劉良斌, 吳新開, 濮振華, 談曉成

湖南科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院, 湖南 湘潭 411201

列車智能上水系統(tǒng)遙控模塊設(shè)計(jì)

劉良斌, 吳新開, 濮振華, 談曉成

湖南科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院, 湖南 湘潭 411201

針對(duì)列車上水系統(tǒng)的被控對(duì)象多、遙控距離遠(yuǎn)、控制實(shí)時(shí)性要求高等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套由MSP430F149單片機(jī)、SI4432無(wú)線通信模塊組成的遙控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用EZMAC PRO協(xié)議進(jìn)行無(wú)線通信。無(wú)線接收部分通過RS485總線與股道管理機(jī)（上位機(jī)）通信。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)股道各從站的監(jiān)測(cè)與控制，具有可靠性高、低延時(shí)、成本低的特點(diǎn)。

列車上水系統(tǒng)；MSP430F149單片機(jī)；遙控系統(tǒng)；節(jié)能

目前，鐵路車站和客車整備所的上水設(shè)備大多過于簡(jiǎn)陋[1]，控制方式一般為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制[2]，即每一臺(tái)上水栓由一個(gè)獨(dú)立的無(wú)線接收模塊控制。傳統(tǒng)控制方案無(wú)線接收模塊較多，維修成本較高；采用射頻模擬電路，電能消耗大[3]；同時(shí)，由于各個(gè)上水栓都是獨(dú)立存在的，不能通過電腦對(duì)上水栓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，增大了系統(tǒng)的維護(hù)難度。為了改變這種情況，作者采用MSP430F149單片機(jī)與SI4432無(wú)線通信模塊結(jié)合[4,5]，構(gòu)成上水系統(tǒng)的遙控器和遙控器接收板[6]，并通過股道管理機(jī)統(tǒng)一對(duì)遙控信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)上水栓的測(cè)控。該方案無(wú)線站點(diǎn)少、維護(hù)難度小、控制方便，很好地解決了鐵路旅客列車上水中出現(xiàn)的諸多問題。

1 上水系統(tǒng)的構(gòu)成

水系統(tǒng)中每個(gè)股道由30個(gè)上水栓、2個(gè)水壓表、1個(gè)遙控器接收板、2個(gè)流量計(jì)和1臺(tái)股道管理機(jī)組成。股道管理機(jī)與各從站之間通過RS-485雙絞線進(jìn)行通信。

1.1 股道管理機(jī)的構(gòu)成及硬件選型

根據(jù)廠家要求，股道管理機(jī)與從站之間的通信必須采用Mobus-RTU協(xié)議，又由于每個(gè)股道上接入的從站較多，綜合考慮，文中采用S7-200（股道管理控制器）、S7-300（股道監(jiān)控設(shè)備）、EM277（S7-200與S7-300的通信設(shè)備）相結(jié)合構(gòu)成股道管理機(jī)的方案。其中S7-200系列PLC（型號(hào)為CPU 226CN AC/DC/RLY）作為與各從站之間的數(shù)據(jù)收發(fā)設(shè)備，在S7-200系列PLC中，相對(duì)于其他型號(hào)其處理能力較強(qiáng)，它帶2個(gè)RS-485接口，符合國(guó)際上通用的Modbus-RTU協(xié)議[7]。又因?yàn)槊總€(gè)股道上接入的從站較多，直接采用CPU 226作為主站，上水系統(tǒng)會(huì)有很大的延時(shí)，故采用S7-300系列PLC（型號(hào)為CPU315-2PN/DP）對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過Profinet接口與監(jiān)控電腦通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)從站狀態(tài)的監(jiān)控。CPU 226 和CPU315之間通過EM277進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其最高通信速率可以達(dá)到12 Mbps。因此，作為控制核心的股道管理機(jī)由S7-300、S7-200、EM277組成，在滿足系統(tǒng)的控制要求的前提下，很好地控制了整個(gè)系統(tǒng)的成本。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 上水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

每個(gè)上水系統(tǒng)根據(jù)車站規(guī)模，自由配置股道數(shù)量，由于篇幅所限，文中只將第二股道的組成列出。

1.2 遙控器與接收板設(shè)計(jì)與選型

遙控器和接收板均采用MSP430F149作為主控制芯片，該芯片是TI公司生產(chǎn)的新型信號(hào)處理器，采用3.3 V電源，集成了60K Flash ROM和2K RAM，共有6組I/O口，完全能滿足遙控器和接收板的設(shè)計(jì)需要。MSP430F149常被用作移動(dòng)設(shè)備的控制芯片，其主要優(yōu)勢(shì)是節(jié)能。MSP430單片機(jī)共有5種節(jié)能工作模式（LPM0～LPM4）和1種正常工作模式（AM模式），芯片通過設(shè)置狀態(tài)寄存器SR的低功耗控制位來(lái)切換工作模式，達(dá)到節(jié)能目的。其中，AM模式下，芯片電流為340μA；LPM1～LPM3模式下的工作電流分別為70μA、17μA、2μA、0.1μA，LPM3模式是芯片能被喚醒的最低消耗模式[2]。本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)默認(rèn)工作于LPM3模式，當(dāng)遙控器有按鍵按下時(shí)，立刻切換至AM模式。這樣的設(shè)計(jì)方案大大減少了遙控器電能的消耗[8]。

無(wú)線通信采用SI4432模塊實(shí)現(xiàn)。SI4432是由SILICON公司生產(chǎn)的高性能無(wú)線通信模塊。它具有成本低、集成度高、外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。該模塊最大發(fā)射功率可達(dá)+20 dBm，靈敏度為-116 dBm。當(dāng)SI4432模塊發(fā)射功率為+20 dBm時(shí)，模塊工作電流為80 mA[8]。因?yàn)樵撃K接收數(shù)據(jù)時(shí)的電流為18.5 mA，是空閑等待狀態(tài)（Idle status）下電流的41倍，由于遙控器只有在發(fā)送數(shù)據(jù)給接收板以后，才需要接收一次返回?cái)?shù)據(jù)。因此，將遙控器的SI4432模塊設(shè)置為空閑等待狀態(tài)，當(dāng)遙控器需要發(fā)出接收指令時(shí)，才將SI4432轉(zhuǎn)換為接收/發(fā)送狀態(tài)，這樣的控制方案最大限度的減少了電能的消耗[9-10]。

考慮到部分上水工人年齡較大，遙控器只設(shè)置了8個(gè)按鍵和一個(gè)電源開關(guān)，按鍵分別定義為“設(shè)定”、“+”、“-”、“開水”、“關(guān)水”、“查詢”、“總?！薄ⅰ霸O(shè)定”。通過按下“設(shè)定”按鍵可以設(shè)置被遙控的股道號(hào)、上水栓號(hào)和定時(shí)上水的時(shí)間，操作簡(jiǎn)便?？偼０粹o是為了應(yīng)對(duì)緊急情況設(shè)定的：如果列車準(zhǔn)備開動(dòng)，而上水栓仍在加水，上水工人可以按下總停鍵，將本股道的上水栓全部停掉，避免事故的發(fā)生。

本設(shè)計(jì)中，采用ADM2587E將RS485總線上的信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能識(shí)別的TTL信號(hào)。該芯片是由ADI公司生產(chǎn)的隔離型RS485收發(fā)器，集成DC-DC隔離電源，最大隔離電壓可達(dá)2 500 V，外圍電路僅需要4個(gè)匹配電容和2個(gè)匹配電阻，省去了復(fù)雜的光耦隔離電路，可靠性和集成度非常高。ADM2587E和SI4432模塊與單片機(jī)的連接如圖2所示。

圖2 ADM2587E和SI4432模塊與單片機(jī)的連接

2 通信協(xié)議與通信原理

股道管理機(jī)通過接收來(lái)自遙控器的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)上水栓的控制，每個(gè)股道只放置一個(gè)遙控接收板。由于每2個(gè)上水栓之間相距25 m，要保證上水工人在所有上水栓處都能正常遙控上水，將接收板放在15號(hào)上水栓出，可大大提高通信的可靠性，遙控器與接收板之間的可靠通信距離至少應(yīng)保證400 m。考慮到火車站電磁干擾較大，遙控器與接收板各配有一個(gè)SI4432無(wú)線通信模塊，為降低丟包率，保證通信的可靠性，本設(shè)計(jì)該模塊載波頻率置為433 MHz，波特率9 600。同時(shí)，將發(fā)送功率設(shè)置為+20 dBm。在該配置下，理論最遠(yuǎn)通信距離可以達(dá)到1 200 m，完全能滿足設(shè)計(jì)需要。

接收板與股道管理機(jī)之間通過485雙絞線進(jìn)行通信，485總線通信方式在工業(yè)控制中很常用，是一種簡(jiǎn)單、可靠、成熟的工業(yè)總線結(jié)構(gòu)。每個(gè)股道中，有40個(gè)左右的從站，股道管理機(jī)與最遠(yuǎn)處從站的距離可能達(dá)到700 m以上。從通信距離、從站個(gè)數(shù)等方面綜合考慮，采用485通信方式最為合適。

圖3 遙控器、接收板的組成

在一個(gè)單獨(dú)的股道中，股道管理機(jī)作為485通信的主站，負(fù)責(zé)485總線的管理和使用。由于485總線屬于半雙工總線，從站與主站均并連在總線上，任何一個(gè)站發(fā)出的信號(hào)總線上的所有站均能接收到。所以，485通信協(xié)議規(guī)定同一時(shí)刻只能有一個(gè)站發(fā)送信息。為了保證485通信線的正常使用，所有的命令均只能以股道管理機(jī)查詢或?qū)懭?，從站響?yīng)的形式進(jìn)行通信。

系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)上電后會(huì)自行組網(wǎng)，當(dāng)向網(wǎng)絡(luò)接入新節(jié)點(diǎn)或移除某個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)系統(tǒng)會(huì)重新組網(wǎng)，且不會(huì)對(duì)系統(tǒng)通信產(chǎn)生毀壞性影響[6,8]。

SI4432模塊使用的是EZMacPro通信協(xié)議，使用前需要進(jìn)行配置，將前導(dǎo)碼、同步字、包頭等配置好。配置好以后，該模塊在每次發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)自動(dòng)加上前導(dǎo)碼、同步字等部分；在接收數(shù)據(jù)時(shí)，也會(huì)自動(dòng)將接收到的數(shù)據(jù)去掉前導(dǎo)碼、同步字等，只將凈荷部分傳送給MSP430。遙控器與接收板之間的通信包的結(jié)構(gòu)如表1所示[8]。

表1 遙控器與接收板之間的數(shù)據(jù)格式

其中前導(dǎo)碼是一串1、0相間隔的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是8的倍數(shù)位，這里采用8×6位的前導(dǎo)碼。前導(dǎo)碼可以確定收發(fā)設(shè)備的接收和發(fā)送時(shí)間。接收模塊一旦檢測(cè)到了與設(shè)置相同的同步碼，就開始接收數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)中凈荷只有6個(gè)字節(jié)。最后的2個(gè)字節(jié)的CRC校驗(yàn)是模塊自動(dòng)加上的，減輕了處理器的負(fù)擔(dān)。

S7-200系列PLC采用的MODBUS RTU協(xié)議，本設(shè)計(jì)只使用該協(xié)議有2種格式：查詢指令和寫入指令，它們的命令字為03H和10H[7]，格式分別為表2、3所示。

表2 股道管理機(jī)向從站發(fā)出的查詢指令格式

表3 接收板收到股道管理機(jī)的查詢指令后的返回?cái)?shù)據(jù)格式

上水工人會(huì)不定期查詢兩端的水壓與流量值，在遙控器發(fā)出查詢命令后，股道管理機(jī)需要向遙控器接收板寫入數(shù)據(jù)。此時(shí)，需要用到10H指令。其格式如表4所示。

表4 股道管理機(jī)向遙控器接收板發(fā)出的寫入指令

遙控器發(fā)出的指令具有隨機(jī)性，接收板在任意時(shí)刻都可能接收到遙控器發(fā)出的指令。本設(shè)計(jì)將接收板設(shè)置為接收模式，以便及時(shí)響應(yīng)遙控器發(fā)出的指令。

股道管理機(jī)需要實(shí)時(shí)獲取各個(gè)從站的狀態(tài)值，主站一直處于查詢各從站狀態(tài)的工況中，每間隔500 ms，它通過RS485總線查詢一個(gè)從站的狀態(tài)。為了能讓上水栓及時(shí)執(zhí)行遙控器發(fā)出的指令，每查詢一個(gè)上水栓的狀態(tài)值，均查詢一次遙控器接收板的狀態(tài)。

3 軟件流程

由于遙控器采用電池供電，需要考慮到節(jié)能、人機(jī)交互等需要，程序較為復(fù)雜。本設(shè)計(jì)中，MSP430單片機(jī)一般工作在LPM3模式下，只有在按鍵按下時(shí)，才被喚醒；SI4432模塊初始化以后，處于Idle模式，只有在發(fā)送與接收時(shí)才臨時(shí)改變狀態(tài)；由于采用了5506光敏電阻對(duì)背光進(jìn)行控制，大大降低了遙控器的充電頻率。

遙控器接收板采用MSP430與SI4432搭配的方式，將SI4432設(shè)置為接收模式。在接收485總線上的數(shù)據(jù)時(shí)，如果在前一個(gè)幀接收完以后，延時(shí)3.125 ms（3個(gè)字節(jié)接收時(shí)間）仍未接收到數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)認(rèn)為指令接收完畢，處理指令。

遙控器與接收板的軟件流程圖分別如圖4、5。

圖4 遙控器軟件流程

圖5 接收板軟件流程

4 測(cè)試結(jié)果及分析

依據(jù)上文的設(shè)計(jì)方案，制作了1套遙控模塊，并與股道管理機(jī)進(jìn)行了聯(lián)機(jī)調(diào)試。分別對(duì)無(wú)線遙控距離在400、500 m進(jìn)行了測(cè)試，接收板放置于15號(hào)上水栓的箱體內(nèi)，它與股道管理機(jī)距離為350 m，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5。

表5 遙控器與接收板通信實(shí)驗(yàn)結(jié)果

遙控器與接收板距離400 m時(shí)，丟包率能保持在1.5%左右，在500 m時(shí)，丟包率約為3.5%，能夠滿足控制要求。本測(cè)試在廣西某火車站進(jìn)行，由于火車站暫未運(yùn)營(yíng)，并且環(huán)境條件良好，丟包率較低。丟包主要發(fā)生在遙控器與接收板之間有障礙物阻隔的情況下，在實(shí)際使用過程中，遙控器與接收板之間一般不存在障礙物，能保證無(wú)線通信的可靠性。

實(shí)驗(yàn)中，通過串口調(diào)試軟件對(duì)接收板與股道管理機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢測(cè)，接收板在接收到遙控器的信號(hào)以后，股道管理機(jī)均能掃描到接收板的遙控指令，丟包率為0，保證了遙控器指令的可靠執(zhí)行。實(shí)物連接圖如圖6所示.

圖6 遙控模塊與股道管理機(jī)的連接

5 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了一套基于西門子PLC的火車站上水控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制模塊。該模塊采用SI4432與MSP430搭配，作為遙控器和遙控器接收板，能夠與股道管理機(jī)可靠通信；系統(tǒng)采用西門子PLC通過一路485總線控制從站，大大簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)布線，在保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行的前提下，既節(jié)約了成本，又降低了系統(tǒng)的維護(hù)難度。目前，該系統(tǒng)已在廣西某火車站成功運(yùn)行，股道管理機(jī)采用PLC進(jìn)行控制，可靠性非常高。

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Remote control module design of the train intelligent water supply system

LIU Liangbin, WU Xinkai, PU Zhenhua, TAN Xiaocheng

College of Information & Electrical Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China

In view of the characteristics of various controlled objects, remote control distance and high real-time requirement of the train water supply system, this paper designs a train intelligent water supply system, which is composed of MSP430F149 MCU and SI4432 wireless communication module. This system adopts the EZMAC PRO protocol to achieve wireless communication. Wireless receiving part communicates with track management machine (PC) through the RS485 bus. It is verified by test that the system can monitor and control the stock road, and also the system has the characteristics of high reliability, low latency and low cost.

train water supply system; MSP430F149 MCU; remote control system; energy saving

TN876.3

A

1009-671X（2014）01-0035-04

10.3969/j.issn.1009-671X.201309008

2013-09-08.

湖南科技大學(xué)科技項(xiàng)目（D11302）.

劉良斌（1988-），男，碩士；吳新開（1956-），男，教授.

劉良斌, E-mail: liuliangbin@126.com.