基于GSM、GPS及CAN總線的列車行程測量系統的研究

引言

隨著鐵路運輸向高速度、高密度方向發展,安全工作將更加重要。一旦發生事故,不僅中斷行車、打亂正常運行秩序,在經濟上造成嚴重的損失,而且還會在社會上產生不良影響。為保證列車快速、安全、舒適、高效地在高速線上運行,對鐵路列車進行及時的檢修是非常重要的。列車檢修周期主要以列車行駛的里程為參考,所以及時準確地記錄列車的行駛里程是保證列車安全運行的關鍵。以往對列車各車廂行駛里程的記錄是采用人工記錄計算機存儲的方式,有時由于工作人員的疏忽,就可能造成記錄表丟失或漏記現象,這樣就會使列車的實際行駛里程與記錄的行駛里程不符,從而使列車不能得到及時地檢修,為列車的安全運行造成了隱患。因此,研制一個能夠自動記錄列車行駛里程的網絡系統是至關重要的。

本系統就是為了滿足上述要求而開發的,它是利用美國GPS(Global Positioning System)全球定位系統,結合CAN(Controller Area Network)總線技術和GSM(Global System for Mobile Communication)移動通信技術的產物。其主要功能是依靠GPS來定位列車的位置,通過單片機來累計列車的行駛里程,利用CAN總線在列車各個車廂間建立局域網,通過GSM網絡將列車各車廂的行駛里程數據傳送回監控中心,并由監控中心進行統一的監控和管理。本系統采用GSM短消息進行數據傳輸,它不需要建立撥號連接,只需把要發的信息加上目的地址發送到短消息中心,再由短消息中心轉發到最終目標。短消息每次限制在160個字節以內,這對傳送列車行駛里程數據已足夠。本系統利用GSM短消息業務進行數據傳輸,最大的優點就在于連接簡單、費用低廉、覆蓋面廣,實現方便。

系統的組成

系統由GPS衛星、車載終端、GSM公眾網和監控中心組成,其系統原理圖如圖1所示。

GPS衛星不間斷發送導行電文,由車載終端上的GPS接收機接受,并進行解碼處理,進而輸出定位數據。車載終端包括主控車載終端和被控車載終端。主控車載終端安裝于火車頭,它由GPS接收模塊、信息處理和控制模塊、GSM通信模塊、鍵盤輸入模塊、顯示模塊和CAN總線通訊控制模塊組成,負責GPS信息的接受、數據的處理、CAN總線的通訊控制、GSM信息的發送等；被控車載終端安裝于各車廂,它由信息處理和控制模塊、CAN總線通訊模塊、鍵盤輸入及顯示模塊組成,負責本節車廂行駛里程的累計以及與主控車載終端的通訊等。主控車載終端與被控車載終端通過CAN總線相連形成局域網。車載終端通過GSM網絡用短消息方式將列車行駛里程數據發送至監控中心。監控中心主要由GSM通訊模塊、監控主機、管理數據庫及綜合數據接口組成,完成GSM信息的接受以及各列車行駛里程的統計和管理。

車載單元的硬件設計

車載單元的硬件主要由四大模塊組成：信息處理與控制模塊、GPS接收模塊、GSM通訊模塊和CAN總線通訊控制模塊。

信息處理與控制模塊
信息處理與控制模塊是車載終端的核心控制部件,它是一個由PIC單片機組成的系統,其主要功能是進行信息處理和控制車載終端的各組成部分,按照通信協議的要求執行相應的操作。本系統選用微芯公司生產的PIC18F458單片機,它有如下優點：

1)2MB的Flash程序存儲器；
2)4kB的EEPROM數據存儲器；
3)10MIPS的執行速度；
4)CAN總線模塊；
5)功耗低：在4MHz時鐘下工作耗電不超過2mA；在睡眠模式下耗電可低于1μA以下。
6)驅動能力強：每個I/O引腳吸入和輸出電流的最大值可以分別達到25mA和20mA,能夠直接驅動發光二極管LED、光電耦合器或者微型繼電器等。

GPS接收模塊
GPS接受模塊即GPS接收機,它是GPS全球定位系統的用戶終端,是全球定位系統的三大組成部分之一。車載終端就是通過它來實現定位功能的。本系統采用GAERMIN的GPS-OEM產品,它有12個通道,也就是同時可以跟蹤多達12顆GPS衛星,從而能夠快速的定位。GARMIN的GPS接收機功耗非常小,數據更新率為每秒一次,其優良的性能完全能夠滿足陸地導航的靈敏度需求。

考慮到單片機輸入/輸出為TTL電平,而OEM板輸出為RS232標準串行接口,采用的是EIA電平,因此這里需要加入能完成TTL-EIA雙電平轉換電路。本系統采用一種新型RS232轉換芯片MAX232,其內部有電壓倍增電路和轉換電路,僅需5V電源便可工作,因此使用十分方便。連接方式如圖2所示。由于OEM板每秒刷新一次,為提高CPU利用率,采用UART(通用異步接收/發送器)來實現串行異步通信中串并行數據轉換,也將大大提高CPU利用率。

GSM通訊模塊
GSM通訊模塊是車載終端的一個重要的組成部分,它負責車載終端與監控中心之間的通信。本系統采用的是西門子公司生產的GSM調制解調器TC35模塊,它提供RS232數據接口,采用AT指令,符合ETSI的GSM0707和GSM0705標準。模塊和單片機系統通過40針的數據電纜相連。TC35模塊的數據接口是CMOS電平,因此單片機對TC35模塊的控制和通信要進行電平轉換。在本系統中,單片機串口通過OC門7404芯片完成電平轉換和TC35模塊相連。單片機與TC35模塊的接口如圖3所示。