城市軌道交通乘客信息系統(tǒng)中信號處理單元設計*

史利強，郭秀清（同濟大學　控制科學與工程系，上海 201804）

城市軌道交通乘客信息系統(tǒng)中信號處理單元設計*

史利強，郭秀清
（同濟大學控制科學與工程系，上海 201804）

城市軌道交通乘客信息系統(tǒng)中信號處理單元的設計主要是為了解決 PIS（Passenger Information System）系統(tǒng)與列車計算機網(wǎng)絡的通信問題，以及 PIS系統(tǒng)中不同模塊之間通信問題，在PIS系統(tǒng)中具有關鍵作用，并具有重要的研究價值。選取AVR單片機作為主控芯片，針對信號處理單元所要實現(xiàn)的功能，提出了針對RS485串行接口通信及并行接口通信的解決方案，并且實現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理功能及對其他模塊的信號控制。

乘客信息系統(tǒng)（PIS）；AVR；USART；RS485

0　引言

本文研究背景選自上海軌道交通9號線車輛乘客信息系統(tǒng)（Passenger Information System，PIS）［1］國產(chǎn)化項目。PIS系統(tǒng)在城市軌道交通中為乘客提供語音和文字等列車廣播信息，對于列車運營和服務起很重要作用［2］。實現(xiàn)PIS系統(tǒng)國產(chǎn)化對于地鐵線路提高運營服務質(zhì)量、降低設備維護成本也具有很重要的現(xiàn)實意義。

目前，上海地鐵9號線的車輛采用國外某公司的列車控制系統(tǒng)，簡稱 MITRAC［3］，它由分散布置的輸入/輸出單元、高性能的計算機、相應的控制和診斷軟件以及統(tǒng)一的通信設施組成。本文針對國產(chǎn)化PIS系統(tǒng)項目中信號處理單元進行研究設計，首先對MITRAC發(fā)給PIS系統(tǒng)的信號進行數(shù)據(jù)采集分析，然后設計信號處理單元，實現(xiàn)PIS系統(tǒng)與列車計算機網(wǎng)絡MITRAC之間的通信，并且對信號進行處理，實現(xiàn)對其他模塊的通信和信號控制。

1　信號處理單元功能介紹

列車計算機網(wǎng)絡MITRAC發(fā)送給 PIS系統(tǒng)的信號，由司機室激活信號、自動廣播/可視信息激活信號、站臺碼以及車輛編碼等信息組成［4］。其中站臺碼是一個 16位的無符號整型數(shù)，具有唯一性，用于觸發(fā)播放相應的語音廣播信息和列車客室內(nèi)LED文字信息。信號處理單元需要實現(xiàn)MITRAC與PIS系統(tǒng)之間的有效通信，并且處理相應的信號數(shù)據(jù)，提取出站臺碼，并把站臺碼作為控制信號發(fā)送給其他控制單元。

MITRAC與PIS的通信接口為 RS485接口，信號處理單元需要設計與 RS485接口相匹配的接口來實現(xiàn)與MITRAC的通信［5-6］。MITRAC使用列車控制專用通信協(xié)議WELNET，數(shù)據(jù)傳輸速度為 19 200 b/s，數(shù)據(jù)形式為8個數(shù)據(jù)位、1個停止位、無奇偶校驗［7］。MITRAC發(fā)送給PIS系統(tǒng)的實際信號數(shù)據(jù)由本文設計的專用數(shù)據(jù)采集工具采集分析獲得。

如圖1所示，信號處理單元的功能如下：

（1）通過RS485接口實現(xiàn)信號處理單元與MITRAC之間的通信，信號處理單元從MITRAC接收的數(shù)據(jù)中提取出站臺碼；

（2）信號處理單元以并口的信號形式把站臺碼發(fā)給數(shù)字語音報站器 DIAS［8-9］，控制播放相應音頻信息；

（3）通過RS485接口信號處理單元把站臺碼發(fā)送至列車客室LED顯示控制器，控制顯示相應文字信息。

圖1　信號處理板功能結(jié)構(gòu)圖

下面以上海地鐵9號線楊高中路站→佘山站這個運營區(qū)間為例，對MITRAC發(fā)送給PIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行分析，當播報下一站是世紀大道站時，MITRAC發(fā)送的數(shù)據(jù)信息如圖2所示，數(shù)據(jù)以16進制編碼顯示。

當MITRAC發(fā)送給PIS系統(tǒng)發(fā)送列車廣播控制信息時，圖2中第一行陰影部分編碼值從十六進制數(shù)0X0000變成第二行數(shù)據(jù) 0X01B3，其中 0X01B3是世紀大道站的站臺碼，十進制數(shù)為 435，此站臺碼作為控制相應音頻信息和LED顯示信息的信號，在播放世紀大道相應音頻和文字信息時站臺碼值始終保持不變，當接收到下一站的站臺碼時，相應的音頻信息和LED顯示信息也隨之改變。

2　信號處理單元硬件設計

首先為信號處理板設計相應的硬件接口實現(xiàn)硬件連接，其中包括兩個RS485接口和一個多路的并行接口。2.1主控電路設計

本文采用的主控芯片ATmega128是ATMEL公司的一款高性能、低功耗的AVR 8位微處理器，具有128 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash，4 KB的 EEPROM，4 KB的內(nèi)部SRAM，具有兩個可編程的同步和異步串行接收器和轉(zhuǎn)發(fā)器USART，即USART0和USART1。其中，USART是一個高度靈活的串行通信設備，能夠全雙工操作，具有獨立的串行接收和發(fā)送寄存器。

ATmega128單片機能夠滿足設計需求，設計中采用11.059 2 MHz的晶振，并且選取一個 8位 32 KB芯片61C256作為 SRAM擴展以提高數(shù)據(jù)處理性能。其中USART0用于ATmega128單片機和MITRAC的RS485接口通信，USART1用于ATmega128單片機和LED顯示器的RS485接口通信，端口PORTC、PORTF用于ATmega128和數(shù)字語音報站器DIAS的并口通信。

2.2USART接口設計

本文采用芯片MAX491和MAX232分別實現(xiàn)RS485接口通信和RS232接口通信。

MAX491是用于 RS485/422通信［10］的低功耗全雙工收發(fā)器，具有一個驅(qū)動器和一個接收器。MAX491可以實現(xiàn)最高2.5 Mb/s的傳輸速率。

當ATmega128單片機與RS485接口通信時，采用光電隔離的方法予以實現(xiàn)，提高系統(tǒng)抗信號干擾能力，保障數(shù)據(jù)完整無誤地傳輸［11］。在 RS485接口電路的設計中，需要根據(jù)串行通信的波特率選擇不同的光電耦合器。光電耦合器的傳輸速率必須大于通信的波特率，且光電耦合器的傳輸速率越高，通信的波特率就越高。本文選取的光電耦合器TLP521最高能達到38 400 b/s的傳輸速度，滿足設計要求。

MAX232為EIA/TIA-232E通信接口設計，本文采用MAX232芯片用于RS232接口電路，實現(xiàn)USART串口與PC的通信，方便調(diào)試和數(shù)據(jù)監(jiān)控。

本文所設計的USART接口電路原理圖如圖3所示。在接收數(shù)據(jù)時，RS485和RS232接口可以實現(xiàn)同步數(shù)據(jù)接收；在發(fā)送數(shù)據(jù)時，采用跳線的設計來控制 RS485或RS232向單片機發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.3并口信號驅(qū)動電路設計

并口信號驅(qū)動電路主要實現(xiàn)從單片機端口的信號到并口輸出端的信號轉(zhuǎn)化，站臺碼以并口信號形式發(fā)送到數(shù)字語音報站器DIAS。同時也采用光電耦合器TLP521實現(xiàn)信號隔離和電壓轉(zhuǎn)化，把單片機側(cè)3.3 V輸出電壓信號轉(zhuǎn)化成并口輸出端的24 V電壓信號。并口信號驅(qū)動電路其中一路的原理圖如圖4所示。

圖2　楊高中路站→佘山站,下一站是世紀大道站時MITRAC發(fā)的數(shù)據(jù)信息

3　信號處理單元軟件設計

ATmega128通過RS485接口接收MITRAC發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，提取出 16 bit的無符號數(shù)站臺碼，用于對列車客室內(nèi)LED顯示器顯示信息和數(shù)字語音報站器DIAS的信號控制，顯示相應報站文字信息以及廣播語音報站信息。信號處理單元軟件設計的流程圖如圖5中所示。

3.1USART串口程序設計

首先要對USART進行初始化，包括波特率和幀結(jié)構(gòu)的設定，以及根據(jù)需要使能接收器或發(fā)送器。USART有三個獨立的中斷：發(fā)送結(jié)束中斷、發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器空中斷以及接收結(jié)束中斷。對于中斷驅(qū)動的USART操作，在初始化時首先要清零全局中斷標志位。

USART收發(fā)數(shù)據(jù)，若是采用輪循（Polling）方式，高速AVR單片機的效率將會很低。為了解決低速串口與高速AVR單片機之間的矛盾，本文中ATmega128串口控制程序采用中斷的方式并且設計接收和發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器來提高ATmega128的效率。

圖3　USART接口電路原理圖

圖4　并口驅(qū)動電路

圖5　軟件設計流程圖

數(shù)據(jù)緩沖器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設計為循環(huán)隊列，它由讀、寫及一個隊列計數(shù)器3個指針控制，用于判斷當前寫入數(shù)據(jù)、讀出數(shù)據(jù)在隊列中的位置，并判斷隊列是否為空和是否已滿。

3.2并口程序設計

并口控制程序主要是為了實現(xiàn)單片機發(fā)送控制命令給數(shù)字語音報站器DIAS，在單片機需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，根據(jù)所要發(fā)送的數(shù)據(jù)把相應信號端口置位即可，控制音頻信息播放。

4　結(jié)論

本文經(jīng)過對前期采集數(shù)據(jù)的分析工作，針對乘客信息系統(tǒng)中信號處理單元所要實現(xiàn)的功能進行研究設計，并且完成相應的硬件和軟件設計，實現(xiàn)了通信和數(shù)據(jù)處理功能。經(jīng)過實際電路的測試和檢驗，實現(xiàn)了預期的功能。信號處理單元的設計在整個乘客信息系統(tǒng)國產(chǎn)化項目中處于極重要環(huán)節(jié)，為整個乘客信息系統(tǒng)的實現(xiàn)解決了關鍵的問題，具有重要的研究價值和實用價值。本文所設計的信號處理單元不僅僅是解決了上海地鐵9號線PIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信問題，所設計的電路和軟件解決的技術問題具有通用價值和普遍意義。

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The design of signal processing unit of the subway train passenger information system

Shi Liqiang，Guo Xiuqing
（Department of Control Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China）

The signal processing unit of the subway train passenger information system（PIS）is mainly used to solve the communication problems between different modules.It plays a vital role in PIS.Based on the research and design of the signal processing unit，the article proposes a solution for RS485 communication interface，realizes the function of data processing and the signal controlling between other different modules using AVR.

passenger information system（PIS）；AVR；USART；RS485

TP334

A

1674-7720（2015）02-0029-03

上海市科委“城市軌道交通自控關鍵設備國產(chǎn)化研究”（08102360028）.

（2014-08-25）

史利強（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向：軌道交通乘客信息系統(tǒng)。

郭秀清（1965-），女，副教授，主要研究方向：過程控制與計算機控制。