基于GSM、GPS及CAN总线的列车行程测量系统的研究

引言

随着铁路运输向高速度、高密度方向发展,安全工作将更加重要。一旦发生事故,不仅中断行车、打乱正常运行秩序,在经济上造成严重的损失,而且还会在社会上产生不良影响。为保证列车快速、安全、舒适、高效地在高速线上运行,对铁路列车进行及时的检修是非常重要的。列车检修周期主要以列车行驶的里程为参考,所以及时准确地记录列车的行驶里程是保证列车安全运行的关键。以往对列车各车厢行驶里程的记录是采用人工记录计算机存储的方式,有时由于工作人员的疏忽,就可能造成记录表丢失或漏记现象,这样就会使列车的实际行驶里程与记录的行驶里程不符,从而使列车不能得到及时地检修,为列车的安全运行造成了隐患。因此,研制一个能够自动记录列车行驶里程的网络系统是至关重要的。

本系统就是为了满足上述要求而开发的,它是利用美国GPS(Global Positioning System)全球定位系统,结合CAN(Controller Area Network)总线技术和GSM(Global System for Mobile Communication)移动通信技术的产物。其主要功能是依靠GPS来定位列车的位置,通过单片机来累计列车的行驶里程,利用CAN总线在列车各个车厢间建立局域网,通过GSM网络将列车各车厢的行驶里程数据传送回监控中心,并由监控中心进行统一的监控和管理。本系统采用GSM短消息进行数据传输,它不需要建立拨号连接,只需把要发的信息加上目的地址发送到短消息中心,再由短消息中心转发到最终目标。短消息每次限制在160个字节以内,这对传送列车行驶里程数据已足够。本系统利用GSM短消息业务进行数据传输,最大的优点就在于连接简单、费用低廉、覆盖面广,实现方便。

系统的组成

系统由GPS卫星、车载终端、GSM公众网和监控中心组成,其系统原理图如图1所示。

GPS卫星不间断发送导行电文,由车载终端上的GPS接收机接受,并进行解码处理,进而输出定位数据。车载终端包括主控车载终端和被控车载终端。主控车载终端安装于火车头,它由GPS接收模块、信息处理和控制模块、GSM通信模块、键盘输入模块、显示模块和CAN总线通讯控制模块组成,负责GPS信息的接受、数据的处理、CAN总线的通讯控制、GSM信息的发送等；被控车载终端安装于各车厢,它由信息处理和控制模块、CAN总线通讯模块、键盘输入及显示模块组成,负责本节车厢行驶里程的累计以及与主控车载终端的通讯等。主控车载终端与被控车载终端通过CAN总线相连形成局域网。车载终端通过GSM网络用短消息方式将列车行驶里程数据发送至监控中心。监控中心主要由GSM通讯模块、监控主机、管理数据库及综合数据接口组成,完成GSM信息的接受以及各列车行驶里程的统计和管理。

车载单元的硬件设计

车载单元的硬件主要由四大模块组成：信息处理与控制模块、GPS接收模块、GSM通讯模块和CAN总线通讯控制模块。

信息处理与控制模块

信息处理与控制模块是车载终端的核心控制部件,它是一个由PIC单片机组成的系统,其主要功能是进行信息处理和控制车载终端的各组成部分,按照通信协议的要求执行相应的操作。本系统选用微芯公司生产的PIC18F458单片机,它有如下优点：

1)2MB的Flash程序存储器；
2)4kB的EEPROM数据存储器；
3)10MIPS的执行速度；
4)CAN总线模块；
5)功耗低：在4MHz时钟下工作耗电不超过2mA；在睡眠模式下耗电可低于1μA以下。
6)驱动能力强：每个I/O引脚吸入和输出电流的最大值可以分别达到25mA和20mA,能够直接驱动发光二极管LED、光电耦合器或者微型继电器等。

GPS接收模块

GPS接受模块即GPS接收机,它是GPS全球定位系统的用户终端,是全球定位系统的三大组成部分之一。车载终端就是通过它来实现定位功能的。本系统采用GAERMIN的GPS-OEM产品,它有12个通道,也就是同时可以跟踪多达12颗GPS卫星,从而能够快速的定位。GARMIN的GPS接收机功耗非常小,数据更新率为每秒一次,其优良的性能完全能够满足陆地导航的灵敏度需求。

考虑到单片机输入/输出为TTL电平,而OEM板输出为RS232标准串行接口,采用的是EIA电平,因此这里需要加入能完成TTL-EIA双电平转换电路。本系统采用一种新型RS232转换芯片MAX232,其内部有电压倍增电路和转换电路,仅需5V电源便可工作,因此使用十分方便。连接方式如图2所示。由于OEM板每秒刷新一次,为提高CPU利用率,采用UART(通用异步接收/发送器)来实现串行异步通信中串并行数据转换,也将大大提高CPU利用率。

作者：张兆好 周学 林景波 翟国富   来源：电子设计应用