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高速鐵路防風(fēng)防雨安全監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)
摘要：介紹一種基于單片機(jī)與上位機(jī)有線或無(wú)線通信的防風(fēng)、防雨安全監(jiān)測(cè)報(bào)警及信息傳輸系統(tǒng)；分析數(shù)據(jù)采集和處理方法；利用軟件和硬件抗干擾技術(shù)，闡述通信高級(jí)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信的途徑。該系統(tǒng)無(wú)線通信距離遠(yuǎn)，可方便地構(gòu)成鐵路防風(fēng)、防雨信息子系統(tǒng)并接入鐵路信息網(wǎng)。關(guān)鍵詞：防風(fēng)防雨 安全監(jiān)測(cè) 無(wú)線通信網(wǎng) 信息傳輸方式 抗干擾
引言
高速列車(chē)運(yùn)營(yíng)的安全性，是全世界鐵路部門(mén)均予以重視的問(wèn)題。1981年6月印度馬特那附近的鐵橋和1986年12月日本山陰線余部橋梁上發(fā)生的列車(chē)災(zāi)害事故都說(shuō)明：一個(gè)及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的報(bào)警系統(tǒng)，對(duì)于避免這些事故的發(fā)生至關(guān)重要。本文針對(duì)高速鐵路中高架橋和高路堤上列車(chē)運(yùn)行的安全性，提出了安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案：報(bào)警裝置對(duì)與列車(chē)安全行使有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理，根據(jù)專家系統(tǒng)綜合處理采集的數(shù)據(jù)發(fā)出報(bào)警與限速信息，并通過(guò)無(wú)線通信將這些信息傳輸給列車(chē)上的調(diào)度中心。
一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)分為兩大部分：一是對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量、環(huán)境溫度和軌道振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)裝置（裝于需監(jiān)測(cè)的高路堤或高架橋上），主要包括以AT89C52單片機(jī)為核心的基本數(shù)據(jù)采集處理模塊，以RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)接口芯片MAX202CPE為主的有線通信接口模塊及以FC-202BN為主的無(wú)線通信模塊；二是監(jiān)控報(bào)警信息傳輸系統(tǒng)，利用有線通信或無(wú)線通信方式，實(shí)現(xiàn)該裝置同調(diào)度所的上位計(jì)算機(jī)（PC）進(jìn)行報(bào)警信息傳輸，或者直接同列車(chē)上的電臺(tái)通過(guò)無(wú)線通信傳輸報(bào)警信息。有線或無(wú)線通信采用開(kāi)放式的二級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
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1.硬件設(shè)計(jì)
監(jiān)測(cè)裝置主要由數(shù)據(jù)采集處理模塊、無(wú)線通信模塊、硬件抗干擾模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等組成。監(jiān)視裝置硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
（1）單片機(jī)數(shù)據(jù)采集處理模塊
數(shù)據(jù)采集主要由AT89C52單片機(jī)、AT28C64存儲(chǔ)器、8279鍵盤(pán)顯示接口芯片、8155、ADC0809等組成。鑒于AT89C52的寬工作電壓范圍，高容量的Flash程序存儲(chǔ)器、可靠的加密方式、較好的兼容性，我們采用該芯片。同時(shí)利用AT28C64存儲(chǔ)歷史參數(shù)值及可修改常數(shù)、報(bào)警值設(shè)定等。Intel公司的8279具有鍵盤(pán)顯示接口的強(qiáng)大功能，擴(kuò)展4×4的鍵盤(pán)和外接5位LED顯示器，使之具有良好的人機(jī)界面。8155主要完成風(fēng)向格雷碼信號(hào)的并行采集。ADC0808用于處理雨量和加速度傳感器的模擬信號(hào)。
（2）無(wú)線通信模塊
電平轉(zhuǎn)換器由RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)接口芯片MAX202CPE構(gòu)成。利用RS-232-C接口進(jìn)行有線通信，雖然相對(duì)于TTL電平抗干擾能力大大提高，但由于受回路電容負(fù)載限制，同時(shí)它屬于單端信號(hào)，傳送存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問(wèn)題，其通信距離僅在20m內(nèi)，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際要求。若采用RS-485接口，通信可達(dá)數(shù)km，但由于回路電容大而可靠性不高，為此采用無(wú)線通信方式。
FC-202無(wú)線通信模塊由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、鎖相環(huán)、基帶處理及調(diào)制解調(diào)器、CPU（AT89C2051）、RS-232-C接口組成，如圖3所示。其通信原理為：采用MSK調(diào)制方式，將基帶信號(hào)調(diào)制并將功率放大成射頻信號(hào)，再利用VHF/UHF頻段發(fā)送和接收，然后解調(diào)、放大還原成相應(yīng)的基帶信號(hào)，完成數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸。FC-202無(wú)線數(shù)傳模塊內(nèi)含VHF/UHF頻段范圍的無(wú)線收發(fā)機(jī)。收發(fā)采用雙鎖相環(huán)及雙VCO技術(shù)，收發(fā)轉(zhuǎn)換速度快，其接口為RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)接口，可直接連接計(jì)算機(jī)或帶有串口的設(shè)備。FC-202無(wú)線數(shù)傳模塊可存儲(chǔ)16個(gè)通信信道，空中傳輸率兼容1200b/s或2400b/s，模塊功率為5W，可方便完成15km以內(nèi)的遠(yuǎn)距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。
（3）硬件抗干擾
單片機(jī)系統(tǒng)包括較大功率的電源電路、高速數(shù)字電路、小信號(hào)模擬電路。為避免各部分信號(hào)的相互耦合，對(duì)硬件抗干擾采取了電源去耦、模擬信號(hào)濾波、分離布局不同類型的電路、加大電源和地線的走線面積等措施。
2.軟件設(shè)計(jì)
（1）單片機(jī)多機(jī)通信程序設(shè)計(jì)
AT89C52單片機(jī)本身具有全雙工串行數(shù)據(jù)通信功能，其實(shí)現(xiàn)由SCON和PCON兩個(gè)特殊寄存器控制。本系統(tǒng)選用方式3的9位數(shù)據(jù)異步通信方式，無(wú)奇偶校驗(yàn)。通信時(shí)各單片機(jī)裝置中SCON的SM2均設(shè)置為1，上位機(jī)發(fā)送某一地址碼并置R1，則所有的單片機(jī)均發(fā)生接收中斷，此時(shí)表明上位機(jī)發(fā)來(lái)的信息是1幀地址信息。當(dāng)某一單片機(jī)發(fā)現(xiàn)其接收的地址信息與本機(jī)地址相符時(shí)，SM2=0，并把本機(jī)地址作為應(yīng)答信號(hào)返回給上位機(jī)，準(zhǔn)備接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的命令或數(shù)據(jù)。地址相符的單片機(jī)收第9位為
0的數(shù)據(jù)或命令；而地址不符的單片機(jī)則保持SM2=1，不能產(chǎn)生中斷標(biāo)志，信息將拋棄，從而實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與單片機(jī)的一對(duì)一通信。通信初始化為
MOV SCON，#0F0H
MOV PCON，#00H
MOV TMOD，#20H
MOV TH1，#0F3H
MOV TL1，#0F3H
（2）PC機(jī)軟件設(shè)計(jì)
在串行通信中調(diào)用Windows的API接口方法，是實(shí)現(xiàn)VB直接控制串行口硬件的有效方案。VB提供了一個(gè)名為Mscomm的控件（或Winsock控件），能為應(yīng)用程序提供串行通信功能。初始化和定時(shí)數(shù)據(jù)通信程序如下：
Dim Cindata As Variant
Dim Coutdata(0) As Byte
Private Sub Form_Load()
MSComm1.CommPort=2 '端口設(shè)置為2
MSComm1.PortOpen=True '打開(kāi)端口
MSComm1.Settings="2400，n,8,1" '通信方式設(shè)置
MSConn1.InputMode=comliputModeBinary '以二進(jìn)制形式傳送
End Sub
Private Sub Timer2_Timer()
Coutdata(0)=CUMADDRESS '發(fā)送下位機(jī)地址
MSComm1.Output=Coutdata
Do
DoEvents
Loop Until MSComm1.InBufferCount>=1
Cindata=MSComm1.Input
If Cindata(0)=CUMADDRESS Then
Do
DoEvents
Loop Until MSComm1.InBufferCount>=DATALENGTH
Cindata=MSComm1.Input
┆
End Sub
（3）軟件抗干擾設(shè)計(jì)
調(diào)試中發(fā)現(xiàn)常有死機(jī)、接觸不靈敏問(wèn)題，因此必須考慮抗干擾設(shè)計(jì)方法。單片機(jī)受干擾導(dǎo)致出錯(cuò)而無(wú)法自動(dòng)恢復(fù)正常狀態(tài)，通常是由于RAM區(qū)數(shù)據(jù)被破壞的緣故。我們利用AT89C52的數(shù)據(jù)RAM單元在每一個(gè)主要程序模塊入口設(shè)置檢驗(yàn)標(biāo)導(dǎo)，結(jié)束時(shí)驗(yàn)證其標(biāo)志是否與入口時(shí)一致，還要驗(yàn)證重要的數(shù)據(jù)標(biāo)志是否正確（如鍵盤(pán)的鍵值），否則程序?qū)⑦M(jìn)行出錯(cuò)處理。另外，設(shè)備軟件看門(mén)狗，利用AT89C52不用的T2定時(shí)監(jiān)視程序是否正常運(yùn)行，這樣保證了運(yùn)行的可靠性。
3.傳感器的標(biāo)度轉(zhuǎn)換
（1）線性標(biāo)度
對(duì)于風(fēng)速傳感器，利用AT89C52的I/O口，測(cè)出與風(fēng)速成正比的脈沖信號(hào)，因此可以線性標(biāo)度。設(shè)0.5s內(nèi)的最小脈沖數(shù)為A0=0個(gè)，最大脈沖數(shù)Amax為255個(gè)，A為測(cè)得的脈沖數(shù)；起始風(fēng)速V0=0.08m/s，最大風(fēng)速Vmax=65m/s，V為實(shí)際風(fēng)速值。根據(jù)線性標(biāo)度公式則有
（V-V0）/(Vmax-V0)=(A-A0)/(Amax-a0)
代入數(shù)據(jù)得V=(0.25459A+0.08)m/s
對(duì)于DS1820單線數(shù)字溫度傳感器，其溫度測(cè)量范圍是-55～+125℃，增量值為0.5℃。在n≤64范圍內(nèi)（n為P1.0口所掛DS1820的個(gè)數(shù)），每一片DS1820有1個(gè)自己的序列號(hào)，單片機(jī)與DS1820通過(guò)單線串行通信，單片機(jī)向某一DS1820寫(xiě)入序列號(hào)并啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)1s的延時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)間后，再進(jìn)行下一個(gè)DS1820操作。DS1820輸出的是與溫度成正比的數(shù)字信號(hào)，采用線性標(biāo)度。設(shè)在P1.0口測(cè)得的數(shù)字信號(hào)值為T(mén)，實(shí)際溫度為t，則有
t/℃=T/2
在本裝置中，僅接有兩片DS1820：一片裝于機(jī)箱主板上，監(jiān)測(cè)機(jī)器運(yùn)行時(shí)溫度是否正常；另一片置于機(jī)箱外，作為監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度之用。
（2）非線性標(biāo)度
風(fēng)向傳感器是應(yīng)用格雷碼盤(pán)將風(fēng)向機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的。測(cè)量范圍為：0～360°，分辨率為3°。由于用8155并行口接收的7路格雷碼信號(hào)與風(fēng)向成非線性關(guān)系，所以采用非線性標(biāo)度。具體做法是將格雷碼與風(fēng)向的對(duì)應(yīng)關(guān)系存在AT28C64中，以備查表之用。雨量傳感器輸出的是具有0～
5V的模擬信號(hào)，利用ADC0809實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，采用非線性標(biāo)度轉(zhuǎn)換。加速主傳感器是將縱、橫向位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓模擬信號(hào)信號(hào)的裝置。標(biāo)度轉(zhuǎn)換與風(fēng)向傳感器相同。
二、監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)功能特性
（1）是可方便切換的有線和無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)構(gòu)建靈活方便，可根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)段的實(shí)際情況靈活更改系統(tǒng)配置，具有良好的可維護(hù)性；
（2）調(diào)度所的PC機(jī)可動(dòng)態(tài)顯示各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的列車(chē)限速或停車(chē)報(bào)警信息，并實(shí)時(shí)調(diào)度列車(chē)運(yùn)行；
（3）裝置本身具有獨(dú)立的參數(shù)顯示、指示燈和蜂鳴器報(bào)警功能，可方便測(cè)試之用；
（4）能提供列車(chē)所需報(bào)表，提供報(bào)警裝置號(hào)碼和報(bào)警時(shí)間；
（5）信息的無(wú)線傳輸遠(yuǎn)達(dá)15km。
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