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高速鐵路防風(fēng)防雨安全監(jiān)測報警系統(tǒng)
摘要：介紹一種基于單片機與上位機有線或無線通信的防風(fēng)、防雨安全監(jiān)測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現(xiàn)多機通信的途徑。該系統(tǒng)無線通信距離遠，可方便地構(gòu)成鐵路防風(fēng)、防雨信息子系統(tǒng)并接入鐵路信息網(wǎng)。關(guān)鍵詞：防風(fēng)防雨 安全監(jiān)測 無線通信網(wǎng) 信息傳輸方式 抗干擾
引言
高速列車運營的安全性，是全世界鐵路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、可靠的報警系統(tǒng)，對于避免這些事故的發(fā)生至關(guān)重要。本文針對高速鐵路中高架橋和高路堤上列車運行的安全性，提出了安全監(jiān)測系統(tǒng)方案：報警裝置對與列車安全行使有關(guān)的參數(shù)進行實時采集和處理，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，實現(xiàn)該裝置同調(diào)度所的上位計算機（PC）進行報警信息傳輸，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。
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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）單片機數(shù)據(jù)采集處理模塊
數(shù)據(jù)采集主要由AT89C52單片機、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大功能，擴展4×4的鍵盤和外接5位LED顯示器，使之具有良好的人機界面。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)，這遠遠不能滿足實際要求。若采用RS-485接口，通信可達數(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、接收機、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。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)的遠距離無線數(shù)據(jù)傳輸。
（3）硬件抗干擾
單片機系統(tǒng)包括較大功率的電源電路、高速數(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）單片機多機通信程序設(shè)計
AT89C52單片機本身具有全雙工串行數(shù)據(jù)通信功能，其實現(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。通信時各單片機裝置中SCON的SM2均設(shè)置為1，上位機發(fā)送某一地址碼并置R1，則所有的單片機均發(fā)生接收中斷，此時表明上位機發(fā)來的信息是1幀地址信息。當(dāng)某一單片機發(fā)現(xiàn)其接收的地址信息與本機地址相符時，SM2=0，并把本機地址作為應(yīng)答信號返回給上位機，準(zhǔn)備接收上位機發(fā)來的命令或數(shù)據(jù)。地址相符的單片機收第9位為
0的數(shù)據(jù)或命令；而地址不符的單片機則保持SM2=1，不能產(chǎn)生中斷標(biāo)志，信息將拋棄，從而實現(xiàn)了上位機與單片機的一對一通信。通信初始化為
MOV SCON，#0F0H
MOV PCON，#00H
MOV TMOD，#20H
MOV TH1，#0F3H
MOV TL1，#0F3H
（2）PC機軟件設(shè)計
在串行通信中調(diào)用Windows的API接口方法，是實現(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 '以二進制形式傳送
End Sub
Private Sub Timer2_Timer()
Coutdata(0)=CUMADDRESS '發(fā)送下位機地址
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、接觸不靈敏問題，因此必須考慮抗干擾設(shè)計方法。單片機受干擾導(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)置檢驗標(biāo)導(dǎo)，結(jié)束時驗證其標(biāo)志是否與入口時一致，還要驗證重要的數(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)視程序是否正常運行，這樣保證了運行的可靠性。
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，單片機與DS1820通過單線串行通信，單片機向某一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DS1820：一片裝于機箱主板上，監(jiān)測機器運行時溫度是否正常；另一片置于機箱外，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)測報警系統(tǒng)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)段的實際情況靈活更改系統(tǒng)配置，具有良好的可維護性；
（2）調(diào)度所的PC機可動態(tài)顯示各監(jiān)測點的列車限速或停車報警信息，并實時調(diào)度列車運行；
（3）裝置本身具有獨立的參數(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）信息的無線傳輸遠達15km。
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