基于XBee 和數傳電臺雙模無線通信的重聯機車信息同步系統設計

李曉陽

(河南思維信息技術有限公司,河南 鄭州 451200)

0 引言

當線路坡度較大時,為保障列車的正常運行,鐵路系統多采用多機車編組運行的方式牽引列車,如采用前一后二“推挽方式”的編組,三車分別位于車列頭部和尾部,三車同步操縱保障列車運行安全。 特別是在多隧道區段,由于隧道反射、阻擋,造成基本的無線通話效率較低,可靠性不高。 本文提出一種基于低成本XBee 技術和數傳電臺進行雙模無線通信的重聯機車信息同步系統。 該系統利用XBee 和數傳電臺均進行信息的接收和發送。 此方式不僅能夠作為冗余方式使用,而且能夠提高數據源的實時性和安全性。 在隧道區域內行駛時,由于隧道的特性嚴重影響了無線通信質量,需要借助中繼電臺進行數據中轉。 此時數傳電臺作為主要通信手段.在非隧道內行駛時,XBee 覆蓋范圍大、承載數據容量大、可自主組網、傳輸速度快,不易被干擾,使重聯機車之間的傳輸數據會更加準確實時[1]。

1 系統整體結構

如圖1 所示為一個整體重聯機車信息同步系統。 該系統主要由信息同步系統主機、顯示器、數傳電臺、采集模塊、XBee 無線通信模塊、通話模塊等組成,各部分的功能如下。

圖1 系統整體框架

(1)主機由電源插件、采集插件、數據處理插件、XBee 無線通信插件組成,主要完成機車運行監控數據及微機牽引數據采集及處理,并將實時運行信息進行記錄,控制XBee 和數傳電臺向各重聯機車發送本機數據信息,同時接收其他重聯機車數據。

(2)顯示屏用來接收主機傳送的本機和重聯機車的實時操縱數據,具備文字和語音提示功能,同時支持查詢主機的記錄數據、狀態等信息查詢。

(3)數傳電臺和XBee 無線通信插件用來實現編組車各機車間的無線數據傳輸及通話數據傳輸功能。

(4)采集模塊用來采集機車運行監控系統和微機牽引系統相關操縱數據并傳輸給數據處理插件。

2 系統設計

2.1 無線數據傳輸設計

隧道的特性對無線通信影響較大,電臺之間直接傳遞數據信號較弱或無法傳遞信號。 當系統主機判斷機車行駛到該隧道區域時,向數傳電臺發送切換頻點指令。 重聯機車各機車之間的數據信息發送給隧道內的中繼電臺,再由中繼電臺將信息傳輸到車列尾部機車的雙模無線通信系統。 同時,車列尾部兩臺機車距離很近,通過XBee 通信干擾很小,因此,可由其中一列機車數傳電臺向中繼電臺同時發送尾部兩臺機車的操縱數據,減少電臺異頻頻段占用,提高無線通信效率。 系統通過無線數傳電臺+地面點中繼電臺+XBee 電臺的方式,實現了在多隧道山區前、后機車的無線通信互聯互通[2]。

機車數傳電臺采用450 MHz 電臺,XBee 無線通信采用900 MHz 通信頻段。 在非隧道區域行駛時,重聯機車的各機車通過各自的XBee 無線通信系統直接進行通信。 數傳電臺與主機之間通過RS422 接口通信[3]。 XBee 模塊與主機之間通過內部RS485 總線進行通信。 機車行駛過程中本務機車數傳電臺與其他電臺采用輪詢模式進行通信。 本務機車XBee 節點與其他機車XBee 節點自組網形成傳輸網絡[4],同時進行數據收發,并由主機主控單元進行處理后,通過數傳電臺發送給遠程電臺。 無線數據傳輸如圖2 所示。

圖2 無線數據傳輸

2.2 硬件設計

主機數據處理單元插件采用32-bit ARM Cortex-M4/M0 MCU LPC4537 為控制核心,核心自帶64K FRAM、 256 MB SDRAM、 512 MB NORFLASH, 采用集成隔離DC/DC 轉換器的信號和電源隔離CAN 收發器ADM3053 實現雙路隔離CAN 通信功能、提供以太網通信接口,采用5 kV rms隔離RS-485 收發器ADM2687 實現兩路預留485 通信功能。 主控插件功能如圖3 所示。

圖3 數據處理單元插件功能

系統中使用的數傳電臺為450 MHz無線數傳電臺WSLJ 型號,由調制解調器加上通信控制MCU、數據存儲及控制、輸入輸出電路、無線電臺、電源等組成。 該系統具有RS422 電平接口,提供透明的數據接口;具有接收和發射射頻信號,鑒頻和調頻能力,支持數據信號輸入輸出;具有頻點選擇切換和發射功率、接收門限參數設置和查詢功能。

系統采用的XBee 模塊是一種小型但功能完善的無線模塊化ZigBee 嵌入式組件,支持雙向操作收發,支持低成本低功耗的無線傳感器網絡工程。 模塊只需要很小的功率,就能完成遠程設備之間的數據傳輸。 模塊運作900 MHz 頻段,適用于低數據速率的短距離通信應用,尤其是無線傳感器網絡的設計和應用[5]。

XBee 模塊整合了RF 前端、內存、SKY 功率放大器、EM250 無線收發器、低功耗高性能飛思卡爾S08核微控制器。 無線室外距離達到1 500 m; 發送及接收電流為215 mA 和55 mA,休眠時低于10 μA 的流耗。 AT/API 命令模式配置參數,廣泛命令集,X-CTU(測試和配置)可供開發用。 如圖4 所示為XBee 模塊內部結構。

圖4 XBee 模塊內部

XBee 模塊有發射和接收緩存,每個緩存提供100字節暫存,數據可從兩方面同時抵達。 發射數據來自UART,接收數據自RF 鏈路經天線而來。 天線接收無線數據時,不能同時發射數據,因此將發射數據暫存在發射緩存里,而接收數據堆放在接收緩存內[6]。 只要RF 端數據流停止,XBee 將天線從接收切至發射,并將發射緩存內的數據發送到大氣,同時UART 倒空接收緩存,把數據傳輸給應用設備。

2.3 軟件設計

應用程序開發是實現重聯機車信息同步系統DMI 顯示終端功能邏輯。 本系統的總體架構由底層驅動和應用層構成,并按照對外接口的不同,將整個系統分為不同的功能模塊,軟件結構框架如圖5所示。

圖5 軟件結構框架

總體軟件結構中各個模塊的功能概要描述如下。(1)內部總線管理模塊:啟動內部總線線程,接收平臺內總線信息,監視內總線狀態和復位內部總線,周期性發送自檢信息到內部總線;采集列車實時運行狀態信息、微機牽引電流、牽引力和手柄級位信息。

(2)與人機DMI 界面通信管理模塊:監視總線狀態和復位總線,響應人機界面命令,組織發送列車實時運行狀態信息、無線數傳電臺通信狀態和發送信息提示命令。

(3)數傳電臺和XBee 電臺數據傳輸處理模塊:包括接收電臺數據處理的優先級、數據接收邏輯判斷處理、輪詢模式及發送周期切換邏輯。

(4)更新管理模塊:包括線路報警信息基礎數據更新和數據處理插件軟件更新。

(5)驅動層模塊:驅動層提供初始化函數供應用層調用,其中LED 驅動模塊初始化LED 的GPIO 口;RS422/485 管理模塊進行主從設置,與其他聯編電臺設備通信獲取機車實時信息和機車動態參數;外CAN管理模塊與機車監控系統進行信息交互,建立接收緩沖區,使用中斷方式接收,并對優先級進行過濾,將所需數據保存在緩沖區中。 內CAN 管理模塊負責系統內插件的信息交互,將組織好的數據通過CAN 總線,發送到系統內總線,內部總線管理程序流程如圖6所示。

圖6 內部總線管理流程

數傳電臺和XBee 電臺數據傳輸先由人機設定信息確定相應的工作狀態。 當設置為主機模式時,由主機向從機申請機車信息;當設置為從機模式時,則設置電臺為接收狀態。 當收到主機數據申請時,再向主機發送機車實時數據,程序流程如圖7 所示。

圖7 電臺數據傳輸處理管理流程

2.4 功能展示

顯示器負責接收主機接收到重聯機車相關手柄級位、列車管壓、機車速度、公里標、制動缸壓、牽引力/電流等關鍵的同步操縱數據,通過分屏顯示的設計進行展示,使各個重聯機車上的司機均能直觀地看到聯編機車的實時操縱相關數據信息,便于司機人員之間的進一步同步操縱,降低行車安全風險。

3 結語

本文設計了一種基于XBee 和數傳電臺雙模無線通信的重聯機車信息同步系統,包括設置在重聯機車每臺機車上的雙模無線通信系統和設置在隧道內的中繼電臺。 雙模無線通信系統包括XBee 電臺和機車數傳電臺,結合隧道和非隧道區域行駛不同的通信處理邏輯,提高了重聯機車之間的無線數據交互的實時性和準確性,有效解決了長期以來多機聯控問題,實現對本、補機車間實時監測,在關鍵地點和時機,自動對本、補機車進行自動語音提示,使本務司機及時掌握列車狀態信息,也使補機司機能自動獲知前方信號和距離及手柄操縱信息。 同時,該系統降低了乘務員的工作強度、提高了機車運輸效率,其產生的安全與社會效益也相當可觀。