算機存儲的方式,有時(shí)由于工作人員的疏忽,就可能造成記錄表丟失或漏記現象,這樣就會(huì )使列車(chē)的實(shí)際行駛里程與記錄的行駛里程不符,從而使列車(chē)不能得到及時(shí)地檢修,為列車(chē)的安全運行造成了隱患。因此,研制一個(gè)能夠自動(dòng)記錄列車(chē)行駛里程的網(wǎng)絡(luò )系統是至關(guān)重要的。

　　本系統就是為了滿(mǎn)足上述要求而開(kāi)發(fā)的,它是利用美國GPS(Global Positioning System)全球定位系統,結合CAN(Controller Area Network)總線(xiàn)技術(shù)和GSM(Global System for Mobile Communication)移動(dòng)通信技術(shù)的產(chǎn)物。其主要功能是依靠GPS來(lái)定位列車(chē)的位置,通過(guò)單片機來(lái)累計列車(chē)的行駛里程,利用CAN總線(xiàn)在列車(chē)各個(gè)車(chē)廂間建立局域網(wǎng),通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )將列車(chē)各車(chē)廂的行駛里程數據傳送回監控中心,并由監控中心進(jìn)行統一的監控和管理。本系統采用GSM短消息進(jìn)行數據傳輸, 它不需要建立撥號連接,只需把要發(fā)的信息加上目的地址發(fā)送到短消息中心,再由短消息中心轉發(fā)到最終目標。短消息每次限制在160個(gè)字節以?xún)?這對傳送列車(chē)行駛里程數據已足夠。本系統利用GSM短消息業(yè)務(wù)進(jìn)行數據傳輸,最大的優(yōu)點(diǎn)就在于連接簡(jiǎn)單、費用低廉、覆蓋面廣,實(shí)現方便。

　　系統的組成

　　系統由GPS衛星、車(chē)載終端、GSM公眾網(wǎng)和監控中心組成,其系統原理圖如圖1所示。

　　GPS 衛星不間斷發(fā)送導行電文,由車(chē)載終端上的GPS接收機接受,并進(jìn)行解碼處理,進(jìn)而輸出定位數據。車(chē)載終端包括主控車(chē)載終端和被控車(chē)載終端。主控車(chē)載終端安裝于火車(chē)頭,它由GPS接收模塊、信息處理和控制模塊、GSM通信模塊、鍵盤(pán)輸入模塊、顯示模塊和CAN總線(xiàn)通訊控制模塊組成,負責GPS信息的接受、數據的處理、CAN總線(xiàn)的通訊控制、GSM信息的發(fā)送等；被控車(chē)載終端安裝于各車(chē)廂,它由信息處理和控制模塊、CAN總線(xiàn)通訊模塊、鍵盤(pán)輸入及顯示模塊組成,負責本節車(chē)廂行駛里程的累計以及與主控車(chē)載終端的通訊等。主控車(chē)載終端與被控車(chē)載終端通過(guò)CAN總線(xiàn)相連形成局域網(wǎng)。車(chē)載終端通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )用短消息方式將列車(chē)行駛里程數據發(fā)送至監控中心。監控中心主要由GSM通訊模塊、監控主機、管理數據庫及綜合數據接口組成,完成GSM信息的接受以及各列車(chē)行駛里程的統計和管理。

　　車(chē)載單元的硬件設計

　　車(chē)載單元的硬件主要由四大模塊組成：信息處理與控制模塊、GPS接收模塊、GSM通訊模塊和CAN總線(xiàn)通訊控制模塊。

　　信息處理與控制模塊

　　信息處理與控制模塊是車(chē)載終端的核心控制部件,它是一個(gè)由PIC單片機組成的系統,其主要功能是進(jìn)行信息處理和控制車(chē)載終端的各組成部分,按照通信協(xié)議的要求執行相應的操作。本系統選用微芯公司生產(chǎn)的PIC18F458單片機,它有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)2MB的Flash程序存儲器；
2)4kB的EEPROM數據存儲器；
3)10MIPS的執行速度；
4)CAN總線(xiàn)模塊；
5)功耗低：在4MHz時(shí)鐘下工作耗電不超過(guò)2mA；在睡眠模式下耗電可低于1μA以下。
6)驅動(dòng)能力強：每個(gè)I/O引腳吸入和輸出電流的最大值可以分別達到25mA和20mA,能夠直接驅動(dòng)發(fā)光二極管LED、光電耦合器或者微型繼電器等。

　　GPS接收模塊

　　GPS 接受模塊即GPS接收機,它是GPS全球定位系統的用戶(hù)終端,是全球定位系統的三大組成部分之一。車(chē)載終端就是通過(guò)它來(lái)實(shí)現定位功能的。本系統采用 GAERMIN的GPS-OEM產(chǎn)品,它有12個(gè)通道,也就是同時(shí)可以跟蹤多達12顆GPS衛星,從而能夠快速的定位。GARMIN的GPS接收機功耗非常小,數據更新率為每秒一次,其優(yōu)良的性能完全能夠滿(mǎn)足陸地導航的靈敏度需求。

　　考慮到單片機輸入/輸出為T(mén)TL電平,而OEM板輸出為 RS232標準串行接口,采用的是EIA電平,因此這里需要加入能完成TTL-EIA雙電平轉換電路。本系統采用一種新型RS232轉換芯片 MAX232,其內部有電壓倍增電路和轉換電路,僅需5V電源便可工作,因此使用十分方便。連接方式如圖2所示。由于OEM板每秒刷新一次,為提高CPU 利用率,采用UART(通用異步接收/發(fā)送器)來(lái)實(shí)現串行異步通信中串并行數據轉換,也將大大提高CPU利用率。

　　GSM通訊模塊

　　GSM 通訊模塊是車(chē)載終端的一個(gè)重要的組成部分,它負責車(chē)載終端與監控中心之間的通信。本系統采用的是西門(mén)子公司生產(chǎn)的GSM調制解調器TC35模塊,它提供 RS232數據接口,采用AT指令,符合ETSI的GSM0707和GSM0705標準。模塊和單片機系統通過(guò)40針的數據電纜相連。TC35模塊的數據接口是CMOS電平,因此單片機對TC35模塊的控制和通信要進(jìn)行電平轉換。在本系統中,單片機串口通過(guò)OC門(mén)7404芯片完成電平轉換和TC35模塊相連。單片機與TC35模塊的接口如圖3所示。

　　TC35模塊支持8位數據位,1位停止位,無(wú)奇偶校驗位。傳輸速率可以在4.8kbit/s到115kbit/s間自適應。對TC35模塊控制,IGT信號非常重要,只有正確的IGT信號才可以使TC35模塊正常的運行。IGT的下降沿啟動(dòng)TC35,并且IGT的低電平應該至少保持 100ms,然后TC35正常工作。

　　CAN總線(xiàn)通訊控制模塊

　　CAN總線(xiàn)通訊控制模塊主要完成各車(chē)載終端之間的通訊,由于CAN總線(xiàn)接口能在噪聲環(huán)境下進(jìn)行通訊,從而保證了數據傳輸的可靠性。PIC18F458內部集成了CAN總線(xiàn)通訊控制器,執行的是Bosch公司規范的CAN210A/B協(xié)議,它包含完整的CAN系統。CAN總線(xiàn)模塊由協(xié)議驅動(dòng)和信息緩沖與控制組成。CAN協(xié)議驅動(dòng)CAN總線(xiàn)上接受和發(fā)送信息的所有功能,信息通過(guò)首先裝載到某個(gè)相應的數據寄存器發(fā)送,通過(guò)讀相應的寄存器可以檢查狀態(tài)與錯誤信息。在CAN總線(xiàn)上檢測到的任何信息都要進(jìn)行錯誤檢查,然后與過(guò)濾器進(jìn)行比較,判斷是否應該被接受和存儲到2個(gè)接受寄存器之一。圖4為CAN總線(xiàn)驅動(dòng)器PCA82C250T與單片機的連接圖, 其中的PCA82C250T為PHILIPS公司的CAN總線(xiàn)驅動(dòng)器,它將PIC18F458的CAN控制器輸出引腳的TTL電平變換為CAN總線(xiàn)上的差分信號。J12插頭的第2腳與第7腳間接有120Ω的匹配電阻。在CAN總線(xiàn)上,一般在兩端的CAN接頭需要接入120Ω的匹配電阻,中間則不用接。

　　車(chē)載終端控制器軟件編程

　　車(chē)載終端控制器的軟件主要完成3方面的任務(wù)：系統的初始化,循環(huán)處理GPS接收到的導航電文；單片機與TC35的通信以及GSM信息的發(fā)送；處理CAN總線(xiàn)數據的收發(fā)。這些任務(wù)在程序中是分兩部分來(lái)完成的,即主程序和中斷程序。主程序主要完成系統的初始化、CAN總線(xiàn)數據的發(fā)送、GSM信息的發(fā)送、列車(chē)行駛里程的計算等；中斷程序主要完成GPS信息的接收和CAN總線(xiàn)數據的接收。鍵盤(pán)檢測采用查詢(xún)方式。軟件采用C語(yǔ)言編程。主程序流程圖如圖5所示。

　　系統啟動(dòng)后首先要對相應的變量和模塊進(jìn)行初始化,讀出存儲在EEPROM中的列車(chē)行駛里程數據并將其顯示出來(lái),然后檢測是否有鍵被按下。鍵盤(pán)主要完成3方面任務(wù)：顯示器設置,啟動(dòng)CAN總線(xiàn)數據發(fā)送和GSM信息發(fā)送。GPS信息的接收采用中斷方式。系統每秒接收一個(gè)GPS信息,從GPS信息中讀出列車(chē)的行駛速度,將列車(chē)的行駛速度乘以列車(chē)的行駛時(shí)間(1s),得出列車(chē)在1s內的行駛里程并進(jìn)行一次行程的累加。為保證數據的安全性,列車(chē)每行駛 1km,EEPROM中存儲的列車(chē)行駛里程數據刷新1次。

　　在主控車(chē)載終端,CAN總線(xiàn)數據的發(fā)送采用鍵盤(pán)觸發(fā)方式。信息從CAN控制器發(fā)送到CAN總線(xiàn)是由CAN控制器自動(dòng)完成的,發(fā)送程序只需把被發(fā)送的信息送到CAN的發(fā)送緩沖區,然后啟動(dòng)發(fā)送命令即可。CAN總線(xiàn)數據的接收采用中斷方式。當系統產(chǎn)生CAN中斷時(shí),信息從CAN總線(xiàn)到CAN接收緩沖區是由CAN控制器自動(dòng)完成的,接收程序只要從接收緩沖區讀出要接收的信息即可。

　　結語(yǔ)

　　在本系統中,行程測量的相對誤差主要取決于列車(chē)的行駛速度。通過(guò)大量實(shí)驗可以得出,當列車(chē)的行駛速度大于10km/h時(shí),本系統行程測量的相對誤差小于 2%。一般而言,列車(chē)的行駛速度常高于10km/h。因此,本系統行程測量的相對誤差不會(huì )大于2%,完全滿(mǎn)足測量相對誤差應小于3%的設計要求。

　　本系統的設計完全滿(mǎn)足列車(chē)行程測量的準確度和可靠性要求,既實(shí)現了列車(chē)行程的自動(dòng)記錄,同時(shí)也實(shí)現了對各列車(chē)的統一監控管理。它解決了現有列車(chē)行程記錄方式存在的弊端,為列車(chē)行程的測量和管理提供了一種新方法。通過(guò)對列車(chē)行駛里程及時(shí)準確的記錄和監控,確保各列車(chē)能夠得到及時(shí)的檢修,為列車(chē)的安全運行提供了保障。本系統利用了當前技術(shù)比較成熟的GSM蜂窩數字移動(dòng)通訊系統和GPS全球定位系統,而且具有成本低廉、結構簡(jiǎn)單、抗干擾能力強及可靠性高等優(yōu)點(diǎn),因此具有廣闊的應用前景。