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轨道交通数据采集系统设计研究

2019/12/09 阅读:

【摘要】轨道交通在运行过程中出现安全事故的情况并不少见,其很大部分原因是由于轨道交通运行参数获取不及时、不全面等原因造成的。本文设计了一种基于DSP的轨道交通综合数据采集系统,实时采集并分析轨道交通运行中的多种参数并进行实时分析,保障了列车的安全运行。本文的研究具有一定的现实意义。

【关键词】轨道交通;数据采集;DSP;串口通信

城市轨道交通的发展给市民的出行带来了很大的便利,但由于轨道通道运营不当所造成的安全隐患也日益突出[1]。近年来,地铁安全事件时有报道,这与轨道交通系统的数据采集不及时、不全面、不准确等原因是有很大关系的[2]。因此,在列车运行过程中,对车内外的关键设备及环境进行实时监控是十分必要的[3]。本文提出了一款基于DSP的轨道交通综合数据采集系统,可以综合采集温度、湿度、气压、烟雾等参数,为列车运行提供可靠的保障。

1系统总体方案设计

1.1总体结构设计

本系统在设计过程中遵循了模块化设计思想,按系统功能分为数据采集模块、视频监控模块和上位机模块。各模块间采用Modbus协议完成轨道交通各类数据的传输,由上位机控制整个系统的协调运行。轨道交通综合数据采集系统的总体架构如图1所示。

1.2总体功能设计

根据系统的总体架构不难发现,模块化的设计依据是系统的不同功能,本文将整个系统分为采集通信、数据显示和数据处理三大功能。显示功能主要在上位机中实现,通过在上位机中安装视频采集软件和播放器将实时数据展示出来。视频监控与接触网安全巡检装置配合使用,可以实现对地铁运行路线的视频信号进行实时分析,对接触网损坏、落石塌方、渗水等等妨碍交通运行的情况进行记录。通信功能可以完成物理量、数字量和开关量的传输,为上位机和下位机之间的数据传输提供媒介。数据处理功能可以对系统采集的实时数据进行分析和后处理。

2系统硬件设计

本文设计的轨道交通综合数据采集系统主要有各类传感器、开关电源、DSP、显示器等硬件组成。

2.1传感器

轨道交通通常需要长时间连续运行,且持续处于黑暗、潮湿、封闭的恶劣环境中,因此对硬件的可靠性和稳定性要求非常高。根据轨道交通运行的环境特点,本文选择了温度、湿度、压力、烟雾等四个物理量作为监测对象,相应地采用了DS18B20数字信号型温度传感器、MPX4115A压阻式气压传感器、AM2311数字式湿度传感器以及非标定制的烟雾传感器。

2.2数字信号处理器

数字信号处理器即DSP,采用了具有哈佛总线架构的TMS320F2812芯片,可以完成串行通信方式、A/D转换、数据缓存、信号处理等功能。该芯片内部集成了一个高性能CPU,主频150MHz,128KBFlash内存,12位高速A/D转换器,增强的CAN模块以及多通道缓冲串口,可以满足本系统的综合数据采集要求。

2.3开关电源

电源模块不是本系统的核心,但其稳定性直接影响着整套系统的性能,因此设计高可靠的开关电源是十分必要的。根据系统硬件平台各类电子元器件和传感器的供电要求,开关电源需要提供5V和3.3V两种不同幅值的直接电压。根据该需求,本文采用了LM2576T-5.0集成稳压电路,充分利用了其内部的自我保护电路,提高电源电路的稳定性。

2.4串口通信电路

串通通信电路是DSP和外界进行数据交换的通路,TMS320F2812型DSP自带一对串行通信模块SCIA和SCIB,还提供了GPIO引脚,接收口SCIA/BRXD和发送口SCIA/BTXD,同时具有独立的使能端,支持全双工通信。DSP与外部上位机单元通过RS-485接口通信,这主要是考虑到信号传输距离和稳定性的要求。

3系统软件设计

本文采用CodeComposerStudio平台进行系统软件开发,采用了面向对象的、模块化的编程方法,主要包括数据采集子程序、数据处理子程序、显示与报警子程序、人机交互子程序,各子程序在主程序的调度下协调统一工作,完成轨道交通的综合数据采集。

3.1数据采集程序设计

数据采集子程序是本系统的重点,只有合理地设计采集软件,才能实现有序的数据采集。温度采集程序首先对设备进行初始化,然后读写数据,并对数据的格式进行转换,数据在微处理器的控制下通过总线传输出去。处理器首先发送读取数据的指令,DS18B20在收到命令后立即进入温度转换状态。处理器一旦检测到480-960μs的低电平脉冲信号,就会通过通信接口读取数据。气压采集程序首先通过DSP的A/D模块对采集到的气压模拟信号进行数字化,然后根据线性变换公式得到气压值。湿度采集程序启动后先等待2S,以避免传感器在稳定之前传出异常数据,然后通过控制传感器的SDA引脚和DSP的GPIO接口完成数据的采集。烟雾报警程序由于只采集开关量,只要检测到高电平即可启动烟雾报警。

3.2串口通信程序设计

串口通信采用RS-485标准接口,MODBUS通信协议。协议由主机或从机地址、命令字、信息字和校验码等四大部分组成。地址是设备的唯一标识,每台可通信的设备都具有唯一的地址。命令字即功能代码,它代表了本条数据包中所执行的操作类型。信息字则是真正的数据内容,它由一系列的字节组成。校验码可以对通信数据的正确进行检验,采用CRC16循环冗余码检验,占两个字节。当下位机监测到首个地址码时,DSP会自动启动接收中断程序,同时将数据放到缓冲区中。

4总结

随着我国主要城市轨道交通运营线路的不断增加,轨道交通运营安全问题将受到越来越多人的关注。综合数据采集系统是轨道交通运营监控的重要组成部分。随着技术的发展,各种基于光纤、以太网、现场总线、无线通信等新技术的监控系统也逐步走进地铁运营技术体系,发挥着越来越重要的作用。因此,本文设计的轨道交通综合数据采集系统具有广阔的应用前景。

参考文献

[1]刘志宏.地铁综合监控系统的数据备份与恢复系统研究[J].通讯世界,2018(5):21-22.

[2]钱伟强.浅谈城轨中信号系统的接口设计[J].通讯世界,2017(14):155.

[3]陈思维,苏国辉,于辰栋,等.地铁列车车载信号设备数据采集及智能预警系统[J].轻型汽车技术,2018(Z4):27-29.

作者:王亮 单位:南昌轨道交通集团有限公司

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