李曉陽

(河南思維信息技術(shù)有限公司,河南 鄭州 451200)

0 引言

當(dāng)線路坡度較大時,為保障列車的正常運行,鐵路系統(tǒng)多采用多機車編組運行的方式牽引列車,如采用前一后二“推挽方式”的編組,三車分別位于車列頭部和尾部,三車同步操縱保障列車運行安全。 特別是在多隧道區(qū)段,由于隧道反射、阻擋,造成基本的無線通話效率較低,可靠性不高。 本文提出一種基于低成本XBee 技術(shù)和數(shù)傳電臺進行雙模無線通信的重聯(lián)機車信息同步系統(tǒng)。 該系統(tǒng)利用XBee 和數(shù)傳電臺均進行信息的接收和發(fā)送。 此方式不僅能夠作為冗余方式使用,而且能夠提高數(shù)據(jù)源的實時性和安全性。 在隧道區(qū)域內(nèi)行駛時,由于隧道的特性嚴(yán)重影響了無線通信質(zhì)量,需要借助中繼電臺進行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)。 此時數(shù)傳電臺作為主要通信手段.在非隧道內(nèi)行駛時,XBee 覆蓋范圍大、承載數(shù)據(jù)容量大、可自主組網(wǎng)、傳輸速度快,不易被干擾,使重聯(lián)機車之間的傳輸數(shù)據(jù)會更加準(zhǔn)確實時[1]。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

如圖1 所示為一個整體重聯(lián)機車信息同步系統(tǒng)。 該系統(tǒng)主要由信息同步系統(tǒng)主機、顯示器、數(shù)傳電臺、采集模塊、XBee 無線通信模塊、通話模塊等組成,各部分的功能如下。

圖1 系統(tǒng)整體框架

(1)主機由電源插件、采集插件、數(shù)據(jù)處理插件、XBee 無線通信插件組成,主要完成機車運行監(jiān)控數(shù)據(jù)及微機牽引數(shù)據(jù)采集及處理,并將實時運行信息進行記錄,控制XBee 和數(shù)傳電臺向各重聯(lián)機車發(fā)送本機數(shù)據(jù)信息,同時接收其他重聯(lián)機車數(shù)據(jù)。

(2)顯示屏用來接收主機傳送的本機和重聯(lián)機車的實時操縱數(shù)據(jù),具備文字和語音提示功能,同時支持查詢主機的記錄數(shù)據(jù)、狀態(tài)等信息查詢。

(3)數(shù)傳電臺和XBee 無線通信插件用來實現(xiàn)編組車各機車間的無線數(shù)據(jù)傳輸及通話數(shù)據(jù)傳輸功能。

(4)采集模塊用來采集機車運行監(jiān)控系統(tǒng)和微機牽引系統(tǒng)相關(guān)操縱數(shù)據(jù)并傳輸給數(shù)據(jù)處理插件。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計

隧道的特性對無線通信影響較大,電臺之間直接傳遞數(shù)據(jù)信號較弱或無法傳遞信號。 當(dāng)系統(tǒng)主機判斷機車行駛到該隧道區(qū)域時,向數(shù)傳電臺發(fā)送切換頻點指令。 重聯(lián)機車各機車之間的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給隧道內(nèi)的中繼電臺,再由中繼電臺將信息傳輸?shù)杰嚵形膊繖C車的雙模無線通信系統(tǒng)。 同時,車列尾部兩臺機車距離很近,通過XBee 通信干擾很小,因此,可由其中一列機車數(shù)傳電臺向中繼電臺同時發(fā)送尾部兩臺機車的操縱數(shù)據(jù),減少電臺異頻頻段占用,提高無線通信效率。 系統(tǒng)通過無線數(shù)傳電臺+地面點中繼電臺+XBee 電臺的方式,實現(xiàn)了在多隧道山區(qū)前、后機車的無線通信互聯(lián)互通[2]。

機車數(shù)傳電臺采用450 MHz 電臺,XBee 無線通信采用900 MHz 通信頻段。 在非隧道區(qū)域行駛時,重聯(lián)機車的各機車通過各自的XBee 無線通信系統(tǒng)直接進行通信。 數(shù)傳電臺與主機之間通過RS422 接口通信[3]。 XBee 模塊與主機之間通過內(nèi)部RS485 總線進行通信。 機車行駛過程中本務(wù)機車數(shù)傳電臺與其他電臺采用輪詢模式進行通信。 本務(wù)機車XBee 節(jié)點與其他機車XBee 節(jié)點自組網(wǎng)形成傳輸網(wǎng)絡(luò)[4],同時進行數(shù)據(jù)收發(fā),并由主機主控單元進行處理后,通過數(shù)傳電臺發(fā)送給遠程電臺。 無線數(shù)據(jù)傳輸如圖2 所示。

圖2 無線數(shù)據(jù)傳輸

2.2 硬件設(shè)計

主機數(shù)據(jù)處理單元插件采用32-bit ARM Cortex-M4/M0 MCU LPC4537 為控制核心,核心自帶64K FRAM、 256 MB SDRAM、 512 MB NORFLASH, 采用集成隔離DC/DC 轉(zhuǎn)換器的信號和電源隔離CAN 收發(fā)器ADM3053 實現(xiàn)雙路隔離CAN 通信功能、提供以太網(wǎng)通信接口,采用5 kV rms隔離RS-485 收發(fā)器ADM2687 實現(xiàn)兩路預(yù)留485 通信功能。 主控插件功能如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理單元插件功能

系統(tǒng)中使用的數(shù)傳電臺為450 MHz無線數(shù)傳電臺WSLJ 型號,由調(diào)制解調(diào)器加上通信控制MCU、數(shù)據(jù)存儲及控制、輸入輸出電路、無線電臺、電源等組成。 該系統(tǒng)具有RS422 電平接口,提供透明的數(shù)據(jù)接口;具有接收和發(fā)射射頻信號,鑒頻和調(diào)頻能力,支持?jǐn)?shù)據(jù)信號輸入輸出;具有頻點選擇切換和發(fā)射功率、接收門限參數(shù)設(shè)置和查詢功能。

系統(tǒng)采用的XBee 模塊是一種小型但功能完善的無線模塊化ZigBee 嵌入式組件,支持雙向操作收發(fā),支持低成本低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工程。 模塊只需要很小的功率,就能完成遠程設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。 模塊運作900 MHz 頻段,適用于低數(shù)據(jù)速率的短距離通信應(yīng)用,尤其是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和應(yīng)用[5]。

XBee 模塊整合了RF 前端、內(nèi)存、SKY 功率放大器、EM250 無線收發(fā)器、低功耗高性能飛思卡爾S08核微控制器。 無線室外距離達到1 500 m; 發(fā)送及接收電流為215 mA 和55 mA,休眠時低于10 μA 的流耗。 AT/API 命令模式配置參數(shù),廣泛命令集,X-CTU(測試和配置)可供開發(fā)用。 如圖4 所示為XBee 模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖4 XBee 模塊內(nèi)部

XBee 模塊有發(fā)射和接收緩存,每個緩存提供100字節(jié)暫存,數(shù)據(jù)可從兩方面同時抵達。 發(fā)射數(shù)據(jù)來自UART,接收數(shù)據(jù)自RF 鏈路經(jīng)天線而來。 天線接收無線數(shù)據(jù)時,不能同時發(fā)射數(shù)據(jù),因此將發(fā)射數(shù)據(jù)暫存在發(fā)射緩存里,而接收數(shù)據(jù)堆放在接收緩存內(nèi)[6]。 只要RF 端數(shù)據(jù)流停止,XBee 將天線從接收切至發(fā)射,并將發(fā)射緩存內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送到大氣,同時UART 倒空接收緩存,把數(shù)據(jù)傳輸給應(yīng)用設(shè)備。

2.3 軟件設(shè)計

應(yīng)用程序開發(fā)是實現(xiàn)重聯(lián)機車信息同步系統(tǒng)DMI 顯示終端功能邏輯。 本系統(tǒng)的總體架構(gòu)由底層驅(qū)動和應(yīng)用層構(gòu)成,并按照對外接口的不同,將整個系統(tǒng)分為不同的功能模塊,軟件結(jié)構(gòu)框架如圖5所示。

圖5 軟件結(jié)構(gòu)框架

總體軟件結(jié)構(gòu)中各個模塊的功能概要描述如下。(1)內(nèi)部總線管理模塊:啟動內(nèi)部總線線程,接收平臺內(nèi)總線信息,監(jiān)視內(nèi)總線狀態(tài)和復(fù)位內(nèi)部總線,周期性發(fā)送自檢信息到內(nèi)部總線;采集列車實時運行狀態(tài)信息、微機牽引電流、牽引力和手柄級位信息。

(2)與人機DMI 界面通信管理模塊:監(jiān)視總線狀態(tài)和復(fù)位總線,響應(yīng)人機界面命令,組織發(fā)送列車實時運行狀態(tài)信息、無線數(shù)傳電臺通信狀態(tài)和發(fā)送信息提示命令。

(3)數(shù)傳電臺和XBee 電臺數(shù)據(jù)傳輸處理模塊:包括接收電臺數(shù)據(jù)處理的優(yōu)先級、數(shù)據(jù)接收邏輯判斷處理、輪詢模式及發(fā)送周期切換邏輯。

(4)更新管理模塊:包括線路報警信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)更新和數(shù)據(jù)處理插件軟件更新。

(5)驅(qū)動層模塊:驅(qū)動層提供初始化函數(shù)供應(yīng)用層調(diào)用,其中LED 驅(qū)動模塊初始化LED 的GPIO 口;RS422/485 管理模塊進行主從設(shè)置,與其他聯(lián)編電臺設(shè)備通信獲取機車實時信息和機車動態(tài)參數(shù);外CAN管理模塊與機車監(jiān)控系統(tǒng)進行信息交互,建立接收緩沖區(qū),使用中斷方式接收,并對優(yōu)先級進行過濾,將所需數(shù)據(jù)保存在緩沖區(qū)中。 內(nèi)CAN 管理模塊負責(zé)系統(tǒng)內(nèi)插件的信息交互,將組織好的數(shù)據(jù)通過CAN 總線,發(fā)送到系統(tǒng)內(nèi)總線,內(nèi)部總線管理程序流程如圖6所示。

圖6 內(nèi)部總線管理流程

數(shù)傳電臺和XBee 電臺數(shù)據(jù)傳輸先由人機設(shè)定信息確定相應(yīng)的工作狀態(tài)。 當(dāng)設(shè)置為主機模式時,由主機向從機申請機車信息;當(dāng)設(shè)置為從機模式時,則設(shè)置電臺為接收狀態(tài)。 當(dāng)收到主機數(shù)據(jù)申請時,再向主機發(fā)送機車實時數(shù)據(jù),程序流程如圖7 所示。

圖7 電臺數(shù)據(jù)傳輸處理管理流程

2.4 功能展示

顯示器負責(zé)接收主機接收到重聯(lián)機車相關(guān)手柄級位、列車管壓、機車速度、公里標(biāo)、制動缸壓、牽引力/電流等關(guān)鍵的同步操縱數(shù)據(jù),通過分屏顯示的設(shè)計進行展示,使各個重聯(lián)機車上的司機均能直觀地看到聯(lián)編機車的實時操縱相關(guān)數(shù)據(jù)信息,便于司機人員之間的進一步同步操縱,降低行車安全風(fēng)險。

3 結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于XBee 和數(shù)傳電臺雙模無線通信的重聯(lián)機車信息同步系統(tǒng),包括設(shè)置在重聯(lián)機車每臺機車上的雙模無線通信系統(tǒng)和設(shè)置在隧道內(nèi)的中繼電臺。 雙模無線通信系統(tǒng)包括XBee 電臺和機車數(shù)傳電臺,結(jié)合隧道和非隧道區(qū)域行駛不同的通信處理邏輯,提高了重聯(lián)機車之間的無線數(shù)據(jù)交互的實時性和準(zhǔn)確性,有效解決了長期以來多機聯(lián)控問題,實現(xiàn)對本、補機車間實時監(jiān)測,在關(guān)鍵地點和時機,自動對本、補機車進行自動語音提示,使本務(wù)司機及時掌握列車狀態(tài)信息,也使補機司機能自動獲知前方信號和距離及手柄操縱信息。 同時,該系統(tǒng)降低了乘務(wù)員的工作強度、提高了機車運輸效率,其產(chǎn)生的安全與社會效益也相當(dāng)可觀。