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高速鐵路防風(fēng)防雨安全監(jiān)測報警系統(tǒng)

作者: 時間:2004-12-07 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
摘要:介紹一種基于單片機(jī)與上位機(jī)有線或無線通信的、防雨報警及信息傳輸系統(tǒng);分析數(shù)據(jù)采集和處理方法;利用軟件和硬件抗干擾技術(shù),闡述通信高級語言實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信的途徑。該系統(tǒng)無線通信距離遠(yuǎn),可方便地構(gòu)成、防雨信息子系統(tǒng)并接入信息網(wǎng)。

關(guān)鍵詞:防雨 無線通信網(wǎng) 信息傳輸方式 抗干擾

引言

列車運(yùn)營的性,是全世界部門均予以重視的問題。1981年6月印度馬特那附近的鐵橋和1986年12月日本山陰線余部橋梁上發(fā)生的列車災(zāi)害事故都說明:一個及時、準(zhǔn)確、可靠的,對于避免這些事故的發(fā)生至關(guān)重要。本文針對鐵路中高架橋和高路堤上列車運(yùn)行的安全性,提出了安全系統(tǒng)方案:報警裝置對與列車安全行使有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時采集和處理,根據(jù)專家系統(tǒng)綜合處理采集的數(shù)據(jù)發(fā)出報警與限速信息,并通過無線通信將這些信息傳輸給列車上的調(diào)度中心。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)分為兩大部分:一是對風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量、環(huán)境溫度和軌道振動信號的監(jiān)測裝置(裝于需監(jiān)測的高路堤或高架橋上),主要包括以AT89C52單片機(jī)為核心的基本數(shù)據(jù)采集處理模塊,以RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)接口芯片MAX202CPE為主的有線通信接口模塊及以FC-202BN為主的無線通信模塊;二是監(jiān)控報警信息傳輸系統(tǒng),利用有線通信或無線通信方式,實(shí)現(xiàn)該裝置同調(diào)度所的上位計算機(jī)(PC)進(jìn)行報警信息傳輸,或者直接同列車上的電臺通過無線通信傳輸報警信息。有線或無線通信采用開放式的二級通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.硬件設(shè)計

監(jiān)測裝置主要由數(shù)據(jù)采集處理模塊、無線通信模塊、硬件抗干擾模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊等組成。監(jiān)視裝置硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

(1)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集處理模塊

數(shù)據(jù)采集主要由AT89C52單片機(jī)、AT28C64存儲器、8279鍵盤顯示接口芯片、8155、ADC0809等組成。鑒于AT89C52的寬工作電壓范圍,高容量的Flash程序存儲器、可靠的加密方式、較好的兼容性,我們采用該芯片。同時利用AT28C64存儲歷史參數(shù)值及可修改常數(shù)、報警值設(shè)定等。Intel公司的8279具有鍵盤顯示接口的強(qiáng)大功能,擴(kuò)展44的鍵盤和外接5位LED顯示器,使之具有良好的人機(jī)界面。8155主要完成風(fēng)向格雷碼信號的并行采集。ADC0808用于處理雨量和加速度傳感器的模擬信號。

(2)無線通信模塊

電平轉(zhuǎn)換器由RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)接口芯片MAX202CPE構(gòu)成。利用RS-232-C接口進(jìn)行有線通信,雖然相對于TTL電平抗干擾能力大大提高,但由于受回路電容負(fù)載限制,同時它屬于單端信號,傳送存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題,其通信距離僅在20m內(nèi),這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際要求。若采用RS-485接口,通信可達(dá)數(shù)km,但由于回路電容大而可靠性不高,為此采用無線通信方式。

FC-202無線通信模塊由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、鎖相環(huán)、基帶處理及調(diào)制解調(diào)器、CPU(AT89C2051)、RS-232-C接口組成,如圖3所示。其通信原理為:采用MSK調(diào)制方式,將基帶信號調(diào)制并將功率放大成射頻信號,再利用VHF/UHF頻段發(fā)送和接收,然后解調(diào)、放大還原成相應(yīng)的基帶信號,完成數(shù)據(jù)無線傳輸。FC-202無線數(shù)傳模塊內(nèi)含VHF/UHF頻段范圍的無線收發(fā)機(jī)。收發(fā)采用雙鎖相環(huán)及雙VCO技術(shù),收發(fā)轉(zhuǎn)換速度快,其接口為RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)接口,可直接連接計算機(jī)或帶有串口的設(shè)備。FC-202無線數(shù)傳模塊可存儲16個通信信道,空中傳輸率兼容1200b/s或2400b/s,模塊功率為5W,可方便完成15km以內(nèi)的遠(yuǎn)距離無線數(shù)據(jù)傳輸。

(3)硬件抗干擾

單片機(jī)系統(tǒng)包括較大功率的電源電路、數(shù)字電路、小信號模擬電路。為避免各部分信號的相互耦合,對硬件抗干擾采取了電源去耦、模擬信號濾波、分離布局不同類型的電路、加大電源和地線的走線面積等措施。

2.軟件設(shè)計

(1)單片機(jī)多機(jī)通信程序設(shè)計

AT89C52單片機(jī)本身具有全雙工串行數(shù)據(jù)通信功能,其實(shí)現(xiàn)由SCON和PCON兩個特殊寄存器控制。本系統(tǒng)選用方式3的9位數(shù)據(jù)異步通信方式,無奇偶校驗(yàn)。通信時各單片機(jī)裝置中SCON的SM2均設(shè)置為1,上位機(jī)發(fā)送某一地址碼并置R1,則所有的單片機(jī)均發(fā)生接收中斷,此時表明上位機(jī)發(fā)來的信息是1幀地址信息。當(dāng)某一單片機(jī)發(fā)現(xiàn)其接收的地址信息與本機(jī)地址相符時,SM2=0,并把本機(jī)地址作為應(yīng)答信號返回給上位機(jī),準(zhǔn)備接收上位機(jī)發(fā)來的命令或數(shù)據(jù)。地址相符的單片機(jī)收第9位為0的數(shù)據(jù)或命令;而地址不符的單片機(jī)則保持SM2=1,不能產(chǎn)生中斷標(biāo)志,信息將拋棄,從而實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與單片機(jī)的一對一通信。通信初始化為

MOV SCON,#0F0H

MOV PCON,#00H

MOV TMOD,#20H

MOV TH1,#0F3H

MOV TL1,#0F3H

(2)PC機(jī)軟件設(shè)計

在串行通信中調(diào)用Windows的API接口方法,是實(shí)現(xiàn)VB直接控制串行口硬件的有效方案。VB提供了一個名為Mscomm的控件(或Winsock控件),能為應(yīng)用程序提供串行通信功能。初始化和定時數(shù)據(jù)通信程序如下:

Dim Cindata As Variant

Dim Coutdata(0) As Byte

Private Sub Form_Load()

MSComm1.CommPort=2 '端口設(shè)置為2

MSComm1.PortOpen=True '打開端口

MSComm1.Settings="2400,n,8,1" '通信方式設(shè)置

MSConn1.InputMode=comliputModeBinary '以二進(jìn)制形式傳送

End Sub

Private Sub Timer2_Timer()

Coutdata(0)=CUMADDRESS '發(fā)送下位機(jī)地址

MSComm1.Output=Coutdata

Do

DoEvents

Loop Until MSComm1.InBufferCount>=1

Cindata=MSComm1.Input

If Cindata(0)=CUMADDRESS Then

Do

DoEvents

Loop Until MSComm1.InBufferCount>=DATALENGTH

Cindata=MSComm1.Input

End Sub

(3)軟件抗干擾設(shè)計

調(diào)試中發(fā)現(xiàn)常有死機(jī)、接觸不靈敏問題,因此必須考慮抗干擾設(shè)計方法。單片機(jī)受干擾導(dǎo)致出錯而無法自動恢復(fù)正常狀態(tài),通常是由于RAM區(qū)數(shù)據(jù)被破壞的緣故。我們利用AT89C52的數(shù)據(jù)RAM單元在每一個主要程序模塊入口設(shè)置檢驗(yàn)標(biāo)導(dǎo),結(jié)束時驗(yàn)證其標(biāo)志是否與入口時一致,還要驗(yàn)證重要的數(shù)據(jù)標(biāo)志是否正確(如鍵盤的鍵值),否則程序?qū)⑦M(jìn)行出錯處理。另外,設(shè)備軟件看門狗,利用AT89C52不用的T2定時監(jiān)視程序是否正常運(yùn)行,這樣保證了運(yùn)行的可靠性。

3.傳感器的標(biāo)度轉(zhuǎn)換

(1)線性標(biāo)度

對于風(fēng)速傳感器,利用AT89C52的I/O口,測出與風(fēng)速成正比的脈沖信號,因此可以線性標(biāo)度。設(shè)0.5s內(nèi)的最小脈沖數(shù)為A0=0個,最大脈沖數(shù)Amax為255個,A為測得的脈沖數(shù);起始風(fēng)速V0=0.08m/s,最大風(fēng)速Vmax=65m/s,V為實(shí)際風(fēng)速值。根據(jù)線性標(biāo)度公式則有

(V-V0)/(Vmax-V0)=(A-A0)/(Amax-a0)

代入數(shù)據(jù)得V=(0.25459A+0.08)m/s

對于DS1820單線數(shù)字溫度傳感器,其溫度測量范圍是-55~+125℃,增量值為0.5℃。在n≤64范圍內(nèi)(n為P1.0口所掛DS1820的個數(shù)),每一片DS1820有1個自己的序列號,單片機(jī)與DS1820通過單線串行通信,單片機(jī)向某一DS1820寫入序列號并啟動轉(zhuǎn)換,經(jīng)過1s的延時轉(zhuǎn)換時間后,再進(jìn)行下一個DS1820操作。DS1820輸出的是與溫度成正比的數(shù)字信號,采用線性標(biāo)度。設(shè)在P1.0口測得的數(shù)字信號值為T,實(shí)際溫度為t,則有

t/℃=T/2

在本裝置中,僅接有兩片DS1820:一片裝于機(jī)箱主板上,監(jiān)測機(jī)器運(yùn)行時溫度是否正常;另一片置于機(jī)箱外,作為監(jiān)測環(huán)境溫度之用。

(2)非線性標(biāo)度

風(fēng)向傳感器是應(yīng)用格雷碼盤將風(fēng)向機(jī)械信號轉(zhuǎn)換成電信號的。測量范圍為:0~360,分辨率為3。由于用8155并行口接收的7路格雷碼信號與風(fēng)向成非線性關(guān)系,所以采用非線性標(biāo)度。具體做法是將格雷碼與風(fēng)向的對應(yīng)關(guān)系存在AT28C64中,以備查表之用。雨量傳感器輸出的是具有0~

5V的模擬信號,利用ADC0809實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換,采用非線性標(biāo)度轉(zhuǎn)換。加速主傳感器是將縱、橫向位移信號轉(zhuǎn)換成電壓模擬信號信號的裝置。標(biāo)度轉(zhuǎn)換與風(fēng)向傳感器相同。

二、監(jiān)測功能特性

(1)是可方便切換的有線和無線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),系統(tǒng)構(gòu)建靈活方便,可根據(jù)監(jiān)測區(qū)段的實(shí)際情況靈活更改系統(tǒng)配置,具有良好的可維護(hù)性;

(2)調(diào)度所的PC機(jī)可動態(tài)顯示各監(jiān)測點(diǎn)的列車限速或停車報警信息,并實(shí)時調(diào)度列車運(yùn)行;

(3)裝置本身具有獨(dú)立的參數(shù)顯示、指示燈和蜂鳴器報警功能,可方便測試之用;

(4)能提供列車所需報表,提供報警裝置號碼和報警時間;

(5)信息的無線傳輸遠(yuǎn)達(dá)15km。



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