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【摘要】軌道交通在運(yùn)行過程中出現(xiàn)安全事故的情況并不少見，其很大部分原因是由于軌道交通運(yùn)行參數(shù)獲取不及時(shí)、不全面等原因造成的。本文設(shè)計(jì)了一種基于DSP的軌道交通綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集并分析軌道交通運(yùn)行中的多種參數(shù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，保障了列車的安全運(yùn)行。本文的研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

【關(guān)鍵詞】軌道交通；數(shù)據(jù)采集；DSP；串口通信

城市軌道交通的發(fā)展給市民的出行帶來了很大的便利，但由于軌道通道運(yùn)營不當(dāng)所造成的安全隱患也日益突出[1]。近年來，地鐵安全事件時(shí)有報(bào)道，這與軌道交通系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集不及時(shí)、不全面、不準(zhǔn)確等原因是有很大關(guān)系的[2]。因此，在列車運(yùn)行過程中，對車內(nèi)外的關(guān)鍵設(shè)備及環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控是十分必要的[3]。本文提出了一款基于DSP的軌道交通綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以綜合采集溫度、濕度、氣壓、煙霧等參數(shù)，為列車運(yùn)行提供可靠的保障。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中遵循了模塊化設(shè)計(jì)思想，按系統(tǒng)功能分為數(shù)據(jù)采集模塊、視頻監(jiān)控模塊和上位機(jī)模塊。各模塊間采用Modbus協(xié)議完成軌道交通各類數(shù)據(jù)的傳輸，由上位機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行。軌道交通綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

1.2總體功能設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的總體架構(gòu)不難發(fā)現(xiàn)，模塊化的設(shè)計(jì)依據(jù)是系統(tǒng)的不同功能，本文將整個(gè)系統(tǒng)分為采集通信、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)處理三大功能。顯示功能主要在上位機(jī)中實(shí)現(xiàn)，通過在上位機(jī)中安裝視頻采集軟件和播放器將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示出來。視頻監(jiān)控與接觸網(wǎng)安全巡檢裝置配合使用，可以實(shí)現(xiàn)對地鐵運(yùn)行路線的視頻信號進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，對接觸網(wǎng)損壞、落石塌方、滲水等等妨礙交通運(yùn)行的情況進(jìn)行記錄。通信功能可以完成物理量、數(shù)字量和開關(guān)量的傳輸，為上位機(jī)和下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸提供媒介。數(shù)據(jù)處理功能可以對系統(tǒng)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和后處理。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的軌道交通綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有各類傳感器、開關(guān)電源、DSP、顯示器等硬件組成。

2.1傳感器

軌道交通通常需要長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，且持續(xù)處于黑暗、潮濕、封閉的惡劣環(huán)境中，因此對硬件的可靠性和穩(wěn)定性要求非常高。根據(jù)軌道交通運(yùn)行的環(huán)境特點(diǎn)，本文選擇了溫度、濕度、壓力、煙霧等四個(gè)物理量作為監(jiān)測對象，相應(yīng)地采用了DS18B20數(shù)字信號型溫度傳感器、MPX4115A壓阻式氣壓傳感器、AM2311數(shù)字式濕度傳感器以及非標(biāo)定制的煙霧傳感器。

2.2數(shù)字信號處理器

數(shù)字信號處理器即DSP，采用了具有哈佛總線架構(gòu)的TMS320F2812芯片，可以完成串行通信方式、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)緩存、信號處理等功能。該芯片內(nèi)部集成了一個(gè)高性能CPU，主頻150MHz，128KBFlash內(nèi)存，12位高速A/D轉(zhuǎn)換器，增強(qiáng)的CAN模塊以及多通道緩沖串口，可以滿足本系統(tǒng)的綜合數(shù)據(jù)采集要求。

2.3開關(guān)電源

電源模塊不是本系統(tǒng)的核心，但其穩(wěn)定性直接影響著整套系統(tǒng)的性能，因此設(shè)計(jì)高可靠的開關(guān)電源是十分必要的。根據(jù)系統(tǒng)硬件平臺各類電子元器件和傳感器的供電要求，開關(guān)電源需要提供5V和3.3V兩種不同幅值的直接電壓。根據(jù)該需求，本文采用了LM2576T-5.0集成穩(wěn)壓電路，充分利用了其內(nèi)部的自我保護(hù)電路，提高電源電路的穩(wěn)定性。

2.4串口通信電路

串通通信電路是DSP和外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的通路，TMS320F2812型DSP自帶一對串行通信模塊SCIA和SCIB，還提供了GPIO引腳，接收口SCIA/BRXD和發(fā)送口SCIA/BTXD，同時(shí)具有獨(dú)立的使能端，支持全雙工通信。DSP與外部上位機(jī)單元通過RS-485接口通信，這主要是考慮到信號傳輸距離和穩(wěn)定性的要求。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文采用CodeComposerStudio平臺進(jìn)行系統(tǒng)軟件開發(fā)，采用了面向?qū)ο蟮?、模塊化的編程方法，主要包括數(shù)據(jù)采集子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、顯示與報(bào)警子程序、人機(jī)交互子程序，各子程序在主程序的調(diào)度下協(xié)調(diào)統(tǒng)一工作，完成軌道交通的綜合數(shù)據(jù)采集。

3.1數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集子程序是本系統(tǒng)的重點(diǎn)，只有合理地設(shè)計(jì)采集軟件，才能實(shí)現(xiàn)有序的數(shù)據(jù)采集。溫度采集程序首先對設(shè)備進(jìn)行初始化，然后讀寫數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)在微處理器的控制下通過總線傳輸出去。處理器首先發(fā)送讀取數(shù)據(jù)的指令，DS18B20在收到命令后立即進(jìn)入溫度轉(zhuǎn)換狀態(tài)。處理器一旦檢測到480-960μs的低電平脈沖信號，就會通過通信接口讀取數(shù)據(jù)。氣壓采集程序首先通過DSP的A/D模塊對采集到的氣壓模擬信號進(jìn)行數(shù)字化，然后根據(jù)線性變換公式得到氣壓值。濕度采集程序啟動后先等待2S，以避免傳感器在穩(wěn)定之前傳出異常數(shù)據(jù)，然后通過控制傳感器的SDA引腳和DSP的GPIO接口完成數(shù)據(jù)的采集。煙霧報(bào)警程序由于只采集開關(guān)量，只要檢測到高電平即可啟動煙霧報(bào)警。

3.2串口通信程序設(shè)計(jì)

串口通信采用RS-485標(biāo)準(zhǔn)接口，MODBUS通信協(xié)議。協(xié)議由主機(jī)或從機(jī)地址、命令字、信息字和校驗(yàn)碼等四大部分組成。地址是設(shè)備的唯一標(biāo)識，每臺可通信的設(shè)備都具有唯一的地址。命令字即功能代碼，它代表了本條數(shù)據(jù)包中所執(zhí)行的操作類型。信息字則是真正的數(shù)據(jù)內(nèi)容，它由一系列的字節(jié)組成。校驗(yàn)碼可以對通信數(shù)據(jù)的正確進(jìn)行檢驗(yàn)，采用CRC16循環(huán)冗余碼檢驗(yàn)，占兩個(gè)字節(jié)。當(dāng)下位機(jī)監(jiān)測到首個(gè)地址碼時(shí)，DSP會自動啟動接收中斷程序，同時(shí)將數(shù)據(jù)放到緩沖區(qū)中。

4總結(jié)

隨著我國主要城市軌道交通運(yùn)營線路的不斷增加，軌道交通運(yùn)營安全問題將受到越來越多人的關(guān)注。綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是軌道交通運(yùn)營監(jiān)控的重要組成部分。隨著技術(shù)的發(fā)展，各種基于光纖、以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線、無線通信等新技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)也逐步走進(jìn)地鐵運(yùn)營技術(shù)體系，發(fā)揮著越來越重要的作用。因此，本文設(shè)計(jì)的軌道交通綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]劉志宏.地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)系統(tǒng)研究[J].通訊世界，2018（5）：21-22.

[2]錢偉強(qiáng).淺談城軌中信號系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)[J].通訊世界，2017（14）：155.

[3]陳思維，蘇國輝，于辰棟，等.地鐵列車車載信號設(shè)備數(shù)據(jù)采集及智能預(yù)警系統(tǒng)[J].輕型汽車技術(shù)，2018（Z4）：27-29.

作者：王亮 單位：南昌軌道交通集團(tuán)有限公司