基于GPS、GSM及CAN總線的列車行程測(cè)量系統(tǒng)

　　引言

　　隨著鐵路運(yùn)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、打亂正常運(yùn)行秩序,在經(jīng)濟(jì)上造成嚴(yán)重的損失,而且還會(huì)在社會(huì)上產(chǎn)生不良影響。為保證列車快速、安全、舒適、高效地在高速線上運(yùn)行,對(duì)鐵路列車進(jìn)行及時(shí)的檢修是非常重要的。列車檢修周期主要以列車行駛的里程為參考,所以及時(shí)準(zhǔn)確地記錄列車的行駛里程是保證列車安全運(yùn)行的關(guān)鍵。以往對(duì)列車各車廂行駛里程的記錄是采用人工記錄計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)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(xiàn)象,這樣就會(huì)使列車的實(shí)際行駛里程與記錄的行駛里程不符,從而使列車不能得到及時(shí)地檢修,為列車的安全運(yùn)行造成了隱患。因此,研制一個(gè)能夠自動(dòng)記錄列車行駛里程的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是至關(guān)重要的。

　　本系統(tǒng)就是為了滿足上述要求而開發(fā)的,它是利用美國(guó)GPS(Global Positioning System)全球定位系統(tǒng),結(jié)合CAN(Controller Area Network)總線技術(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)定位列車的位置,通過(guò)單片機(jī)來(lái)累計(jì)列車的行駛里程,利用CAN總線在列車各個(gè)車廂間建立局域網(wǎng),通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)將列車各車廂的行駛里程數(shù)據(jù)傳送回監(jiān)控中心,并由監(jiān)控中心進(jìn)行統(tǒng)一的監(jiān)控和管理。本系統(tǒng)采用GSM短消息進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸, 它不需要建立撥號(hào)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(zhuǎn)發(fā)到最終目標(biāo)。短消息每次限制在160個(gè)字節(jié)以內(nèi),這對(duì)傳送列車行駛里程數(shù)據(jù)已足夠。本系統(tǒng)利用GSM短消息業(yè)務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,最大的優(yōu)點(diǎn)就在于連接簡(jiǎn)單、費(fèi)用低廉、覆蓋面廣,實(shí)現(xiàn)方便。

　　系統(tǒng)的組成

　　系統(tǒng)由GPS衛(wèi)星、車載終端、GSM公眾網(wǎng)和監(jiān)控中心組成,其系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

　　GPS 衛(wèi)星不間斷發(fā)送導(dǎo)行電文,由車載終端上的GPS接收機(jī)接受,并進(jìn)行解碼處理,進(jìn)而輸出定位數(shù)據(jù)。車載終端包括主控車載終端和被控車載終端。主控車載終端安裝于火車頭,它由GPS接收模塊、信息處理和控制模塊、GSM通信模塊、鍵盤輸入模塊、顯示模塊和CAN總線通訊控制模塊組成,負(fù)責(zé)GPS信息的接受、數(shù)據(jù)的處理、CAN總線的通訊控制、GSM信息的發(fā)送等；被控車載終端安裝于各車廂,它由信息處理和控制模塊、CAN總線通訊模塊、鍵盤輸入及顯示模塊組成,負(fù)責(zé)本節(jié)車廂行駛里程的累計(jì)以及與主控車載終端的通訊等。主控車載終端與被控車載終端通過(guò)CAN總線相連形成局域網(wǎng)。車載終端通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)用短消息方式將列車行駛里程數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心。監(jiān)控中心主要由GSM通訊模塊、監(jiān)控主機(jī)、管理數(shù)據(jù)庫(kù)及綜合數(shù)據(jù)接口組成,完成GSM信息的接受以及各列車行駛里程的統(tǒng)計(jì)和管理。

　　車載單元的硬件設(shè)計(jì)

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

1)2MB的Flash程序存儲(chǔ)器；
2)4kB的EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；
3)10MIPS的執(zhí)行速度；
4)CAN總線模塊；
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(qū)動(dòng)能力強(qiáng)：每個(gè)I/O引腳吸入和輸出電流的最大值可以分別達(dá)到25mA和20mA,能夠直接驅(qū)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(jī),它是GPS全球定位系統(tǒng)的用戶終端,是全球定位系統(tǒng)的三大組成部分之一。車載終端就是通過(guò)它來(lái)實(shí)現(xiàn)定位功能的。本系統(tǒng)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(dá)12顆GPS衛(wèi)星,從而能夠快速的定位。GARMIN的GPS接收機(jī)功耗非常小,數(shù)據(jù)更新率為每秒一次,其優(yōu)良的性能完全能夠滿足陸地導(dǎo)航的靈敏度需求。

　　考慮到單片機(jī)輸入/輸出為TTL電平,而OEM板輸出為 RS232標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)換電路。本系統(tǒng)采用一種新型RS232轉(zhuǎn)換芯片 MAX232,其內(nèi)部有電壓倍增電路和轉(zhuǎn)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(xiàn)串行異步通信中串并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,也將大大提高CPU利用率。

　　GSM通訊模塊

　　GSM 通訊模塊是車載終端的一個(gè)重要的組成部分,它負(fù)責(zé)車載終端與監(jiān)控中心之間的通信。本系統(tǒng)采用的是西門子公司生產(chǎn)的GSM調(diào)制解調(diào)器TC35模塊,它提供 RS232數(shù)據(jù)接口,采用AT指令,符合ETSI的GSM0707和GSM0705標(biāo)準(zhǔn)。模塊和單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)40針的數(shù)據(jù)電纜相連。TC35模塊的數(shù)據(jù)接口是CMOS電平,因此單片機(jī)對(duì)TC35模塊的控制和通信要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。在本系統(tǒng)中,單片機(jī)串口通過(guò)OC門7404芯片完成電平轉(zhuǎn)換和TC35模塊相連。單片機(jī)與TC35模塊的接口如圖3所示。

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

　　CAN總線通訊控制模塊

　　CAN總線通訊控制模塊主要完成各車載終端之間的通訊,由于CAN總線接口能在噪聲環(huán)境下進(jìn)行通訊,從而保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。PIC18F458內(nèi)部集成了CAN總線通訊控制器,執(zhí)行的是Bosch公司規(guī)范的CAN210A/B協(xié)議,它包含完整的CAN系統(tǒng)。CAN總線模塊由協(xié)議驅(qū)動(dòng)和信息緩沖與控制組成。CAN協(xié)議驅(qū)動(dòng)CAN總線上接受和發(fā)送信息的所有功能,信息通過(guò)首先裝載到某個(gè)相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器發(fā)送,通過(guò)讀相應(yīng)的寄存器可以檢查狀態(tài)與錯(cuò)誤信息。在CAN總線上檢測(cè)到的任何信息都要進(jìn)行錯(cuò)誤檢查,然后與過(guò)濾器進(jìn)行比較,判斷是否應(yīng)該被接受和存儲(chǔ)到2個(gè)接受寄存器之一。圖4為CAN總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C250T與單片機(jī)的連接圖, 其中的PCA82C250T為PHILIPS公司的CAN總線驅(qū)動(dòng)器,它將PIC18F458的CAN控制器輸出引腳的TTL電平變換為CAN總線上的差分信號(hào)。J12插頭的第2腳與第7腳間接有120Ω的匹配電阻。在CAN總線上,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。

　　車載終端控制器軟件編程

　　車載終端控制器的軟件主要完成3方面的任務(wù)：系統(tǒng)的初始化,循環(huán)處理GPS接收到的導(dǎo)航電文；單片機(jī)與TC35的通信以及GSM信息的發(fā)送；處理CAN總線數(shù)據(jù)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(tǒng)的初始化、CAN總線數(shù)據(jù)的發(fā)送、GSM信息的發(fā)送、列車行駛里程的計(jì)算等；中斷程序主要完成GPS信息的接收和CAN總線數(shù)據(jù)的接收。鍵盤檢測(cè)采用查詢方式。軟件采用C語(yǔ)言編程。主程序流程圖如圖5所示。

　　系統(tǒng)啟動(dòng)后首先要對(duì)相應(yīng)的變量和模塊進(jìn)行初始化,讀出存儲(chǔ)在EEPROM中的列車行駛里程數(shù)據(jù)并將其顯示出來(lái),然后檢測(cè)是否有鍵被按下。鍵盤主要完成3方面任務(wù)：顯示器設(shè)置,啟動(dòng)CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送和GSM信息發(fā)送。GPS信息的接收采用中斷方式。系統(tǒng)每秒接收一個(gè)GPS信息,從GPS信息中讀出列車的行駛速度,將列車的行駛速度乘以列車的行駛時(shí)間(1s),得出列車在1s內(nèi)的行駛里程并進(jìn)行一次行程的累加。為保證數(shù)據(jù)的安全性,列車每行駛 1km,EEPROM中存儲(chǔ)的列車行駛里程數(shù)據(jù)刷新1次。

　　在主控車載終端,CAN總線數(shù)據(jù)的發(fā)送采用鍵盤觸發(fā)方式。信息從CAN控制器發(fā)送到CAN總線是由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(qū),然后啟動(dòng)發(fā)送命令即可。CAN總線數(shù)據(jù)的接收采用中斷方式。當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生CAN中斷時(shí),信息從CAN總線到CAN接收緩沖區(qū)是由CAN控制器自動(dòng)完成的,接收程序只要從接收緩沖區(qū)讀出要接收的信息即可。

　　結(jié)語(yǔ)

　　在本系統(tǒng)中,行程測(cè)量的相對(duì)誤差主要取決于列車的行駛速度。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)可以得出,當(dāng)列車的行駛速度大于10km/h時(shí),本系統(tǒng)行程測(cè)量的相對(duì)誤差小于 2%。一般而言,列車的行駛速度常高于10km/h。因此,本系統(tǒng)行程測(cè)量的相對(duì)誤差不會(huì)大于2%,完全滿足測(cè)量相對(duì)誤差應(yīng)小于3%的設(shè)計(jì)要求。

　　本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完全滿足列車行程測(cè)量的準(zhǔn)確度和可靠性要求,既實(shí)現(xiàn)了列車行程的自動(dòng)記錄,同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了對(duì)各列車的統(tǒng)一監(jiān)控管理。它解決了現(xiàn)有列車行程記錄方式存在的弊端,為列車行程的測(cè)量和管理提供了一種新方法。通過(guò)對(duì)列車行駛里程及時(shí)準(zhǔn)確的記錄和監(jiān)控,確保各列車能夠得到及時(shí)的檢修,為列車的安全運(yùn)行提供了保障。本系統(tǒng)利用了當(dāng)前技術(shù)比較成熟的GSM蜂窩數(shù)字移動(dòng)通訊系統(tǒng)和GPS全球定位系統(tǒng),而且具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)及可靠性高等優(yōu)點(diǎn),因此具有廣闊的應(yīng)用前景。