史利強(qiáng)，郭秀清（同濟(jì)大學(xué)　控制科學(xué)與工程系，上海 201804）

城市軌道交通乘客信息系統(tǒng)中信號(hào)處理單元設(shè)計(jì)*

史利強(qiáng)，郭秀清
（同濟(jì)大學(xué)控制科學(xué)與工程系，上海 201804）

城市軌道交通乘客信息系統(tǒng)中信號(hào)處理單元的設(shè)計(jì)主要是為了解決 PIS（Passenger Information System）系統(tǒng)與列車(chē)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的通信問(wèn)題，以及 PIS系統(tǒng)中不同模塊之間通信問(wèn)題，在PIS系統(tǒng)中具有關(guān)鍵作用，并具有重要的研究?jī)r(jià)值。選取AVR單片機(jī)作為主控芯片，針對(duì)信號(hào)處理單元所要實(shí)現(xiàn)的功能，提出了針對(duì)RS485串行接口通信及并行接口通信的解決方案，并且實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理功能及對(duì)其他模塊的信號(hào)控制。

乘客信息系統(tǒng)（PIS）；AVR；USART；RS485

0　引言

本文研究背景選自上海軌道交通9號(hào)線車(chē)輛乘客信息系統(tǒng)（Passenger Information System，PIS）［1］國(guó)產(chǎn)化項(xiàng)目。PIS系統(tǒng)在城市軌道交通中為乘客提供語(yǔ)音和文字等列車(chē)廣播信息，對(duì)于列車(chē)運(yùn)營(yíng)和服務(wù)起很重要作用［2］。實(shí)現(xiàn)PIS系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化對(duì)于地鐵線路提高運(yùn)營(yíng)服務(wù)質(zhì)量、降低設(shè)備維護(hù)成本也具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，上海地鐵9號(hào)線的車(chē)輛采用國(guó)外某公司的列車(chē)控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱 MITRAC［3］，它由分散布置的輸入/輸出單元、高性能的計(jì)算機(jī)、相應(yīng)的控制和診斷軟件以及統(tǒng)一的通信設(shè)施組成。本文針對(duì)國(guó)產(chǎn)化PIS系統(tǒng)項(xiàng)目中信號(hào)處理單元進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，首先對(duì)MITRAC發(fā)給PIS系統(tǒng)的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，然后設(shè)計(jì)信號(hào)處理單元，實(shí)現(xiàn)PIS系統(tǒng)與列車(chē)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)MITRAC之間的通信，并且對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)其他模塊的通信和信號(hào)控制。

1　信號(hào)處理單元功能介紹

列車(chē)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)MITRAC發(fā)送給 PIS系統(tǒng)的信號(hào)，由司機(jī)室激活信號(hào)、自動(dòng)廣播/可視信息激活信號(hào)、站臺(tái)碼以及車(chē)輛編碼等信息組成［4］。其中站臺(tái)碼是一個(gè) 16位的無(wú)符號(hào)整型數(shù)，具有唯一性，用于觸發(fā)播放相應(yīng)的語(yǔ)音廣播信息和列車(chē)客室內(nèi)LED文字信息。信號(hào)處理單元需要實(shí)現(xiàn)MITRAC與PIS系統(tǒng)之間的有效通信，并且處理相應(yīng)的信號(hào)數(shù)據(jù)，提取出站臺(tái)碼，并把站臺(tái)碼作為控制信號(hào)發(fā)送給其他控制單元。

MITRAC與PIS的通信接口為 RS485接口，信號(hào)處理單元需要設(shè)計(jì)與 RS485接口相匹配的接口來(lái)實(shí)現(xiàn)與MITRAC的通信［5-6］。MITRAC使用列車(chē)控制專用通信協(xié)議WELNET，數(shù)據(jù)傳輸速度為 19 200 b/s，數(shù)據(jù)形式為8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位、無(wú)奇偶校驗(yàn)［7］。MITRAC發(fā)送給PIS系統(tǒng)的實(shí)際信號(hào)數(shù)據(jù)由本文設(shè)計(jì)的專用數(shù)據(jù)采集工具采集分析獲得。

如圖1所示，信號(hào)處理單元的功能如下：

（1）通過(guò)RS485接口實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理單元與MITRAC之間的通信，信號(hào)處理單元從MITRAC接收的數(shù)據(jù)中提取出站臺(tái)碼；

（2）信號(hào)處理單元以并口的信號(hào)形式把站臺(tái)碼發(fā)給數(shù)字語(yǔ)音報(bào)站器 DIAS［8-9］，控制播放相應(yīng)音頻信息；

（3）通過(guò)RS485接口信號(hào)處理單元把站臺(tái)碼發(fā)送至列車(chē)客室LED顯示控制器，控制顯示相應(yīng)文字信息。

圖1　信號(hào)處理板功能結(jié)構(gòu)圖

下面以上海地鐵9號(hào)線楊高中路站→佘山站這個(gè)運(yùn)營(yíng)區(qū)間為例，對(duì)MITRAC發(fā)送給PIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)播報(bào)下一站是世紀(jì)大道站時(shí)，MITRAC發(fā)送的數(shù)據(jù)信息如圖2所示，數(shù)據(jù)以16進(jìn)制編碼顯示。

當(dāng)MITRAC發(fā)送給PIS系統(tǒng)發(fā)送列車(chē)廣播控制信息時(shí)，圖2中第一行陰影部分編碼值從十六進(jìn)制數(shù)0X0000變成第二行數(shù)據(jù) 0X01B3，其中 0X01B3是世紀(jì)大道站的站臺(tái)碼，十進(jìn)制數(shù)為 435，此站臺(tái)碼作為控制相應(yīng)音頻信息和LED顯示信息的信號(hào)，在播放世紀(jì)大道相應(yīng)音頻和文字信息時(shí)站臺(tái)碼值始終保持不變，當(dāng)接收到下一站的站臺(tái)碼時(shí)，相應(yīng)的音頻信息和LED顯示信息也隨之改變。

2　信號(hào)處理單元硬件設(shè)計(jì)

首先為信號(hào)處理板設(shè)計(jì)相應(yīng)的硬件接口實(shí)現(xiàn)硬件連接，其中包括兩個(gè)RS485接口和一個(gè)多路的并行接口。2.1主控電路設(shè)計(jì)

本文采用的主控芯片ATmega128是ATMEL公司的一款高性能、低功耗的AVR 8位微處理器，具有128 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash，4 KB的 EEPROM，4 KB的內(nèi)部SRAM，具有兩個(gè)可編程的同步和異步串行接收器和轉(zhuǎn)發(fā)器USART，即USART0和USART1。其中，USART是一個(gè)高度靈活的串行通信設(shè)備，能夠全雙工操作，具有獨(dú)立的串行接收和發(fā)送寄存器。

ATmega128單片機(jī)能夠滿足設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)中采用11.059 2 MHz的晶振，并且選取一個(gè) 8位 32 KB芯片61C256作為 SRAM擴(kuò)展以提高數(shù)據(jù)處理性能。其中USART0用于ATmega128單片機(jī)和MITRAC的RS485接口通信，USART1用于ATmega128單片機(jī)和LED顯示器的RS485接口通信，端口PORTC、PORTF用于ATmega128和數(shù)字語(yǔ)音報(bào)站器DIAS的并口通信。

2.2USART接口設(shè)計(jì)

本文采用芯片MAX491和MAX232分別實(shí)現(xiàn)RS485接口通信和RS232接口通信。

MAX491是用于 RS485/422通信［10］的低功耗全雙工收發(fā)器，具有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器。MAX491可以實(shí)現(xiàn)最高2.5 Mb/s的傳輸速率。

當(dāng)ATmega128單片機(jī)與RS485接口通信時(shí)，采用光電隔離的方法予以實(shí)現(xiàn)，提高系統(tǒng)抗信號(hào)干擾能力，保障數(shù)據(jù)完整無(wú)誤地傳輸［11］。在 RS485接口電路的設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)串行通信的波特率選擇不同的光電耦合器。光電耦合器的傳輸速率必須大于通信的波特率，且光電耦合器的傳輸速率越高，通信的波特率就越高。本文選取的光電耦合器TLP521最高能達(dá)到38 400 b/s的傳輸速度，滿足設(shè)計(jì)要求。

MAX232為EIA/TIA-232E通信接口設(shè)計(jì)，本文采用MAX232芯片用于RS232接口電路，實(shí)現(xiàn)USART串口與PC的通信，方便調(diào)試和數(shù)據(jù)監(jiān)控。

本文所設(shè)計(jì)的USART接口電路原理圖如圖3所示。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，RS485和RS232接口可以實(shí)現(xiàn)同步數(shù)據(jù)接收；在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，采用跳線的設(shè)計(jì)來(lái)控制 RS485或RS232向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.3并口信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

并口信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路主要實(shí)現(xiàn)從單片機(jī)端口的信號(hào)到并口輸出端的信號(hào)轉(zhuǎn)化，站臺(tái)碼以并口信號(hào)形式發(fā)送到數(shù)字語(yǔ)音報(bào)站器DIAS。同時(shí)也采用光電耦合器TLP521實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離和電壓轉(zhuǎn)化，把單片機(jī)側(cè)3.3 V輸出電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成并口輸出端的24 V電壓信號(hào)。并口信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路其中一路的原理圖如圖4所示。

圖2　楊高中路站→佘山站,下一站是世紀(jì)大道站時(shí)MITRAC發(fā)的數(shù)據(jù)信息

3　信號(hào)處理單元軟件設(shè)計(jì)

ATmega128通過(guò)RS485接口接收MITRAC發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，提取出 16 bit的無(wú)符號(hào)數(shù)站臺(tái)碼，用于對(duì)列車(chē)客室內(nèi)LED顯示器顯示信息和數(shù)字語(yǔ)音報(bào)站器DIAS的信號(hào)控制，顯示相應(yīng)報(bào)站文字信息以及廣播語(yǔ)音報(bào)站信息。信號(hào)處理單元軟件設(shè)計(jì)的流程圖如圖5中所示。

3.1USART串口程序設(shè)計(jì)

首先要對(duì)USART進(jìn)行初始化，包括波特率和幀結(jié)構(gòu)的設(shè)定，以及根據(jù)需要使能接收器或發(fā)送器。USART有三個(gè)獨(dú)立的中斷：發(fā)送結(jié)束中斷、發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器空中斷以及接收結(jié)束中斷。對(duì)于中斷驅(qū)動(dòng)的USART操作，在初始化時(shí)首先要清零全局中斷標(biāo)志位。

USART收發(fā)數(shù)據(jù)，若是采用輪循（Polling）方式，高速AVR單片機(jī)的效率將會(huì)很低。為了解決低速串口與高速AVR單片機(jī)之間的矛盾，本文中ATmega128串口控制程序采用中斷的方式并且設(shè)計(jì)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器來(lái)提高ATmega128的效率。

圖3　USART接口電路原理圖

圖4　并口驅(qū)動(dòng)電路

圖5　軟件設(shè)計(jì)流程圖

數(shù)據(jù)緩沖器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為循環(huán)隊(duì)列，它由讀、寫(xiě)及一個(gè)隊(duì)列計(jì)數(shù)器3個(gè)指針控制，用于判斷當(dāng)前寫(xiě)入數(shù)據(jù)、讀出數(shù)據(jù)在隊(duì)列中的位置，并判斷隊(duì)列是否為空和是否已滿。

3.2并口程序設(shè)計(jì)

并口控制程序主要是為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)發(fā)送控制命令給數(shù)字語(yǔ)音報(bào)站器DIAS，在單片機(jī)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)所要發(fā)送的數(shù)據(jù)把相應(yīng)信號(hào)端口置位即可，控制音頻信息播放。

4　結(jié)論

本文經(jīng)過(guò)對(duì)前期采集數(shù)據(jù)的分析工作，針對(duì)乘客信息系統(tǒng)中信號(hào)處理單元所要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，并且完成相應(yīng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了通信和數(shù)據(jù)處理功能。經(jīng)過(guò)實(shí)際電路的測(cè)試和檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能。信號(hào)處理單元的設(shè)計(jì)在整個(gè)乘客信息系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化項(xiàng)目中處于極重要環(huán)節(jié)，為整個(gè)乘客信息系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)解決了關(guān)鍵的問(wèn)題，具有重要的研究?jī)r(jià)值和實(shí)用價(jià)值。本文所設(shè)計(jì)的信號(hào)處理單元不僅僅是解決了上海地鐵9號(hào)線PIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信問(wèn)題，所設(shè)計(jì)的電路和軟件解決的技術(shù)問(wèn)題具有通用價(jià)值和普遍意義。

［1］闞庭明.城市軌道交通乘客信息系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)探討［J］.鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009，18（1）：37-39.

［2］于孝安，孫同慶，汪曉臣，等.城市軌道交通乘客信息系統(tǒng)路網(wǎng)控制中心設(shè)計(jì)的研究 ［J］.鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2013，22（5）：55-57.

［3］IEC61375-1 Ed.2 2005，Electric railway equipment-train bus-part1：train communication network［S］.2005.

［4］長(zhǎng)春長(zhǎng)客-龐巴迪軌道車(chē)輛有限公司.上海9號(hào)線車(chē)輛PIS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)格書(shū)［Z］.2002：14-15.

［5］許燕萍，楊代華.RS485串行總線可靠性的研究［J］電子科技，2009，22（2）：8-10.

［6］姚發(fā)閃，陳志軍.基于AT89C52單片機(jī)的RS485-CAN智能轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)［J］微型機(jī)與應(yīng)用，2012，31（3）：34-36.

［7］耿立中，王鵬，馬騁，等.RS485高速數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ［J］清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，48 （8）：1311-1314.

［8］張恒旭，郭秀清，霍勇.基于ATmega128數(shù)字化報(bào)站器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)電一體化，2011，17（10）：66-70.

［9］張恒旭.地鐵列車(chē)報(bào)站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2012.

［10］Ni Haiyan，Hu Chao，Ma Changwang.Research on a 485-serial network architecture in intelligent uptown management［C］.Proceedings of 2006 IEEE Conference on MechatronicsandAutomation，Luoyang：IEEEPress，2006：400-405.

［11］黃俊杰，黃云峰.AVR單片機(jī)實(shí)現(xiàn)光電隔離 RS-422-485智能接口研究［J］鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2004，25 （1）：85-88.

The design of signal processing unit of the subway train passenger information system

Shi Liqiang，Guo Xiuqing
（Department of Control Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China）

The signal processing unit of the subway train passenger information system（PIS）is mainly used to solve the communication problems between different modules.It plays a vital role in PIS.Based on the research and design of the signal processing unit，the article proposes a solution for RS485 communication interface，realizes the function of data processing and the signal controlling between other different modules using AVR.

passenger information system（PIS）；AVR；USART；RS485

TP334

A

1674-7720（2015）02-0029-03

上海市科委“城市軌道交通自控關(guān)鍵設(shè)備國(guó)產(chǎn)化研究”（08102360028）.

（2014-08-25）

史利強(qiáng)（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向：軌道交通乘客信息系統(tǒng)。

郭秀清（1965-），女，副教授，主要研究方向：過(guò)程控制與計(jì)算機(jī)控制。