单片机在铁运处调度监督系统中的应用.doc

单片机在铁运处调度监督系统中的应用

摘要：根据煤炭铁路专用线的特点，以Intel89C51单片机为核心，以普通通信电缆为传输介质，利用调频技术、差错控制和现场总线技术来构建低成本铁路指挥系统。
关键词：监督系统；89C51单片机；现场总线；数据库
1 概况
铁运处调度监督系统是铁运处与西安科技大学共同研发的一套调度指挥系统，它充分考虑了矿区铁路的特点，结合我处的实际情况，利用现有的传输设备，量身打造了一套监督系统，它具有结构简单、操作方便、便于维护、信号采集准确发送迅速的特点，调度员不出调度室就可以随时掌握机车动态及各车站股道占用情况，还具有记录道岔历史工作状态的黑匣子功能，为调度员合理安排运输计划，提高机车运用效率，压缩停时，安全行车，提供了准确信息，加快了货物周转，提高了企业效益，实践了利用科技进步促进企业发展的战略。另外，该系统采用单元模块设计，便于与其它设备兼容及设备升级改造，经过几年来的不断改进，该设备现在运行稳定、抗干扰能力强、传送信号准确，是一项非常成功的科研项目。
2 铁路调度监督系统总体设计
2.1 系统硬件组成
如图1所示，系统是由4部分组成：现场采集单元、信号转发单元、显示单元和数据采集服务器。现场采集单元负责开关量、模拟量采集和上下位机通信；信号转发单元由双CPU组成，实现通信线路分时控制、数据编码、差错控制和数字调制解调；显示单元为驱动单元，主要实现信息分组和地址识别；数据采集服务器实现计算机模拟站场显示，进路和故障数据分站存档等功能。

图1 系统总体结构图
2.2 系统软件组成
对应各硬件单元模块，系统软件系统包括数据采集模块、转发器软件模块和数据库管理模块。各模块之间采用统一的数据传输格式和物理表示意义，保证数据之间的透明传输。数据采集软件与转发器软件接口采用485总线多机通信方式，各转发器软件之间采用串行异步接收，总调度室转发器软件单向同时输出于485协议和232协议两路信号，作为显示单元软件和数据库管理软件的数据源。
3 系统各单元硬件设计
3.1 现场采集单元设计
开关量采集原则：1）信号采集单元和电气集中系统必须有完整的电气隔离；（2）不影响铁路信号集中连锁系统正常工作；（3）详细设计施工程序，避免产生不安全因素。因此该采集单元设计时采用光电耦合器进行电气隔离，在光电耦合器外侧，为了完全排除电源产生串电的可能性和施工安全性，所以外部利用信号组合架零层电源，电流小于总电流的0.5%，在组合架的信号输出端加阻值为2K的衰减盒。采集的开关量信号经过施密特整形电路，由I/O芯片8255读入CPU；模拟量采集通过现场专用的一次型仪表输出标准0~20mA信号，经电压取样，低通滤波，A/D转换以SPI总线方式读入CPU，A/D转换芯片采用的是TI公司的TLC2543，11路A/D输入，12位转换精度。与转发器通信利用CPU自身串行口，经MAX485芯片转换为485电平直接挂接到RS485现场总线上。
3.2 转发器单元设计
该单元的核心是双单片机结构，如图2所示。MSM7512B芯片为专用数字调制解调芯片，具有2FSK调制解调模式，最大传输速度为1200bps。CC4060分频器作为CPU1的定时输入脉冲。CC4502为四路模拟开关用作线路切换。双CPU实现数据处理和总线控制，它们之间的协调由CPU1控制。具体过程如下：系统复位初始化后，CC4502模拟开关为XO与X、YO与Y通，MSM7512B1接收前车站发来的模拟信号解调形成数字信号，一方面通过CC4502模拟开关转发给MSM7512B2再经调制输出，另一方面送CPU1进行数据处理，CPU1判断信号数据来源的车站地址，计算该信号包发完的时间，启动CC4060计时，发中断给CPU2通知可发送本车站数据。CPU2在接收到中断后，采集本车站数据，进行编码、信息打包后，切换CC4052模拟开关为X1与X，Y1与Y通，通过MSM7512B进行数字调制后发送，发送完毕，切换CC4052为XO与X，YO与Y通，把通信线路返回给中央处理单元CPU1。

图2 转发器单元
3.3 显示单元与数据采集服务器
在指挥系统中，与总调度转发器通信有2个部分，一是RS485总线接口与显示单元连接，二是RS232接口与数据采集服务器连接。该2路信号为流水型信号，即无握手信号，单方向传输。
显示单元以RS485接口接收由总调度转发器单元发来的裸数据，查找符合本单元驱动卡地址的数据，根据采集信号和显示光带的物理对应关系，对开关量信号进行数据重组，通过8255静态I/O口、光电耦合器和集成放大电路驱动光带，点亮大屏，模拟站场。模拟量数字信号经过物理标定后，通过SPI送相应的数码管显示。
数据采集服务器与企业局域网连接，通过RS232串口接收来自转发器发来的数据流，经软件处理后，模拟站场形状，显示设备的运行参数，存储有效数据。
4 系统软件设计
本系统低端采用MSC-51汇编语言，程序简洁，占用存储空间小、采集实时、运行可靠；高端采用面向对象的VB编程，界面友好，操作性强。下面简单介绍一下转发器模块和计算机模拟站场模块的实现。
4.1转发器软件
该软件模块是整个指挥系统的核心，由双CPU组成，软件分两部分：CPU1的分时控制软件和CPU2的数据处理软件。分时控制软件实现发送时序控制、数据校验、地址识别和申请中断等功能。数据处理软件实现中间层数据采集、编码、信息打包和启动发送功能。流程图如图四、图五所示。
发送时序控制为异步分时多路复用，即各车站按预先数据传输量计算好所占用的时间长度，在一定节拍下轮流发送。该节拍不是通过统一的时钟源来实现，而是通过互相监督彼此的发送状况进而决定发送时机。具体实现步骤：按通信总线上所有信息通信一次的时间作为一个发送周期，各站在周期的恰当时间内插入本站信息。插入的原则是本站顺次位以前的车站发送完信息或等待时间超过一个发送周期，时序如图3所示。

图3 分时时序图
发送周期T= T1 + T2+ T3+ T4+ 4Rt
式中 Rt——冗余间隔。
各车站发送时间长度 Ti=10X/1.2
式中 X=发送字节数；
i=各站顺次位。
各站信息插入时刻
Ti=[T（i-1）+ T（i-2）+…+ T1+( i-1) Rt]/2.048
式中T（i-1）——当前接收上车站发送时间长度；
2.048——CC4060计时1ms的脉冲数。
4.2 计算机模拟站场模块
该模块基于关系型数据库原理，把每个采集信号点的特征、位置、编号和显示颜色在屏幕坐标系中进行数字化，形成静态表，再以编号，当前状态为字段形成动态表。数据来临后，逐位比较当前状态有无变化，发现变化，则根据编号提取图库对屏幕图形按当前条件进行重画并修改动态表。因为该方案对只有变化的屏幕图形作颜色调整，所以比以往的图形显示方法要快的多，同时在记录变化进路时，只记录采集点的编号和变化条件，所需存储空间小。

图4 数据采集流程图 图5 转发器软件流程图
5 结语
该系统已投入使用多年，实践证明具有如下特点：（1）采用单片机开发，提高了抗干扰和连续运行的能力。（2）可扩展能力强，现场采集单元可方便地增减，整个系统不做变化。（3）结构简单，便于维护、学习掌握和自行设计。（4）计算机图形显示和大屏图形显示同步独立输出。（5）企业内部局域网可随时访问数据库服务器，查看站场现状、打印报表。（6）数据的自动存储，实现后期黑匣子查询。（7）各分站转发器单元都具有RS232接口，维修人员可通过便携式计算机或专业检测器查看本站运行情况。（8）硬件总成本低，性价比优。
参考文献：[1]杨龙民.单片机技术及应用[M].陕西:西安电子科技大学出版社,1997.
[2]樊昌信,詹道庸.通信原理[M].北京:国防工业出版社,1995.
[3]陈坚,孙志月.通信编程技术[M].陕西西安电子科技大学出版社,1999.

4