王 磊 劉 正 閻 莉 沈 潔 黃鳳辰 李臣明

（1.中國中車浦鎮(zhèn)車輛有限公司，210031，南京；2.河海大學計算機信息學院，211100，南京∥第一作者，工程師）

現(xiàn)有地鐵車輛主要采用車載控制與管理裝置進行故障監(jiān)測，列車維護時主要是基于車輛存儲的故障數據進行分析和診斷。近年來，為了提高對車輛故障診斷的實時性，采用遠程在線診斷方式成為一個重要的發(fā)展方向。

目前無線數據傳輸技術主要有GSM（全球移動通信）、GPRS（通用分組無線服務技術）、CDMA（碼分多址）2000、TD－SCDMA 等。與其他技術相比，CDMA2000有非常大的優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在以下各方面［5］：頻率規(guī)劃簡單，覆蓋半徑大，覆蓋相同區(qū)域所需基站數目更少。另外，CDMA2000網絡在室內覆蓋和高速移動中能保持穩(wěn)定通信，更適合地鐵車輛通信的要求。因此本文選擇CDMA2000網絡，通過其分組數據業(yè)務完成與地面之間的信息傳輸。

本文設計了針對運行中地鐵車輛狀態(tài)記錄數據進行實時無線傳輸方案，將地鐵車輛設備實時信息（如車門系統(tǒng)、空調系統(tǒng)的狀態(tài)信息及事件信息等）通過CDMA2000網絡發(fā)送至地面，地面將對這些信息進行分析，診斷列車故障，并向列車終端發(fā)送操作信息或其他指令信息，指導司控人員對列車進行操作和維護，保障行車安全，為地鐵車輛維護工作提供支持。

1 系統(tǒng)總體介紹

基于CDMA的地鐵車輛維護用車載無線通信系統(tǒng)，主要由車載設備、CDMA2000網絡、地面監(jiān)控中心三部分構成。系統(tǒng)將車載設備的狀態(tài)信息等按照實時性、優(yōu)先級等要求通過CDMA2000網絡發(fā)送至地面接收單元進行處理，可提高實時信息的發(fā)送速率；同時，接收地面發(fā)來指令信息并在車輛終端設備顯示［6］。車載無線通信系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

圖1 車載無線通信系統(tǒng)圖

2 數據幀格式

車載數據種類多，信息量大［5］，主要包括實時故障數據、實時運行數據、實時故障通報數據、非實時運用數據、自診斷與日志數據等［8］。

基于CDMA 的地鐵車輛維護用車載無線通信系統(tǒng)發(fā)送數據至地面時所使用的數據幀格式如圖2所示。

圖2 車載信息數據幀格式

（1）電路板序列號32位。用硬件實現(xiàn)標識每一個電路板的標簽，標簽上有唯一的序列號。根據數據中的序列號和對應關系可以判斷接收數據的來源（城市、線號、車號等）。

（2）幀種類2位?！?0”為車輛信息，“01”為地面請求信息反饋信息。

（3）總線上的車輛報文32－272位。該報文為從車輛總線上采集的每一個報文數據。

（4）優(yōu)先級4位。根據TCMS（列車控制管理系統(tǒng)）的周期掃描表［9］，可針對不同重要性的報文確定不同的優(yōu)先級，針對不同優(yōu)先級的數據采用不同的處理方式。

（5）時間標記27位。為了地面可以按時間處理報文或事件，發(fā)送每一個報文數據必須給定時間標記。時間標記包括 h（5位）、min（6 位）、s（6 位）和 ms（10位）。

基于CDMA 的地鐵車輛維護用車載無線通信系統(tǒng)發(fā)送數據至地面時所使用的數據幀格式如圖3所示。

圖3 地面信息數據幀格式

（1）幀種類2位?！?0”為地面指令信息，“11”為地面請求信息。

（2）報文12位。該報文為地面指令信息和地面請求端口號信息。

1825年，世界上第一條鐵路應運而生，時隔85年后的1910年滇越鐵路滇段正式通車運營，讓云南與世界聯(lián)通，成為我國最早擁有鐵路的地區(qū)之一。

（3）優(yōu)先級4位?？舍槍Σ煌匾缘膱笪拇_定不同的優(yōu)先級，針對不同優(yōu)先級的數據采用不同的處理方式。

（4）時間標記27位。時間標記包括h（5位）、min（6位）、s（6位）和 ms（10位）。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 系統(tǒng)框圖

圖4是基于CDMA 的地鐵車輛維護用車載無線通信系統(tǒng)的原理框圖?？偩€控制器模塊主要負責從地鐵車輛總線上采集數據并對數據進行監(jiān)控，若某些數據發(fā)生異常，通過SPI（中行外設接口）［10］與主處理器進行主從通信，立即將異常數據發(fā)送至地面控制中心。平板電腦的主要功能包括兩部分：一是存儲車輛的故障信息，方便車輛的維護和保養(yǎng)；二是作為人機交互模塊主要用來顯示地面指令信息，供駕駛員進行操作。主處理器作為中央處理單元，控制整個系統(tǒng)。接口轉換模塊將SPI接口轉換成UART（通用異步傳輸器）接口，為主處理器與CDMA 模塊之間建立通信通道。CDMA 模塊為車地間數據通信提供無線網絡，將車輛的實時運行狀態(tài)發(fā)送至地面處理中心，并可接收來自地面的指令信息。

圖4 系統(tǒng)原理框圖

3.2 電路設計

圖5是控制器接口電路原理圖。本文選用Atmel公司生產的 ATxmega384C3 型號 AVR 微處理器ATxmega384C3－AU控制實時信息發(fā)送與接收模塊，該型號的微處理器具有性能好、功耗低、外圍豐富等特點，在一個時鐘周期內，CPU 吞吐量可到達1 000 000 MIPS，并允許優(yōu)化功耗和處理速度。由于微處理器部分接口為SPI接口，而CDMA 模塊是UART接口，因此，微處理器ATxmega384C3 通過接口轉換芯片XR20M1170G24 與 CDMA 模 塊 進 行 通 信，XR20M1170G24將SPI接口轉換成UART接口。

CDMA 模塊采用華為技術有限公司提供的HUAWEIMC703 芯片，該芯片支持 CDMA 800／1900頻段；支持天線分集接收；支持GPS（全球定位系統(tǒng)）；支持語音、短信、數據等業(yè)務；提供豐富的用戶信號接口；支持標準AT（自耦變壓器）指令集和HUAWEI擴展AT 指令集；符合RoHS環(huán)保認證要求。

圖5 控制器接口電路原理圖

微控制器ATXMEGA384C3－AU 一方面將已采集到的車輛信息根據優(yōu)先級、實時性等要求，發(fā)送至接口轉換芯片XR20M11701G24，接口轉換芯片再通過UART 接口將數據發(fā)送至CDMA 芯片HUAWEIMC703，CDMA 芯片再將數據發(fā)送至公共移動網絡，以實現(xiàn)將實時性強且優(yōu)先級高的數據發(fā)送出去。另一方面，CDMA 芯片接收來自公共移動網絡的數據，并發(fā)送到接口轉換芯片，接口轉換芯片再將數據發(fā)送至微控制器處理。

由于車載無線通信系統(tǒng)硬件電路中各個芯片的額定電源電壓不同，故電源電路采用電壓轉換芯片。如圖6所示，首先將交流電通過USB 接口供電，經過濾波后由電壓轉換芯片MAX1837EUT33－T 將電壓降至3.3 V（VCC－1）為微控制器和接口轉換芯片供電。另外，由電壓轉換芯片MAX1745EUB將電壓降至3.8 V（VCC－2），為CDMA 模塊供電。

圖6 車載無線通信系統(tǒng)硬件電源電路圖

4 數據發(fā)送與接收流程

圖7是車載無線通信系統(tǒng)數據發(fā)送流程圖。

圖7 車載無線通信系統(tǒng)數據發(fā)送流程圖

具體步驟如下：

（1）獲取待發(fā)送的車載信息。

（2）輪詢車載信息，按照數據優(yōu)先級、實時性排列，存入暫存隊列。車輛總線上的某些信息會嚴重威脅行車安全（如火警信息），必須優(yōu)先發(fā)送至地面，所以設置信息高優(yōu)先級。系統(tǒng)對具有高優(yōu)先級的數據按照其優(yōu)先級的大小進行暫存，其中，具有相同優(yōu)先級的數據，按照實時性進行排列，發(fā)送數據時，優(yōu)先級高且實時性好的數據優(yōu)先通過CDMA2000網絡發(fā)送至地面接收單元。

（3）使用CDMA2000網絡發(fā)送數據。

（4）判斷數據發(fā)送是否完成。若未完成，則繼續(xù)發(fā)送至完成；若發(fā)送完成，則轉步驟（5）。

（5）判斷暫存隊列中是否還有數據需要發(fā)送。若有數據需要發(fā)送，則返回步驟（2），再次輪詢車載信息；若無數據需要發(fā)送，則返回步驟（1）。

車載無線通信系統(tǒng)數據接收流程圖如圖8所示，具體步驟如下：

（1）判斷是否有來自地面的信息需要接收。

（2）使用CDMA2000網絡接收數據。

（3）判斷數據接收是否完成。若未完成，則繼續(xù)接收數據至完成；若完成，則轉步驟（4）。

圖8 車載無線通信系統(tǒng)數據流程圖

（4）判斷接收的數據是否是地面指令信息。若是，則在車輛終端平板電腦上進行顯示，供駕駛員進行操作；若不是，則說明為地面請求信息，轉步驟（5）。

（5）按照信息的優(yōu)先級進行排列，發(fā)送至總線控制模塊進行處理。

5 試驗

為驗證車載無線通信系統(tǒng)的性能，在機車終端設備與地面系統(tǒng)之間進行數據收發(fā)測試試驗。首先，機車終端設備發(fā)送數據至通信板，通信板連接工程中心的數據庫存儲，再通過工程中心轉發(fā)數據至地面系統(tǒng)，形成車地通信系統(tǒng)數據收發(fā)的一個整體過程。測試過程中，發(fā)送一定數量的數據包，通過多次長時間的通信測試得到的測試結果，如表1所示。

表1 車載通信系統(tǒng)丟包率與時延

由表1 可知，基于CDMA 的車載無線通信系統(tǒng)的通信時延是相當小的，且丟包率為0，體現(xiàn)了該通信系統(tǒng)在實時性、準確性方面的優(yōu)勢。

6 結語

本文設計了一種基于CDMA 的地鐵車輛維護用車載無線通信系統(tǒng)。本系統(tǒng)一方面可將采集到的機車運行時的故障和狀態(tài)信息，按照優(yōu)先級、實時性等要求及時可靠地發(fā)送至地面進行分析處理；另一方面，可接收來自地面的指令信息及其他信息，并將指令信息在車輛智能終端顯示，以供駕駛員進行相應操作。通過測試試驗，體現(xiàn)了本系統(tǒng)在實時性和準確率方面的性能?；贑DMA 的車載無線通信系統(tǒng)有助于提高車地通信的可靠性，提高地鐵車輛維護工作的效率，保障行車安全。

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