基于GSM、GPS及CAN总线的列车行程测量系统的研究 - DIY编程器网

GPS 卫星不间断发送导行电文,由车载终端上的GPS接收机接受,并进行解码处理,进而输出定位数据。车载终端包括主控车载终端和被控车载终端。主控车载终端安装于火车头,它由GPS接收模块、信息处理和控制模块、GSM通信模块、键盘输入模块、显示模块和CAN总线通讯控制模块组成,负责GPS信息的接受、数据的处理、CAN总线的通讯控制、GSM信息的发送等；被控车载终端安装于各车厢,它由信息处理和控制模块、CAN总线通讯模块、键盘输入及显示模块组成,负责本节车厢行驶里程的累计以及与主控车载终端的通讯等。主控车载终端与被控车载终端通过CAN总线相连形成局域网。车载终端通过GSM网络用短消息方式将列车行驶里程数据发送至监控中心。监控中心主要由GSM通讯模块、监控主机、管理数据库及综合数据接口组成,完成GSM信息的接受以及各列车行驶里程的统计和管理。

车载单元的硬件设计

　　车载单元的硬件主要由四大模块组成：信息处理与控制模块、GPS接收模块、GSM通讯模块和CAN总线通讯控制模块。

　　信息处理与控制模块

　　信息处理与控制模块是车载终端的核心控制部件,它是一个由PIC单片机组成的系统,其主要功能是进行信息处理和控制车载终端的各组成部分,按照通信协议的要求执行相应的操作。本系统选用微芯公司生产的PIC18F458单片机,它有如下优点：

　　1)2MB的Flash程序存储器；

　　2)4kB的EEPROM数据存储器；

　　3)10MIPS的执行速度；

　　4)CAN总线模块；

　　5)功耗低：在4MHz时钟下工作耗电不超过2mA；在睡眠模式下耗电可低于1μA以下。

　　6)驱动能力强：每个I/O引脚吸入和输出电流的最大值可以分别达到25mA和20mA,能够直接驱动发光二极管LED、光电耦合器或者微型继电器等。

GPS接收模块

　　GPS 接受模块即GPS接收机,它是GPS全球定位系统的用户终端,是全球定位系统的三大组成部分之一。车载终端就是通过它来实现定位功能的。本系统采用 GAERMIN的GPS-OEM产品,它有12个通道,也就是同时可以跟踪多达12颗GPS卫星,从而能够快速的定位。GARMIN的GPS接收机功耗非常小,数据更新率为每秒一次,其优良的性能完全能够满足陆地导航的灵敏度需求。

　　考虑到单片机输入/输出为TTL电平,而OEM板输出为 RS232标准串行接口,采用的是EIA电平,因此这里需要加入能完成TTL-EIA双电平转换电路。本系统采用一种新型RS232转换芯片 MAX232,其内部有电压倍增电路和转换电路,仅需5V电源便可工作,因此使用十分方便。连接方式如图2所示。由于OEM板每秒刷新一次,为提高CPU 利用率,采用UART(通用异步接收/发送器)来实现串行异步通信中串并行数据转换,也将大大提高CPU利用率。

GSM通讯模块

　　GSM 通讯模块是车载终端的一个重要的组成部分,它负责车载终端与监控中心之间的通信。本系统采用的是西门子公司生产的GSM调制解调器TC35模块,它提供 RS232数据接口,采用AT指令,符合ETSI的GSM0707和GSM0705标准。模块和单片机系统通过40针的数据电缆相连。TC35模块的数据接口是CMOS电平,因此单片机对TC35模块的控制和通信要进行电平转换。在本系统中,单片机串口通过OC门7404芯片完成电平转换和TC35模块相连。单片机与TC35模块的接口如图3所示。

TC35模块支持8位数据位,1位停止位,无奇偶校验位。传输速率可以在4.8kbit/s到115kbit/s间自适应。对TC35模块控制,IGT信号非常重要,只有正确的IGT信号才可以使TC35模块正常的运行。IGT的下降沿启动TC35,并且IGT的低电平应该至少保持 100ms,然后TC35正常工作。

CAN总线通讯控制模块

　　CAN总线通讯控制模块主要完成各车载终端之间的通讯,由于CAN总线接口能在噪声环境下进行通讯,从而保证了数据传输的可靠性。PIC18F458内部集成了CAN总线通讯控制器,执行的是Bosch公司规范的CAN210A/B协议,它包含完整的CAN系统。CAN总线模块由协议驱动和信息缓冲与控制组成。CAN协议驱动CAN总线上接受和发送信息的所有功能,信息通过首先装载到某个相应的数据寄存器发送,通过读相应的寄存器可以检查状态与错误信息。在CAN总线上检测到的任何信息都要进行错误检查,然后与过滤器进行比较,判断是否应该被接受和存储到2个接受寄存器之一。图4为CAN总线驱动器PCA82C250T与单片机的连接图, 其中的PCA82C250T为PHILIPS公司的CAN总线驱动器,它将PIC18F458的CAN控制器输出引脚的TTL电平变换为CAN总线上的差分信号。J12插头的第2脚与第7脚间接有120Ω的匹配电阻。在CAN总线上,一般在两端的CAN接头需要接入120Ω的匹配电阻,中间则不用接。

车载终端控制器软件编程

　　车载终端控制器的软件主要完成3方面的任务：系统的初始化,循环处理GPS接收到的导航电文；单片机与TC35的通信以及GSM信息的发送；处理CAN总线数据的收发。这些任务在程序中是分两部分来完成的,即主程序和中断程序。主程序主要完成系统的初始化、CAN总线数据的发送、GSM信息的发送、列车行驶里程的计算等；中断程序主要完成GPS信息的接收和CAN总线数据的接收。键盘检测采用查询方式。软件采用C语言编程。主程序流程图如图5所示。

系统启动后首先要对相应的变量和模块进行初始化,读出存储在EEPROM中的列车行驶里程数据并将其显示出来,然后检测是否有键被按下。键盘主要完成3方面任务：显示器设置,启动CAN总线数据发送和GSM信息发送。GPS信息的接收采用中断方式。系统每秒接收一个GPS信息,从GPS信息中读出列车的行驶速度,将列车的行驶速度乘以列车的行驶时间(1s),得出列车在1s内的行驶里程并进行一次行程的累加。为保证数据的安全性,列车每行驶 1km,EEPROM中存储的列车行驶里程数据刷新1次。

　　在主控车载终端,CAN总线数据的发送采用键盘触发方式。信息从CAN控制器发送到CAN总线是由CAN控制器自动完成的,发送程序只需把被发送的信息送到CAN的发送缓冲区,然后启动发送命令即可。CAN总线数据的接收采用中断方式。当系统产生CAN中断时,信息从CAN总线到CAN接收缓冲区是由CAN控制器自动完成的,接收程序只要从接收缓冲区读出要接收的信息即可。

　　结语

　　在本系统中,行程测量的相对误差主要取决于列车的行驶速度。通过大量实验可以得出,当列车的行驶速度大于10km/h时,本系统行程测量的相对误差小于 2%。一般而言,列车的行驶速度常高于10km/h。因此,本系统行程测量的相对误差不会大于2%,完全满足测量相对误差应小于3%的设计要求。

　　本系统的设计完全满足列车行程测量的准确度和可靠性要求,既实现了列车行程的自动记录,同时也实现了对各列车的统一监控管理。它解决了现有列车行程记录方式存在的弊端,为列车行程的测量和管理提供了一种新方法。通过对列车行驶里程及时准确的记录和监控,确保各列车能够得到及时的检修,为列车的安全运行提供了保障。本系统利用了当前技术比较成熟的GSM蜂窝数字移动通讯系统和GPS全球定位系统,而且具有成本低廉、结构简单、抗干扰能力强及可靠性高等优点,因此具有广阔的应用前景。