基于GSM、GPS及CAN总线的列车行程测量系统的研究

引言

随着铁路运输向高速度、高密度方向发展,安全工作将更加重要。一旦发生事故,不仅中断行车、打乱正常运行秩序,在经济上造成严重的损失,而且还会在社会上产生不良影响。为保证列车快速、安全、舒适、高效地在高速线上运行,对铁路列车进行及时的检修是非常重要的。列车检修周期主要以列车行驶的里程为参考,所以及时准确地记录列车的行驶里程是保证列车安全运行的关键。以往对列车各车厢行驶里程的记录是采用人工记录计算机存储的方式,有时由于工作人员的疏忽,就可能造成记录表丢失或漏记现象,这样就会使列车的实际行驶里程与记录的行驶里程不符,从而使列车不能得到及时地检修,为列车的安全运行造成了隐患。因此,研制一个能够自动记录列车行驶里程的网络系统是至关重要的。

本系统就是为了满足上述要求而开发的,它是利用美国GPS(Global Positioning System)全球定位系统,结合CAN(Controller Area Network)总线技术和GSM(Global System for Mobile Communication)移动通信技术的产物。其主要功能是依靠GPS来定位列车的位置,通过单片机来累计列车的行驶里程,利用CAN总线在列车各个车厢间建立局域网,通过GSM网络将列车各车厢的行驶里程数据传送回监控中心,并由监控中心进行统一的监控和管理。本系统采用GSM短消息进行数据传输,它不需要建立拨号连接,只需把要发的信息加上目的地址发送到短消息中心,再由短消息中心转发到最终目标。短消息每次限制在160个字节以内,这对传送列车行驶里程数据已足够。本系统利用GSM短消息业务进行数据传输,最大的优点就在于连接简单、费用低廉、覆盖面广,实现方便。

系统的组成

系统由GPS卫星、车载终端、GSM公众网和监控中心组成,其系统原理图如图1所示。

GPS卫星不间断发送导行电文,由车载终端上的GPS接收机接受,并进行解码处理,进而输出定位数据。车载终端包括主控车载终端和被控车载终端。主控车载终端安装于火车头,它由GPS接收模块、信息处理和控制模块、GSM通信模块、键盘输入模块、显示模块和CAN总线通讯控制模块组成,负责GPS信息的接受、数据的处理、CAN总线的通讯控制、GSM信息的发送等；被控车载终端安装于各车厢,它由信息处理和控制模块、CAN总线通讯模块、键盘输入及显示模块组成,负责本节车厢行驶里程的累计以及与主控车载终端的通讯等。主控车载终端与被控车载终端通过CAN总线相连形成局域网。车载终端通过GSM网络用短消息方式将列车行驶里程数据发送至监控中心。监控中心主要由GSM通讯模块、监控主机、管理数据库及综合数据接口组成,完成GSM信息的接受以及各列车行驶里程的统计和管理。

车载单元的硬件设计

车载单元的硬件主要由四大模块组成：信息处理与控制模块、GPS接收模块、GSM通讯模块和CAN总线通讯控制模块。

信息处理与控制模块
信息处理与控制模块是车载终端的核心控制部件,它是一个由PIC单片机组成的系统,其主要功能是进行信息处理和控制车载终端的各组成部分,按照通信协议的要求执行相应的操作。本系统选用微芯公司生产的PIC18F458单片机,它有如下优点：

1)2MB的Flash程序存储器；
2)4kB的EEPROM数据存储器；
3)10MIPS的执行速度；
4)CAN总线模块；
5)功耗低：在4MHz时钟下工作耗电不超过2mA；在睡眠模式下耗电可低于1μA以下。
6)驱动能力强：每个I/O引脚吸入和输出电流的最大值可以分别达到25mA和20mA,能够直接驱动发光二极管LED、光电耦合器或者微型继电器等。

GPS接收模块
GPS接受模块即GPS接收机,它是GPS全球定位系统的用户终端,是全球定位系统的三大组成部分之一。车载终端就是通过它来实现定位功能的。本系统采用GAERMIN的GPS-OEM产品,它有12个通道,也就是同时可以跟踪多达12颗GPS卫星,从而能够快速的定位。GARMIN的GPS接收机功耗非常小,数据更新率为每秒一次,其优良的性能完全能够满足陆地导航的灵敏度需求。

考虑到单片机输入/输出为TTL电平,而OEM板输出为RS232标准串行接口,采用的是EIA电平,因此这里需要加入能完成TTL-EIA双电平转换电路。本系统采用一种新型RS232转换芯片MAX232,其内部有电压倍增电路和转换电路,仅需5V电源便可工作,因此使用十分方便。连接方式如图2所示。由于OEM板每秒刷新一次,为提高CPU利用率,采用UART(通用异步接收/发送器)来实现串行异步通信中串并行数据转换,也将大大提高CPU利用率。

GSM通讯模块
GSM通讯模块是车载终端的一个重要的组成部分,它负责车载终端与监控中心之间的通信。本系统采用的是西门子公司生产的GSM调制解调器TC35模块,它提供RS232数据接口,采用AT指令,符合ETSI的GSM0707和GSM0705标准。模块和单片机系统通过40针的数据电缆相连。TC35模块的数据接口是CMOS电平,因此单片机对TC35模块的控制和通信要进行电平转换。在本系统中,单片机串口通过OC门7404芯片完成电平转换和TC35模块相连。单片机与TC35模块的接口如图3所示。

TC35模块支持8位数据位,1位停止位,无奇偶校验位。传输速率可以在4.8kbit/s到115kbit/s间自适应。对TC35模块控制,IGT信号非常重要,只有正确的IGT信号才可以使TC35模块正常的运行。IGT的下降沿启动TC35,并且IGT的低电平应该至少保持100ms,然后TC35正常工作。

CAN总线通讯控制模块
CAN总线通讯控制模块主要完成各车载终端之间的通讯,由于CAN总线接口能在噪声环境下进行通讯,从而保证了数据传输的可靠性。PIC18F458内部集成了CAN总线通讯控制器,执行的是Bosch公司规范的CAN210A/B协议,它包含完整的CAN系统。CAN总线模块由协议驱动和信息缓冲与控制组成。CAN协议驱动CAN总线上接受和发送信息的所有功能,信息通过首先装载到某个相应的数据寄存器发送,通过读相应的寄存器可以检查状态与错误信息。在CAN总线上检测到的任何信息都要进行错误检查,然后与过滤器进行比较,判断是否应该被接受和存储到2个接受寄存器之一。图4为CAN总线驱动器PCA82C250T与单片机的连接图,其中的PCA82C250T为PHILIPS公司的CAN总线驱动器,它将PIC18F458的CAN控制器输出引脚的TTL电平变换为CAN总线上的差分信号。J12插头的第2脚与第7脚间接有120Ω的匹配电阻。在CAN总线上,一般在两端的CAN接头需要接入120Ω的匹配电阻,中间则不用接。

车载终端控制器软件编程

车载终端控制器的软件主要完成3方面的任务：系统的初始化,循环处理GPS接收到的导航电文；单片机与TC35的通信以及GSM信息的发送；处理CAN总线数据的收发。这些任务在程序中是分两部分来完成的,即主程序和中断程序。主程序主要完成系统的初始化、CAN总线数据的发送、GSM信息的发送、列车行驶里程的计算等；中断程序主要完成GPS信息的接收和CAN总线数据的接收。键盘检测采用查询方式。软件采用C语言编程。主程序流程图如图5所示。

系统启动后首先要对相应的变量和模块进行初始化,读出存储在EEPROM中的列车行驶里程数据并将其显示出来,然后检测是否有键被按下。键盘主要完成3方面任务：显示器设置,启动CAN总线数据发送和GSM信息发送。GPS信息的接收采用中断方式。系统每秒接收一个GPS信息,从GPS信息中读出列车的行驶速度,将列车的行驶速度乘以列车的行驶时间(1s),得出列车在1s内的行驶里程并进行一次行程的累加。为保证数据的安全性,列车每行驶1km,EEPROM中存储的列车行驶里程数据刷新1次。

在主控车载终端,CAN总线数据的发送采用键盘触发方式。信息从CAN控制器发送到CAN总线是由CAN控制器自动完成的,发送程序只需把被发送的信息送到CAN的发送缓冲区,然后启动发送命令即可。CAN总线数据的接收采用中断方式。当系统产生CAN中断时,信息从CAN总线到CAN接收缓冲区是由CAN控制器自动完成的,接收程序只要从接收缓冲区读出要接收的信息即可。

结语

在本系统中,行程测量的相对误差主要取决于列车的行驶速度。通过大量实验可以得出,当列车的行驶速度大于10km/h时,本系统行程测量的相对误差小于2%。一般而言,列车的行驶速度常高于10km/h。因此,本系统行程测量的相对误差不会大于2%,完全满足测量相对误差应小于3%的设计要求。

本系统的设计完全满足列车行程测量的准确度和可靠性要求,既实现了列车行程的自动记录,同时也实现了对各列车的统一监控管理。它解决了现有列车行程记录方式存在的弊端,为列车行程的测量和管理提供了一种新方法。通过对列车行驶里程及时准确的记录和监控,确保各列车能够得到及时的检修,为列车的安全运行提供了保障。本系统利用了当前技术比较成熟的GSM蜂窝数字移动通讯系统和GPS全球定位系统,而且具有成本低廉、结构简单、抗干扰能力强及可靠性高等优点,因此具有广阔的应用前景。