高速铁路防风防雨安全监测报警系统

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高速铁路防风防雨安全监测报警系统


摘要：介绍一种基于单片机与上位机有线或无线通信的防风、防雨安全监测报警及信息传输系统；分析数据采集和处理方法；利用软件和硬件抗干扰技术，阐述通信高级语言实现多机通信的途径。该系统无线通信距离远，可方便地构成铁路防风、防雨信息子系统并接入铁路信息网。    关键词：防风防雨 安全监测 无线通信网 信息传输方式 抗干扰
引言
高速列车运营的安全性，是全世界铁路部门均予以重视的问题。1981年6月印度马特那附近的铁桥和1986年12月日本山阴线余部桥梁上发生的列车灾害事故都说明：一个及时、准确、可靠的报警系统，对于避免这些事故的发生至关重要。本文针对高速铁路中高架桥和高路堤上列车运行的安全性，提出了安全监测系统方案：报警装置对与列车安全行使有关的参数进行实时采集和处理，根据专家系统综合处理采集的数据发出报警与限速信息，并通过无线通信将这些信息传输给列车上的调度中心。
一、系统总体设计
本系统分为两大部分：一是对风速、风向、降雨量、环境温度和轨道振动信号的监测装置（装于需监测的高路堤或高架桥上），主要包括以AT89C52单片机为核心的基本数据采集处理模块，以RS-232-C标准接口芯片MAX202CPE为主的有线通信接口模块及以FC-202BN为主的无线通信模块；二是监控报警信息传输系统，利用有线通信或无线通信方式，实现该装置同调度所的上位计算机（PC）进行报警信息传输，或者直接同列车上的电台通过无线通信传输报警信息。有线或无线通信采用开放式的二级通信网络结构，其结构框图如图1所示。

    1.硬件设计
监测装置主要由数据采集处理模块、无线通信模块、硬件抗干扰模块、数据存储模块等组成。监视装置硬件结构框图如图2所示。
（1）单片机数据采集处理模块
数据采集主要由AT89C52单片机、AT28C64存储器、8279键盘显示接口芯片、8155、ADC0809等组成。鉴于AT89C52的宽工作电压范围，高容量的Flash程序存储器、可靠的加密方式、较好的兼容性，我们采用该芯片。同时利用AT28C64存储历史参数值及可修改常数、报警值设定等。Intel公司的8279具有键盘显示接口的强大功能，扩展4×4的键盘和外接5位LED显示器，使之具有良好的人机界面。8155主要完成风向格雷码信号的并行采集。ADC0808用于处理雨量和加速度传感器的模拟信号。
（2）无线通信模块
电平转换器由RS-232-C标准接口芯片MAX202CPE构成。利用RS-232-C接口进行有线通信，虽然相对于TTL电平抗干扰能力大大提高，但由于受回路电容负载限制，同时它属于单端信号，传送存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，其通信距离仅在20m内，这远远不能满足实际要求。若采用RS-485接口，通信可达数km，但由于回路电容大而可靠性不高，为此采用无线通信方式。

    FC-202无线通信模块由发射机、接收机、锁相环、基带处理及调制解调器、CPU（AT89C2051）、RS-232-C接口组成，如图3所示。其通信原理为：采用MSK调制方式，将基带信号调制并将功率放大成射频信号，再利用VHF/UHF频段发送和接收，然后解调、放大还原成相应的基带信号，完成数据无线传输。FC-202无线数传模块内含VHF/UHF频段范围的无线收发机。收发采用双锁相环及双VCO技术，收发转换速度快，其接口为RS-232-C标准接口，可直接连接计算机或带有串口的设备。FC-202无线数传模块可存储16个通信信道，空中传输率兼容1200b/s或2400b/s，模块功率为5W，可方便完成15km以内的远距离无线数据传输。
（3）硬件抗干扰
单片机系统包括较大功率的电源电路、高速数字电路、小信号模拟电路。为避免各部分信号的相互耦合，对硬件抗干扰采取了电源去耦、模拟信号滤波、分离布局不同类型的电路、加大电源和地线的走线面积等措施。
2.软件设计
（1）单片机多机通信程序设计
AT89C52单片机本身具有全双工串行数据通信功能，其实现由SCON和PCON两个特殊寄存器控制。本系统选用方式3的9位数据异步通信方式，无奇偶校验。通信时各单片机装置中SCON的SM2均设置为1，上位机发送某一地址码并置R1，则所有的单片机均发生接收中断，此时表明上位机发来的信息是1帧地址信息。当某一单片机发现其接收的地址信息与本机地址相符时，SM2=0，并把本机地址作为应答信号返回给上位机，准备接收上位机发来的命令或数据。地址相符的单片机收第9位为0的数据或命令；而地址不符的单片机则保持SM2=1，不能产生中断标志，信息将抛弃，从而实现了上位机与单片机的一对一通信。通信初始化为
MOV SCON，#0F0H
MOV PCON，#00H
MOV TMOD，#20H
MOV TH1，#0F3H
MOV TL1，#0F3H
（2）PC机软件设计
在串行通信中调用Windows的API接口方法，是实现VB直接控制串行口硬件的有效方案。VB提供了一个名为Mscomm的控件（或Winsock控件），能为应用程序提供串行通信功能。初始化和定时数据通信程序如下：
Dim Cindata As Variant
Dim Coutdata(0) As Byte
Private Sub Form_Load()
MSComm1.CommPort=2 ‘端口设置为2
MSComm1.PortOpen=True ‘打开端口
MSComm1.Settings="2400，n,8,1" ‘通信方式设置
MSConn1.InputMode=comliputModeBinary ‘以二进制形式传送
End Sub
Private Sub Timer2_Timer()
Coutdata(0)=CUMADDRESS ‘发送下位机地址
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）软件抗干扰设计
调试中发现常有死机、接触不灵敏问题，因此必须考虑抗干扰设计方法。单片机受干扰导致出错而无法自动恢复正常状态，通常是由于RAM区数据被破坏的缘故。我们利用AT89C52的数据RAM单元在每一个主要程序模块入口设置检验标导，结束时验证其标志是否与入口时一致，还要验证重要的数据标志是否正确（如键盘的键值），否则程序将进行出错处理。另外，设备软件看门狗，利用AT89C52不用的T2定时监视程序是否正常运行，这样保证了运行的可靠性。
3.传感器的标度转换
（1）线性标度
对于风速传感器，利用AT89C52的I/O口，测出与风速成正比的脉冲信号，因此可以线性标度。设0.5s内的最小脉冲数为A0=0个，最大脉冲数Amax为255个，A为测得的脉冲数；起始风速V0=0.08m/s，最大风速Vmax=65m/s，V为实际风速值。根据线性标度公式则有
（V-V0）/(Vmax-V0)=(A-A0)/(Amax-a0)
代入数据得V=(0.25459A+0.08)m/s
对于DS1820单线数字温度传感器，其温度测量范围是-55～+125℃，增量值为0.5℃。在n≤64范围内（n为P1.0口所挂DS1820的个数），每一片DS1820有1个自己的序列号，单片机与DS1820通过单线串行通信，单片机向某一DS1820写入序列号并启动转换，经过1s的延时转换时间后，再进行下一个DS1820操作。DS1820输出的是与温度成正比的数字信号，采用线性标度。设在P1.0口测得的数字信号值为T，实际温度为t，则有
t/℃=T/2
在本装置中，仅接有两片DS1820：一片装于机箱主板上，监测机器运行时温度是否正常；另一片置于机箱外，作为监测环境温度之用。

    （2）非线性标度
风向传感器是应用格雷码盘将风向机械信号转换成电信号的。测量范围为：0～360°，分辨率为3°。由于用8155并行口接收的7路格雷码信号与风向成非线性关系，所以采用非线性标度。具体做法是将格雷码与风向的对应关系存在AT28C64中，以备查表之用。雨量传感器输出的是具有0～
5V的模拟信号，利用ADC0809实现模数转换，采用非线性标度转换。加速主传感器是将纵、横向位移信号转换成电压模拟信号信号的装置。标度转换与风向传感器相同。
二、监测报警系统功能特性
（1）是可方便切换的有线和无线通信网络结构，系统构建灵活方便，可根据监测区段的实际情况灵活更改系统配置，具有良好的可维护性；
（2）调度所的PC机可动态显示各监测点的列车限速或停车报警信息，并实时调度列车运行；
（3）装置本身具有独立的参数显示、指示灯和蜂鸣器报警功能，可方便测试之用；
（4）能提供列车所需报表，提供报警装置号码和报警时间；
（5）信息的无线传输远达15km。

李小路

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