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高速鐵路防風防雨安全監測報警系統
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、防雨安全監測報警及信息傳輸系統；分析數據采集和處理方法；利用軟件和硬件抗干擾技術，闡述通信高級語言實現多機通信的途徑。該系統無線通信距離遠，可方便地構成鐵路防風、防雨信息子系統并接入鐵路信息網。關鍵詞：防風防雨 安全監測 無線通信網 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生的列車災害事故都說明：一個及時、準確、可靠的報警系統，對于避免這些事故的發生至關重要。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，提出了安全監測系統方案：報警裝置對與列車安全行使有關的參數進行實時采集和處理，根據專家系統綜合處理采集的數據發出報警與限速信息，并通過無線通信將這些信息傳輸給列車上的調度中心。
一、系統總體設計
本系統分為兩大部分：一是對風速、風向、降雨量、環境溫度和軌道振動信號的監測裝置（裝于需監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據采集處理模塊，以RS-232-C標準接口芯片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；二是監控報警信息傳輸系統，利用有線通信或無線通信方式，實現該裝置同調度所的上位計算機（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絡結構，其結構框圖如圖1所示。
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1.硬件設計
監測裝置主要由數據采集處理模塊、無線通信模塊、硬件抗干擾模塊、數據存儲模塊等組成。監視裝置硬件結構框圖如圖2所示。
（1）單片機數據采集處理模塊
數據采集主要由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存儲歷史參數值及可修改常數、報警值設定等。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
電平轉換器由RS-232-C標準接口芯片MAX202CPE構成。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，這遠遠不能滿足實際要求。若采用RS-485接口，通信可達數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無線通信模塊由發射機、接收機、鎖相環、基帶處理及調制解調器、CPU（AT89C2051）、RS-232-C接口組成，如圖3所示。其通信原理為：采用MSK調制方式，將基帶信號調制并將功率放大成射頻信號，再利用VHF/UHF頻段發送和接收，然后解調、放大還原成相應的基帶信號，完成數據無線傳輸。FC-202無線數傳模塊內含VHF/UHF頻段范圍的無線收發機。收發采用雙鎖相環及雙VCO技術，收發轉換速度快，其接口為RS-232-C標準接口，可直接連接計算機或帶有串口的設備。FC-202無線數傳模塊可存儲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以內的遠距離無線數據傳輸。
（3）硬件抗干擾
單片機系統包括較大功率的電源電路、高速數字電路、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.軟件設計
（1）單片機多機通信程序設計
AT89C52單片機本身具有全雙工串行數據通信功能，其實現由SCON和PCON兩個特殊寄存器控制。本系統選用方式3的9位數據異步通信方式，無奇偶校驗。通信時各單片機裝置中SCON的SM2均設置為1，上位機發送某一地址碼并置R1，則所有的單片機均發生接收中斷，此時表明上位機發來的信息是1幀地址信息。當某一單片機發現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答信號返回給上位機，準備接收上位機發來的命令或數據。地址相符的單片機收第9位為
0的數據或命令；而地址不符的單片機則保持SM2=1，不能產生中斷標志，信息將拋棄，從而實現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機軟件設計
在串行通信中調用Windows的API接口方法，是實現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），能為應用程序提供串行通信功能。初始化和定時數據通信程序如下：
Dim Cindata As Variant
Dim Coutdata(0) As Byte
Private Sub Form_Load()
MSComm1.CommPort=2 '端口設置為2
MSComm1.PortOpen=True '打開端口
MSComm1.Settings="2400，n,8,1" '通信方式設置
MSConn1.InputMode=comliputModeBinary '以二進制形式傳送
End Sub
Private Sub Timer2_Timer()
Coutdata(0)=CUMADDRESS '發送下位機地址
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）軟件抗干擾設計
調試中發現常有死機、接觸不靈敏問題，因此必須考慮抗干擾設計方法。單片機受干擾導致出錯而無法自動恢復正常狀態，通常是由于RAM區數據被破壞的緣故。我們利用AT89C52的數據RAM單元在每一個主要程序模塊入口設置檢驗標導，結束時驗證其標志是否與入口時一致，還要驗證重要的數據標志是否正確（如鍵盤的鍵值），否則程序將進行出錯處理。另外，設備軟件看門狗，利用AT89C52不用的T2定時監視程序是否正常運行，這樣保證了運行的可靠性。
3.傳感器的標度轉換
（1）線性標度
對于風速傳感器，利用AT89C52的I/O口，測出與風速成正比的脈沖信號，因此可以線性標度。設0.5s內的最小脈沖數為A0=0個，最大脈沖數Amax為255個，A為測得的脈沖數；起始風速V0=0.08m/s，最大風速Vmax=65m/s，V為實際風速值。根據線性標度公式則有
（V-V0）/(Vmax-V0)=(A-A0)/(Amax-a0)
代入數據得V=(0.25459A+0.08)m/s
對于DS1820單線數字溫度傳感器，其溫度測量范圍是-55～+125℃，增量值為0.5℃。在n≤64范圍內（n為P1.0口所掛DS1820的個數），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換，經過1s的延時轉換時間后，再進行下一個DS1820操作。DS1820輸出的是與溫度成正比的數字信號，采用線性標度。設在P1.0口測得的數字信號值為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，監測機器運行時溫度是否正常；另一片置于機箱外，作為監測環境溫度之用。
（2）非線性標度
風向傳感器是應用格雷碼盤將風向機械信號轉換成電信號的。測量范圍為：0～360°，分辨率為3°。由于用8155并行口接收的7路格雷碼信號與風向成非線性關系，所以采用非線性標度。具體做法是將格雷碼與風向的對應關系存在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實現模數轉換，采用非線性標度轉換。加速主傳感器是將縱、橫向位移信號轉換成電壓模擬信號信號的裝置。標度轉換與風向傳感器相同。
二、監測報警系統功能特性
（1）是可方便切換的有線和無線通信網絡結構，系統構建靈活方便，可根據監測區段的實際情況靈活更改系統配置，具有良好的可維護性；
（2）調度所的PC機可動態顯示各監測點的列車限速或停車報警信息，并實時調度列車運行；
（3）裝置本身具有獨立的參數顯示、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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