| 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風(fēng)、防雨安全監(jiān)測報(bào)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(yùn)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(gè)及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的報(bào)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(yùn)行的安全性,提出了安全監(jiān)測系統(tǒng)方案：報(bào)警裝置對與列車安全行使有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(bào)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(jì) 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(dòng)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(bào)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(jì)算機(jī)（PC）進(jìn)行報(bào)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(bào)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(jì) 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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)器、可靠的加密方式、較好的兼容性,我們采用該芯片。同時(shí)利用AT28C64存儲(chǔ)歷史參數(shù)值及可修改常數(shù)、報(bào)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4×4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(shí)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(jì)算機(jī)或帶有串口的設(shè)備。FC-202無線數(shù)傳模塊可存儲(chǔ)16個(gè)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、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(jì) （1）單片機(jī)多機(jī)通信程序設(shè)計(jì) 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(gè)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(shí)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(shí)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(shí),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(jì) 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(gè)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(shí)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(jì) 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(jì)方法。單片機(jī)受干擾導(dǎo)致出錯(cuò)而無法自動(dòng)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(gè)主要程序模塊入口設(shè)置檢驗(yàn)標(biāo)導(dǎo),結(jié)束時(shí)驗(yàn)證其標(biāo)志是否與入口時(shí)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(cuò)處理。另外,設(shè)備軟件看門狗,利用AT89C52不用的T2定時(shí)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(gè),最大脈沖數(shù)Amax為255個(gè),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(gè)數(shù)）,每一片DS1820有1個(gè)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(dòng)轉(zhuǎn)換,經(jīng)過1s的延時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)間后,再進(jìn)行下一個(gè)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(shí)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)測報(bào)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(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(dòng)態(tài)顯示各監(jiān)測點(diǎn)的列車限速或停車報(bào)警信息,并實(shí)時(shí)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(bào)警功能,可方便測試之用; （4）能提供列車所需報(bào)表,提供報(bào)警裝置號碼和報(bào)警時(shí)間; （5）信息的無線傳輸遠(yuǎn)達(dá)15km。
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