基于XBee 和数传电台双模无线通信的重联机车信息同步系统设计

李晓阳

(河南思维信息技术有限公司,河南 郑州 451200)

0 引言

当线路坡度较大时,为保障列车的正常运行,铁路系统多采用多机车编组运行的方式牵引列车,如采用前一后二“推挽方式”的编组,三车分别位于车列头部和尾部,三车同步操纵保障列车运行安全。 特别是在多隧道区段,由于隧道反射、阻挡,造成基本的无线通话效率较低,可靠性不高。 本文提出一种基于低成本XBee 技术和数传电台进行双模无线通信的重联机车信息同步系统。 该系统利用XBee 和数传电台均进行信息的接收和发送。 此方式不仅能够作为冗余方式使用,而且能够提高数据源的实时性和安全性。 在隧道区域内行驶时,由于隧道的特性严重影响了无线通信质量,需要借助中继电台进行数据中转。 此时数传电台作为主要通信手段.在非隧道内行驶时,XBee 覆盖范围大、承载数据容量大、可自主组网、传输速度快,不易被干扰,使重联机车之间的传输数据会更加准确实时[1]。

1 系统整体结构

如图1 所示为一个整体重联机车信息同步系统。 该系统主要由信息同步系统主机、显示器、数传电台、采集模块、XBee 无线通信模块、通话模块等组成,各部分的功能如下。

图1 系统整体框架

(1)主机由电源插件、采集插件、数据处理插件、XBee 无线通信插件组成,主要完成机车运行监控数据及微机牵引数据采集及处理,并将实时运行信息进行记录,控制XBee 和数传电台向各重联机车发送本机数据信息,同时接收其他重联机车数据。

(2)显示屏用来接收主机传送的本机和重联机车的实时操纵数据,具备文字和语音提示功能,同时支持查询主机的记录数据、状态等信息查询。

(3)数传电台和XBee 无线通信插件用来实现编组车各机车间的无线数据传输及通话数据传输功能。

(4)采集模块用来采集机车运行监控系统和微机牵引系统相关操纵数据并传输给数据处理插件。

2 系统设计

2.1 无线数据传输设计

隧道的特性对无线通信影响较大,电台之间直接传递数据信号较弱或无法传递信号。 当系统主机判断机车行驶到该隧道区域时,向数传电台发送切换频点指令。 重联机车各机车之间的数据信息发送给隧道内的中继电台,再由中继电台将信息传输到车列尾部机车的双模无线通信系统。 同时,车列尾部两台机车距离很近,通过XBee 通信干扰很小,因此,可由其中一列机车数传电台向中继电台同时发送尾部两台机车的操纵数据,减少电台异频频段占用,提高无线通信效率。 系统通过无线数传电台+地面点中继电台+XBee 电台的方式,实现了在多隧道山区前、后机车的无线通信互联互通[2]。

机车数传电台采用450 MHz 电台,XBee 无线通信采用900 MHz 通信频段。 在非隧道区域行驶时,重联机车的各机车通过各自的XBee 无线通信系统直接进行通信。 数传电台与主机之间通过RS422 接口通信[3]。 XBee 模块与主机之间通过内部RS485 总线进行通信。 机车行驶过程中本务机车数传电台与其他电台采用轮询模式进行通信。 本务机车XBee 节点与其他机车XBee 节点自组网形成传输网络[4],同时进行数据收发,并由主机主控单元进行处理后,通过数传电台发送给远程电台。 无线数据传输如图2 所示。

图2 无线数据传输

2.2 硬件设计

主机数据处理单元插件采用32-bit ARM Cortex-M4/M0 MCU LPC4537 为控制核心,核心自带64K FRAM、 256 MB SDRAM、 512 MB NORFLASH, 采用集成隔离DC/DC 转换器的信号和电源隔离CAN 收发器ADM3053 实现双路隔离CAN 通信功能、提供以太网通信接口,采用5 kV rms隔离RS-485 收发器ADM2687 实现两路预留485 通信功能。 主控插件功能如图3 所示。

图3 数据处理单元插件功能

系统中使用的数传电台为450 MHz无线数传电台WSLJ 型号,由调制解调器加上通信控制MCU、数据存储及控制、输入输出电路、无线电台、电源等组成。 该系统具有RS422 电平接口,提供透明的数据接口;具有接收和发射射频信号,鉴频和调频能力,支持数据信号输入输出;具有频点选择切换和发射功率、接收门限参数设置和查询功能。

系统采用的XBee 模块是一种小型但功能完善的无线模块化ZigBee 嵌入式组件,支持双向操作收发,支持低成本低功耗的无线传感器网络工程。 模块只需要很小的功率,就能完成远程设备之间的数据传输。 模块运作900 MHz 频段,适用于低数据速率的短距离通信应用,尤其是无线传感器网络的设计和应用[5]。

XBee 模块整合了RF 前端、内存、SKY 功率放大器、EM250 无线收发器、低功耗高性能飞思卡尔S08核微控制器。 无线室外距离达到1 500 m; 发送及接收电流为215 mA 和55 mA,休眠时低于10 μA 的流耗。 AT/API 命令模式配置参数,广泛命令集,X-CTU(测试和配置)可供开发用。 如图4 所示为XBee 模块内部结构。

图4 XBee 模块内部

XBee 模块有发射和接收缓存,每个缓存提供100字节暂存,数据可从两方面同时抵达。 发射数据来自UART,接收数据自RF 链路经天线而来。 天线接收无线数据时,不能同时发射数据,因此将发射数据暂存在发射缓存里,而接收数据堆放在接收缓存内[6]。 只要RF 端数据流停止,XBee 将天线从接收切至发射,并将发射缓存内的数据发送到大气,同时UART 倒空接收缓存,把数据传输给应用设备。

2.3 软件设计

应用程序开发是实现重联机车信息同步系统DMI 显示终端功能逻辑。 本系统的总体架构由底层驱动和应用层构成,并按照对外接口的不同,将整个系统分为不同的功能模块,软件结构框架如图5所示。

图5 软件结构框架

总体软件结构中各个模块的功能概要描述如下。(1)内部总线管理模块:启动内部总线线程,接收平台内总线信息,监视内总线状态和复位内部总线,周期性发送自检信息到内部总线;采集列车实时运行状态信息、微机牵引电流、牵引力和手柄级位信息。

(2)与人机DMI 界面通信管理模块:监视总线状态和复位总线,响应人机界面命令,组织发送列车实时运行状态信息、无线数传电台通信状态和发送信息提示命令。

(3)数传电台和XBee 电台数据传输处理模块:包括接收电台数据处理的优先级、数据接收逻辑判断处理、轮询模式及发送周期切换逻辑。

(4)更新管理模块:包括线路报警信息基础数据更新和数据处理插件软件更新。

(5)驱动层模块:驱动层提供初始化函数供应用层调用,其中LED 驱动模块初始化LED 的GPIO 口;RS422/485 管理模块进行主从设置,与其他联编电台设备通信获取机车实时信息和机车动态参数;外CAN管理模块与机车监控系统进行信息交互,建立接收缓冲区,使用中断方式接收,并对优先级进行过滤,将所需数据保存在缓冲区中。 内CAN 管理模块负责系统内插件的信息交互,将组织好的数据通过CAN 总线,发送到系统内总线,内部总线管理程序流程如图6所示。

图6 内部总线管理流程

数传电台和XBee 电台数据传输先由人机设定信息确定相应的工作状态。 当设置为主机模式时,由主机向从机申请机车信息;当设置为从机模式时,则设置电台为接收状态。 当收到主机数据申请时,再向主机发送机车实时数据,程序流程如图7 所示。

图7 电台数据传输处理管理流程

2.4 功能展示

显示器负责接收主机接收到重联机车相关手柄级位、列车管压、机车速度、公里标、制动缸压、牵引力/电流等关键的同步操纵数据,通过分屏显示的设计进行展示,使各个重联机车上的司机均能直观地看到联编机车的实时操纵相关数据信息,便于司机人员之间的进一步同步操纵,降低行车安全风险。

3 结语

本文设计了一种基于XBee 和数传电台双模无线通信的重联机车信息同步系统,包括设置在重联机车每台机车上的双模无线通信系统和设置在隧道内的中继电台。 双模无线通信系统包括XBee 电台和机车数传电台,结合隧道和非隧道区域行驶不同的通信处理逻辑,提高了重联机车之间的无线数据交互的实时性和准确性,有效解决了长期以来多机联控问题,实现对本、补机车间实时监测,在关键地点和时机,自动对本、补机车进行自动语音提示,使本务司机及时掌握列车状态信息,也使补机司机能自动获知前方信号和距离及手柄操纵信息。 同时,该系统降低了乘务员的工作强度、提高了机车运输效率,其产生的安全与社会效益也相当可观。