基于GSM、GPS及CAN總線的列車行程測量系統(tǒng)的研究

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,而且還會在社會上產(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,對鐵路列車進(jìn)行及時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。以往對列車各車廂行駛里程的記錄是采用人工記錄計算機(jī)存儲的方式,有時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,這樣就會使列車的實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地檢修,為列車的安全運(yùn)行造成了隱患。因此,研制一個能夠自動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)移動通信技術(shù)的產(chǎn)物。其主要功能是依靠GPS來定位列車的位置,通過單片機(jī)來累計列車的行駛里程,利用CAN總線在列車各個車廂間建立局域網(wǎng),通過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個字節(jié)以內(nèi),這對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)點就在于連接簡單、費(fèi)用低廉、覆蓋面廣,實現(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CAN總線相連形成局域網(wǎng)。車載終端通過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)計和管理。

車載單元的硬件設(shè)計

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：

1)2MB的Flash程序存儲器；
2)4kB的EEPROM數(shù)據(jù)存儲器；
3)10MIPS的執(zhí)行速度；
4)CAN總線模塊；
5)功耗低：在4MHz時鐘下工作耗電不超過2mA；在睡眠模式下耗電可低于1μA以下。
6)驅(qū)動能力強(qiáng)：每個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。車載終端就是通過它來實現(xiàn)定位功能的。本系統(tǒng)采用GAERMIN的GPS-OEM產(chǎn)品,它有12個通道,也就是同時可以跟蹤多達(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)來實現(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。