毕业设计（论文）-基于GSM的CBTC功能仿真.doc

西西 南南 交交 通通 大大 学学 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 论论 文文 基于 GSM 的 CBTC 功能仿真 全套设计加扣 3012250582 年 级: 2010 级 姓 名: XXX 申请学位级别: 工 学 学 士 专 业: 铁道信号 指 导 老 师: XXX 二零一四年六月 承承 诺诺 本人郑重承诺：所呈交的设计（论文）是本人在导师的指导下独立 进行设计（研究）所取得的成果，除文中特别加以标注引用的内容外， 本文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的设计（研究）成果。 对本设计（研究）做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 如被发现设计（论文）中存在抄袭、造假等学术不端行为，本人愿承担 一切后果。 学生签名： 年 月 日 院 系 计算机与通信工程系 专 业 铁道信号 年 级 2010 级 姓 名 XXX 题 目 基于 GSM 的 CBTC 功能仿真 指导教师 评 语 指导教师 (签章) 评 阅 人 评 语 评 阅 人 (签章) 成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 班 级 信号 3 班 学生姓名 XXX 学 号 20107915 发题日期：2010 年 2 月 21 日 完成日期： 2010 年 6 月 13 日 题 目： CBTC 系统的模拟实现 1 1、本论文的目的、意义本论文的目的、意义 随着铁路运输速度的不断提高，传统的列车控制系统已不能满足要求， CBTC（基于通信的列车控制系统）在高速铁路上的地位日趋重要。CBTC 系统是一 个车地双向通信系统，可以满足高速铁路列车控制的要求，在高速铁路的发展上， CBTC 无疑是一个重要方向。 本论文主要 CBTC 工作过程角度出发，对 CBTC 系统数据传输过程和部分功能 进行仿真实现。使学生更深入的理解专业知识，将所学的专业知识用于实践，提 高学生运用知识的能力。学生能从中学习和掌握 CBTC 系统的一系列知识，同时 达到掌握并能熟练使用 VC+语言开发工具的目的。 2 2、学生应完成的任务、学生应完成的任务 （1）国内外研究状况、水平及发展的趋势； （3）CBTC 信息数据传输过程分析； （4）CBTC 系统的仿真； （5）要求所编制的软件在答辩时演示； （6）应完成毕业设计(论文)的中文摘要翻译成英文。 3 3、论文各部分内容及时间分配：（共、论文各部分内容及时间分配：（共 1616 周）周） 第一部分 对于相关资料的收集和学习 （ 2 周） 第二部分 CBTC 系统研究（4 周） 第三部分 CBTC 系统仿真实现 （7 周） 第四部分 撰写毕业设计论文 （ 2 周） 评阅及答辩毕业答辩 （1 周） 备 注 答辩前应向指导老师交毕业设计（论文）说明书（书面文档应不少 于 1 万 2 千个汉字）和电子文档（含毕业设计（论文）说明书及应用软件） 。 指导教师： 王刻铭 2010 年 2 月 21 日 审 批 人： 年 月 日 西南交通大学本科生学位论文 第 I 页 摘 要 随着现代通信技术的发展并广泛应于列车控制系统，逐步形成了最新一代的 列车控制系统-基于通信的列车控制系统，即 CBTC(Communication Based Train Control System)。CBTC 采用了先进的通信和计算机技术，连续控制、监控列车 运行的移动闭塞方式。它能实现车地双向大容量通信，提供更加精确的列车定位。 本文总结了 CBTC 国内外的发展情况、功能及特点。针对 CBTC 在轨道交 通中功能，利用单片机、SIM900A 模块模拟 CBTC 的数据采集及传输部分，采 用 visual C+语言编写上位机模拟车载计算机以及 DMI(Driver Machine Interface) 显示。在模拟系统中单片机控制一块 SIM900A 发送相关数据到另一块 SIM900A，并通过串口将数据传送给上位机，完成列控系统的列车定位功能，显 示列车当前位置和距前车的距离，生成列车制动曲线并模拟列车运行过程和模拟 CBTC 按功能寻址的语音呼叫功能。 关键词：CBTC SIM900A VC+ 功能模拟 第 II 页 西南交通大学本科学士学位论文 Abstract With the development of modern communication technology and extensive application in train control system, the latest generation of train control system is gradually formed - the Communication Based Train Control System, namely CBTC (Communication Based Train Control System). Some advanced communication technology and computer technology in CBTC, which can offer continuous control and supervision to train operation. CBTC can achieve large capacity train to line-side two- way communication and more accurate position of train. This paper summarizes the development, functions and features of CBTC abroad and in home. In the term of the function of CBTC, we use MCU, SIM900A module to simulate the data acquisition and transmission. And the upper computer interface, programmed in VC+ imitates the VOC and DMI (Driver Machine Interface). In the simulating system, one SIM900A send data under the control of a MCU to the other piece. And the upper computer can get the data from the SIM900A through serial port, in order to get the position of the train and display it, besides, it can produce the speed- distance profile and can complete telephone function according to the roles. Key words：CBTC SIM900A VC+ function simulating 西南交通大学本科生学位论文 第 III 页 目 录 摘 要 I ABSTRACTABSTRACT II 第 1 章绪论 .5 1.1 研究背景及意义5 1.2 国内外 CBTC 发展的情况5 1.3 主要研究内容7 第 2 章CBTC 及仿真环境简介.9 2.1 传统的列控系统9 2.1.1 基于轨道电路列车控制系统.9 2.1.2 基于轨道电路的列控系统的不足.9 2.2 CBTC 系统 .9 2.2.1 CBTC 的结构9 2.2.2 CBTC 的基本特点10 2.3 仿真系统的结构10 2.4 GSM 模块简介.11 2.5 系统调试12 2.5.1 SIM900A 模块的 AT 指令.12 2.5.2 GSM 调试13 2.6 总结16 第 3 章CBTC 功能仿真17 3.1 利用单片机控制数据发送17 3.1.1 8051 单片机定时器及串口简介.17 3.1.2 数据发送格式.18 3.2 VISUAL C+ 6.0MSCOMM控件简介19 第 IV 页 西南交通大学本科学士学位论文 3.3 仿真20 3.3.1 列车定位.21 3.3.2 制动曲线的生成.22 3.3.3 语音呼叫.24 3.4 本章小结26 第 4 章总结 27 4.1 设计总结27 4.2 硬件调试及上位机设计中遇到的问题27 4.3 展望28 致 谢 29 参考文献 30 西南交通大学本科学士学位论文 第 5 页 第 1 章 绪论 1.1 研究背景及意义 随着中国铁路的发展，列车速度越来越高，对列车运行的安全性要求越来越高， 传统的轨道电路、应答器、环线等车地通信已经不能满足高速铁路列车运行的控制要 求。在无线电通信飞速发展的今天，人们开始研究基于通信的列车控制系统 CBTC(Communication Based Train Control system), 实现列车和地面设备的双向通信， 用以代替轨道电路作为媒体来实现列车运行控制。它具有传输信息量大，传输速度快， 很容易实现移动自动闭塞系统，大量减少区间敷设电缆，减少一次性投资及减少日常 维护工作，可以大幅度提高区间通过能力，灵活组织双向运行和单向连续发车，容易 适应不同车速、不同运量、不同类型牵引的列车运行控制等特点。可以双向传输安全 类信息，也可以双向传输非安全类信息，例如车次号、乘务员班组号、车辆号、运转 时分、机车状态、油耗参数等大量机车、工务、电务等有关信息。CBTC应用中的术 是双向无线通信系统、列车定位技术、列车完整性检测等1。 1.2 国内外 CBTC 发展的情况 自从19世纪第一辆火车诞生开始，人们就一直研究如何保证火车安全运行的问题。 从一开始人为引导到现在的基于通信的列车控制系统大致经历了如下几个发展阶段。 视线控制 19 世 纪 出 现 火 车 人工臂板控制 轨旁信号灯 模拟轨道电路 数字轨道电路 基于环线的CBTC 基于无线的CBTC 当 今 图 1-1 列车控制系统的发展 目前，CBTC系统是当今轨道交通大公司研究的重点项目，包括阿尔卡特和西门 子公司等著名公司，他们也已经取得了许多进步。如阿尔卡特公司的SelTrace40系统， 西门子公司的Train guard MT ATC系统等。 第 6 页 西南交通大学本科毕业论文 目前大部分在使用的CBTC系统，都是利用近场电磁感应的环形线路(IL)来实现。 而以无线电频率RF (Radio Frequency)传送为基础的较新的CBTC系统正在慢慢浮现并 将成为一种趋势。如新加坡东北地铁线的阿尔斯通URBALIS 300（现CITYFLO 650自 动列车控制技术）等。 CBTC系统的应用非常广泛，特别是在铁路系统中，在全世界范围内至少有八个 铁路系统正在使用CBTC系统。同时，目前至少有七家不同的厂商正正积极研究提供 CBTC系统。基于无线局域网的CBTC系统，具有列车定位高精度、大容量双向车一地 数据通信和车载等优势，在国内外轨道交通的发展中占有重要地位，目前对于基于无 线局域网的CBTC系统的研究主要有美国、日本、欧洲三大体系。2 1)美国AATC 1992年初，美国提出了基于无线通信的“先进的自动化控制系统(AATC)“，它属 于CBTC系统，最突出的特点是列车定位使用扩频通信方式，采用军用加强型定位报 告系统，沿线安装无线电台，路旁无线电台将测定信号送至控制中心，控制中心根据 无线电波传播时间计算出列车所在位置，并根据列车定位计算出列车安全运行速度， 车站由此可决定列车停车距离、发送安全行车速度码，以及其加速指令，以实现对列 车的控制。 2)日本 ATACS 日本日立公司在 1995 年开发研制了一种基于双向无线通信的先进列车管-理与通 信系统(ATACS)。ATACS 采用了 CBTC 技术，将铁路线路划分成若干个控制区，每 个控制区有一个地面控制器和一个无线电基站。地面控制器完成一些控制功能，并与 相应的无线电基站相联。地面控制器接收列车坐标信息后，进行列车运行的间隔控制。 无线电基站则通过移动无线电方式将列车位置参数、运行速度等数据传送至车载设备， 以此完成车载设备与地面之问的信息交换。 。 3)欧洲 ETCS 随着欧洲铁路的发展，欧盟各国面临如何解决列车跨国运行列控系统兼容的问题， 为此，在 20 世纪 90 年代中欧洲各信号公司联合制定了欧洲列车运行控制系统(ETCS) 技术规范。ETCS 系统分为 3 个级别，每个级别有不同的特征和功能。ETCS 一级采 用地面信号+应答器+轨道电路的结构，采用固定追踪间隔形式，利用轨道电路或者计 轴设备检查列车位置；ETCS 二级采用轨道电路+应答器+GSM-R 的结构，车地实现双 向通信，可取消地面信号设备，通过 GSM-R 连续传递列控命令，用应答器定位列车， 并通过轨道旁的移动闭塞中心 RBC 检测列车的完整性；ETCS 三级采用应答器+GSM- R 的结构，取消地面信号系统，列车追踪间隔依靠应答器和无线闭塞中心(RBC)实现， 西南交通大学本科学士学位论文 第 7 页 列车的完整性检查依靠车载设备完成。其中第 3 级就属于 CBTC。 4)我国对 CTBC 系统的开发。 1993 年1998 年北京交通大学与瑞典开展国际合作，就移动自动闭塞系统的技术 条件进行共同开发，之后铁道部批准北京交通大学立项就 CBTC 技术进行开发。20 世纪 8090 年代，国内学者对 CBTC-MAS 条件下的系统结构、行车控制方法、线路 通过能力及列车运行组织方式、通过能力仿真等问题，进行了广泛、深入的研究。 CBTC 系统在我国轨道交通的应用也接踵而至如 2004 开通的武汉轨道交通一号线， 2008 年开通的北京地铁二号线，成都地铁一、二号线等。 1.3 主要研究内容 本文的主要任务是利用单片机模拟列车采集数据，并通过串口与列控上位机通信， 完成速度控制曲线的生成，最大速度、列车位置和距前车距离显示以及按功能寻址呼 叫。 初步进度安排设计如下： 表 1-1 毕业论文初步进度安排 时间时间内容内容备注备注进度提示进度提示 今 2.28 1、掌握毕业论文涉及内容的基本理论、方法； 2、软件与硬件设计工具的学习（对照实例程序 模仿实现） ； 3、Office 工具熟悉； 4、提出毕业论文主要内容。 明确进行仿 真所需的工 具，并熟悉。 3.1 4.15 明确论文主要内容的技术细节，消化具体的技术 方法与手段，设计初步的技术框架； 调试硬件模 块。 大量阅读文 献并消化， 明确论文任 务，完成论 文一、二章 4.16 5.20 通过硬件、软件工具仿真进行技术实现，进一步 对初步方案进行改进。 5.21 6.15 1、与老师讨论进行深入修改； 2、论文精益求精阶段 深入完成论 文核心章节 6.16 6.25 准备答辩 完成 PPT 准备演说词 注：每周五与导师讨论一次，根据实际反馈随时进行调整。 第 8 页 西南交通大学本科毕业论文 论文安排： 1)论文背景和 CBTC 的发展（第一章） 2)CBTC 与传统列车控制系统相比的特点、系统结构和仿真环境的介绍（第 二章） 3)CBTC 列车控制系统速度曲线以及位置功能的仿真实现（第三） 4)总结（第四章） 西南交通大学本科学士学位论文 第 9 页 第 2 章 CBTC 及仿真环境简介 2.1 传统的列控系统 2.1.1 基于轨道电路列车控制系统 传统的列车运行控制系统主要是基于轨道电路的列车控制(Track Circuit Based Train Control，TBTC)系统。该系统技术成熟，安全可靠，现在国铁包括国 外许多既有线后还是使用的TBTC列控系统。但TBTC是通过轨道电路来监测列车 位置和传送列车控制信息的，轨道电路本身在性能和功能上都存在缺陷，在铁路 飞速发展的今天有些力不从心，TBTC系统成为铁路发展的瓶颈。 2.1.2 基于轨道电路的列控系统的不足 1)轨道电路容易受到环境的影响，工作不够稳定。如道砟阻抗的变化，牵引电 回流干扰等。 2)难以实现车地双向通信。而且传输的信息量小，要想增大传输的信息量，只 有提高信息传输速率，但随着信息传输速率的提高，钢轨的集肤效应会导致 信号衰减增大从而传输距离减小。 3)定位不精确。利用轨道电路只能知道列车所在的分区，不能知道列车在分区 内的具体位置，而分区的长度是按照列车最不利的制动条件设计（醉成列车、 满负载。最高速度、最不利制动率等） ，故分区较长，一个分区只能有一辆 列车占用，不利于缩短列车运行间隔，影响线路使用效率。3 2.2 CBTC 系统 2.2.1 CBTC 的结构 正是由于传统列车控制系统在运营中存在这些不足，随着信息技术的高速发 展以及在列车控制系统中的广泛应用，基于通信的列车控制系统CBTC进入了人 们的视线。CBTC可以打破基于轨道电路的列控系统的限制，提高轨道运输基础 设施的使用效率，缩短列车行车间隔，提高列车控制的灵活性和精确性，提供连 续的列车间隔保证和超速防护。同样CBTC技术提高了轨旁设备的维护便捷性， 减少了维护费用。 IEEE将基于通信的列车控制系统CBTC定义为：利用（独立于轨道电路的） 第 10 页 西南交通大学本科毕业论文 高精度列车定位、双向的大容量车地数据通信和车载、地面的安全功能处理器实 现的一种连续自动列车控制系统。4 一个典型的 CBTC 系统结构图如下： 至相邻CI系统数据通信网络 CBTC车载设备列车运行控制 列 车 子 系 统 相邻CBTC地面设备CI子系统CBTC四面设备 ATS子系统 图 2-1 典型的 CBTC 系统结构图 2.2.2 CBTC 的基本特点 1)不依赖轨道电路的高精度列车定位。 2)连续的车地大容量通信，可以传输比传统系统更多的控制信息和状态信息。 3)轨旁和车载核心处理器处理列车的状态和控制数据，并提成列车超速防护 ATP(Automatic Train Protection)，根据需要也可提供 ATO(Automatic Train Operation) ,ATS(Automatic Train Supervision。 正是由于CBTC具有这些特点，能够满足高速发展的轨道交通的需要，现在 CBTC在铁路建设以及改造中成为一个热门话题，现在新建铁路特别是高速铁路 也慢慢开始采用CBTC列车控制系统，取消了很多地面设备，使得铁路运输的效 率提高而运营成本却降低。 2.3 仿真系统的结构 本文利用两个GSM模块实现相互之间的通信，从而模拟CBTC系统车与地面， 车与车，车与调度之间的部分通信功能。STC单片机控制SIM900A模块1模拟数 据采集器并通过GSM网络发送给SIM900A模块2（实现模拟车载设备数据接收模 西南交通大学本科学士学位论文 第 11 页 块） ，并由模块2通过串口发送给运行在PC机上的上位机程序。系统包括SIM900A 模块两片，STC单实验开发板，max232usb转串口模块，5V标准电源等。具体结 构如下图： Sim900a模块 STC单片机 22.1184M晶振 CBTC模拟上位机 Max232 Sim900a模块 5V电源 5V电源 GSM网 络 图3-1 系统仿真结构框图 2.4 GSM 模块简介 在本文的仿真系统的硬件部分主要由STC单片机和SIM900A模块构成， SIM900A是由SIMCOM公司生产并销售的一款双频GSM/GPRS无线通信模块，采 用功能强大的处理器ARM9216EJ-S内核，SMT封装，能满足低成本、紧凑尺寸的 开发要求。 SIM900A的物理接口为68个贴片焊盘引脚，具有标准的AT命令接口，可提 供语音，短消息等业务。供电采用单电压3.2V-4.8V，待机功耗很小，sleep模式 下的耗流为1.0mA，但模块在发送数据时功率较大，峰值电流能达到2A。模块处 理语音，短信功能外还支持基站定位功能。SIM900A模块有多种工作模式：正常 模式，关机模式，最小功能模式，正常模式包含GSM/GPRS SLEEP模式，GSM IDLE模式，GSM TALK模式，GPRS STAANDBY模式，GPRS DATA模式。 SIM900A具有2个异步串行接口，一个用于通信，一个用于软件升级。通过串口 通信，即可控制模块工作。模块可采用6引脚卡座，支持移动，联通卡（除4G卡） 。 SIM900A提供天线引脚，用户主板应使用微带线或者其他类型的可以控制阻抗为 50欧的射频走线和模块天线引脚相连。模块支持语音，GPRS，MMS彩信等功能， 但本文仿真中用不到这些功能，不多做介绍。 模块的功能图：5 第 12 页 西南交通大学本科毕业论文 天线接口电源接口 串口 LCD接口 GPIO/键 盘接口 存储器 基带 射频 模块 音频接口 SIM卡接 口 图 2-2 SIM900A 模块的功能图 2.5 系统调试 2.5.1 SIM900A 模块的 AT 指令 单片机与SIM900A的软件接口通过AT指令完成,控制SMS有关的AT指令有:6 1) 单片机与 SIM900A 模块握手连接：AT； 2) 设置 SIM900A 模块工作模式：AT+CMGF=n, n=0: PDU 模式; n=1:文本模式, 3)AT+CSCS，用于设置 TE 字符集。 4)AT+CMGS，用于发送短信。 5)AT+CMGR 用于读取短信。如发送：AT+CMGR=1，可以读取 SIM 卡存储在位置 1 的短信。 当SIM900A模块接收到一条短信后，会提示如：+CMTI:“SM“,3，表明收到 了新的短信，存放在SIM卡位置3。发送AT+CMGR=3，即可读取该短信。 根据 设置不同，收到的短息可以存储在模块的缓存单元或者SIM卡内，单片机可以通 过访问模块的缓存单元或者SIM卡来读取消息。 AT 指令的指令符号、常数、数据等都是以 ASCII 编码形式传送；传送透明 数据必须把 SIM900A 模块的工作模式设置为 PDU 模式；单片机向 SIM900A 模 块发送每一条指令后，必须以回车符作为该条指令的结束，例如单片机向手机发 送“AT+CMGF=0”这条指令，其 ASCII 编码序列为 “41H、54H、2BH、42H、4DH、47H、46H、3DH、30H、0DH” ，最后一个字 西南交通大学本科学士学位论文 第 13 页 节 0DH 就是回车符，表示该条指令结束，如果没有这个回车符，手机将不识别 这条指令。当 SIM900A 模块接收到一条完整的 AT 指令后，SIM900A 模块并不 立即执行该条指令，而是先把刚才接收到的 AT 指令的 ASCII 编码序列全部反 发送出来（含 0DH） ；其次发送一个回车符和一个换行符的 ASCII 编码，即 0DH 和 0AH；然后执行该指令。 常用的 AT 指令如下表： 表 2-1 常用 AT 指令 ATAT 指令指令功能功能 AT握手连接 AT+CREG查询网络是否已经注册 AT+CSQ查看信号质量 AT+CSCA获得/设置短信中心号码 ATCMGS发送短信 AT+CMGF=0/1设置短信模式。0：PDU 1：TEXT AT+CMGR读取短信 ATD语音呼叫 AT+CIPGSMLO获得定位信息 2.5.2 GSM 调试 本文的仿真系统有STC单片机实验班，SIM900A模块等组成。SIM900A和单 片机是整个硬件组成的中枢，数据的发送接收都需要经过这两部分，因此GSM调 试时仿真过程中非常重要的步骤。 在调试的过程中，我们首先使用串口助手工具测试单片机与GSM模块以及 GSM模块与GSM模块之间通信是否正常。GSM模块与单片机连接如下图： 第 14 页 西南交通大学本科毕业论文 图 2-3 GSM 模块与单片机相连接 对于GSM模块与单片机的联调，通过串口通信发送AT指令给GSM模块， GSM会按照相应的指令进行工作SMS功能和基站定位功能。所以我们主要调试这 两部分。当确定使用串口助手调试通信正常后，继续使用单片机和上位机各控制 一个模块进行调试。在使用程序控制时，程序的编写都需要参考GSM数据手册中 的AT指令表，这样编写出的程序才能按照预期进行工作。使用串口助手调试 GSM模： 1) 握手连接，首先发送AT给模块使模块与串口助手同步，第一次发送时可能 会出现乱码，原因就是模块的波特率和串口助手的波特率没有同步，经过 一次握手后，其波特率同步后便可正常发送。 图 2-4 握手连接 2) 短信调试。要使模块能正常发送短信，首先需要设置短信中心号码，我们 使用的是平常正常使用的SIM卡，中心号码已经存储在SIM卡里，如果没 西南交通大学本科学士学位论文 第 15 页 有可以发送AT+ CSCA?获得中心号码，AT+CSCA=设置中心号码。 SIM900A模块有两种短信模式:PDU模式和TEXT模式。我们需要使用 TEXT模式，发送AT+CMGF=1设置，然后就可以发送短信了。 AT+CMGS=“目标号码“，设置接收短信的号码，返回后可以发送任意短 信，这里我们发送的是行车数据。值得注意的是，发送完内容后需要以 ctrl+z(十六进制1a)结束告诉模块可以发送了。 图 2-5 SMS 调试 3) 基站定位调试:首先要设置基站定位的参数,包括AT+SAPBR=3,1, “CONTYPE“,“GPRS“, 设置网络参数， AT+SAPBR=3,1,“APN“,“CMWAP“；设置APN，AT+SAPBR=1,1；激活网 络场景，AT+SAPBR=2,1；获取分配IP地址AT+CIPGSMLOC=1,1获得定位 信息；最后AT+SAPBR=0,1；关闭 网络场景。 图 2-5 SMS 调试 4) 语音呼叫调试：AT+COLP=1，设置被叫号码显示,然后用ATD拨打电话即是，值得注 意的事，电话号码输入结束要以分号结束。 第 16 页 西南交通大学本科毕业论文 图 2-6 语音呼叫调试 在单片机与GSM进行联调的过程，遇到了两个错误，一是通信端口的连接， 另一个就是波特率的设置。在串口通讯时必须将单片机的TXD和RXD端子和对应 GSM的RXD和TXD相连，而且要共地。否则数据不能正常传输。波特率的设置 必须保证收发端保持一致，才能接受到所需要的信息。GSM与单片机通讯的波特 率是9600，我们所用的单片机实验板所使用的晶振是22.1184M，所以必须认真设 置单片机串口发送数据的波特率，才能保证在传输数据的过程中不发生错误。 2.6 总结 本章介绍了CBTC的一些基本概念和基本特征，并和传统的列车控制系统做 了简要的对比。主要内容是本次仿真实验中所用的SIM900A模块介绍以及进行 GSM调试，包括硬件连接，SIM900A在51单片机的控制下发送数据，另一个模块 接受数据并传递给上位机进行数据处理。完成两个GSM模块按照规定格式进行通 信时本次设计的关键，所以在整个设计阶段这部分也占了很大的比重，在硬件调 试的过程，我也遇到很多问题，在反复琢磨和与指导老师的讨论过程中，问题慢 慢得到解决。这个过程非常煎熬，但能学习到很多。 西南交通大学本科学士学位论文 第 17 页 第 3 章 CBTC 功能仿真 3.1 利用单片机控制数据发送 3.1.1 8051 单片机定时器及串口简介 8051具有T0,T1两个16位定时/计数器用于定慧寺， ，对脉冲进行计数（测量频 率）等。8051的两个定时/计数器为加1计数器，它对进入脉冲进行加计数。 TMOD，TCON是定时/计数器的两个功能寄存器，控制定时/计数器的工作方式， 状态。TH0，TL0(TH1，TH1)为初值寄存器，根据设定可以只是用第八位或者高 八位，也可以同时是用十六位进行计数。8051定时/计数器有4中工作方式。方式0 为13为计数器，方式1为16为计数器，方式2为一处可自动重新装入处置的额八位 定时/计数器，方式3下，TH0，TH1为两个独立的8为计数器。 为了使 CPU 能够和外界进行信息交换，8051 设计了一个串行口。其串行口内 部有地址相同但相互独立的两个寄存器 SBUF：数据接收缓冲器和数据接收器。 数据接收寄存器只能读出不能写入，数据发送寄存器只能写入不能读出，CPU 通 过对 SBUF 的读写操作来访问两个寄存器。SCON，PCON 为穿裤的两个功能几 寸器，通过对这两个寄存器的操作可以控制串口的工作方式。SCON 是可以按位 寻址的寄存器，器结构如图： 7 D7D6D5D4D3D2D1D0 RITIRB8TB8RENSM2SM1SM0 图 3-1 SCON 寄存器结构图 SM0，SM1 为串口工作方式的选择为，SM2 为多机通信控制为，REN 为语序接 受终止为，当 REN=0 时禁止串口接受数据。 TI 为发送中断标志位，用于指示一帧数据是否发送完，TI 由硬件置位，软件复 位。 RI 为接受中断标志位，用于指示一帧数据是否接受完，RI 由硬件置位，软件复 位。 在本文的仿真中需要产生 9600 的波特率，为此我们使用定时/计数器 1 使之工 第 18 页 西南交通大学本科毕业论文 作在方式一下，波特率的计算方式为： （3-1） SMOD =2/32 *1波特率（）定时器溢出率 SMOD 为 PCON 的第八位，我们使用的单片机的开发板使用的晶振为 22.1184M，所以装入初值为十六进制 F4，SMOD=1 时，波特率为 9600。 3.1.2 数据发送格式 数据的发送采用异步传送方式，异步传送发送必须对字符规定一定的格式， 利于接收方接受数据。一个字符一般由起始位。数据为，奇偶校验位和停止位组 成。在仿真中我们采用数据格式为一位停止位，8位数据位，无校验位，发送波 特率为9600bps。 在传送仿真所需要的数据时我们采用将所有的数据打包在一起一次性发送到 上位机，整个数据包中，数据包括当前线路允许列车运行的最大速度，目标制动 点，目标停车点和列车位置信息，其中列车位置用二十四个字符表示其经纬度， 列车位置，最大允许速度 用三个字符表示，目标制动点和目标停车点用三个字 符表示。列车位置信息采用 SIM900A 基站定位功能来模拟。 前车列车位置信息（经纬度表示）最大允许速度目标制动停车点 图 3-2 发送数据格式 如 103.44412129.570374200300 表示发送的数据为该车位置的经纬度坐标为 （103.444121，29.570374） ，最大允许速度为 200，制动点为 300 处。 数据发送： 在上位机仿真时主要需要一些数字信息以及位置信息，在这个仿真系统中， 我们利用 SIM900A 的 AT 指令来一短信的形式发送给上位机；主要使用到的 AT 指令有 AT 握手指令，AT+CSQ 测试网络信号质量，AT+CSCA？查看短信中心 号码，AT+CREG 查看 GSM 网络的注册情况，AT+CMGF=1 设置英文短信方式， AT+CMGS=“the destination number”发送短信。 西南交通大学本科学士学位论文 第 19 页 结束 发送建立通讯指令 模块初始化为TEXT模式 设置接收数据地址 发送数据 成功？ 返回 ERROR 返回OK 返回OK 返回 成功？ 返回OK 返回ERROR 开始 图 3-3 数据发送流程图 3.2 Visual C+ 6.0MSComm 控件简介 在 visual C+6.0 中提供了四种实现与外设通信的方式，一是利用 Windows API 通信函数；二是利用VC+ CSeria 类，三是使用 Microsoft Visual C+的通信控件 MSComm(Microsoft Communication Control)，四是利用第三方编写的通信类。在本 文中使用 MSComm 控件实现上位机与 GSM 模块之间的通信。下面对 MSComm 控 件简要介绍。 MSComm 控件是微软开发的简化 windows 下串口通信变成的 ActiveX 控件，封 装了串口的所有功能，它为程序提供了通过串行口收发数据的简便方法。使用很方便， 但在实际应用中，程序员不用花时间去了解比较复杂的 API 函数。具体来说它提供了 两种处理通信问题的方法：一是时间驱动（event-driven） ，二是查询方式。事件驱动 就是在事件发生时，如串口接受缓冲区有字符时，可以利用 MSComm 控件的 第 20 页 西南交通大学本科毕业论文 OnComm 时间不活并处理通信时间，OnComm 事件还可以检查和处理通信错误。每 个 MSComm 控件对应一个串口号，事件驱动方式程序相应及时，可靠性高。查询方 式的实质也是事件驱动，但有时查询方式显得更加便捷。在程序中可以通过检查 CommEvent 属性的值来查询通信事件和错误。这种方式在比较小的应用程序中更可取。 在实际编程中只需在当前使用 workspace 中插入 MSComm 控件，设置其属性， 即可使用 MSComm 控件进行通信。MSComm 控件有很多属性，下面简要介绍通信 过程中必要的几个属性。8 对象.SetCommPort(int value);设置端口号，value 的取值为 1 到 16。若 SetPortOpen 打开一个不存在的串口，MSComm 控件会产生一个错误。必须在打开 串口之前设置串口号。 1)对象.SetSettings(value);以字符串的形式设置并返回串口的波特率，校验位，数 据位和停止位。Value 由四部分构成，BBBB，P，DS，BBBB 为波特率，P 为 校验位，D 为数据为，S 为停止位。 2)对象.SetInBufferSize(int byte);设置接收缓冲区大小。 3)对象.SetOutBufferSize(int byte);设置发送缓冲区大小。 4)对象.SetRThreshold(int n);设置时间产生之前，在传输缓冲区中的最小字符数。 5)对象.SetInputMode(1);设置数据传输格式，1 为二进制格式，0 为字符格式。 6)对象.SetInputLen(int value);设置 input 属性一次从接受缓冲区接受的字符数，为 0 时，全部读出。 7)对象.SetPortOpen(TRUE); 打开串口。 8)Input；返回和删除接收缓冲区中的字符，类型 VARIANT。 9)Output；将字符串写入发送缓冲区。 设置好这些属性后，就可以进行串口通信了。可以用 GetInput 函数和 SetOutput 函数读取串口缓冲区的数据和想串口缓冲区写入数据。在本文的仿真中， 数据发送采用的波特率是 9600,8 为数据为，1 位停止位，无校验位，故 MSComm 也应设置成相应的只。串口用的是 USB 口，笔记本调试一般为 com4 口。MSComm 控件的主要作用是想 SIM9000A 模块发送 AT 指令以及接受数据， 故采用字符传送的方式。 3.3 仿真 在本文的仿真中模拟了列车一次性制动的过程以及列车定位的过程和按功能 寻址的语音呼叫。 西南交通大学本科学士学位论文 第 21 页 3.3.1 列车定位 SIM900A模块支持基站定位，同过串行口发送相应的AT命令给SIM900A模 块，模块会根据基站与模块之间的测算距离来确定模块的位置。但是基站定位的 精度依赖于基站的分布及覆盖范围的大小，误差可能会比较大，在实际的铁路运 营中不采用基站定位的方式，但是为了模拟列车的定位功能，足以满足我们仿真 的要求。同时根据前车传来的位置信息计算出两车的相对距离。 地球表面为一个椭圆球面，两点之间的距离不能采用平面上两点之间的距离 计算公式。在本例中，采用了谷歌地地图算两地距离相同的计算公式，在编程代 码上也借鉴了谷歌地图js脚本代码。计算公式如下： （3-6） 22 1212 12 ln1ln 2 arcsin( sin ()cos()cos()cos) 22 latlatgg SRlatlat 其中，S为两点之间的距离，R为地球半径，为6378.137公里at2，lng2为A,B两点 的经度和纬度，单位均为弧度，在计算时需要先将经纬度转换为弧度单位。 角度、弧度装换公式： （3-7） * radLat = 180 上电后，首先要获得列车自身的位置，点击position以获得列车位置并以经纬 度的形式显示在仿真界面上，当列车运行时，列车的运行数据发送到车上，列车 计算与前车的位置，由于定位是利用模块的基站定位功能，仿真过程中两个模块 距离很近，处在同一个经纬度上，所以距离计算结果为0。本次仿真使用的是公 用的移动的GSM网络，而且使用的SIM900A模块的稳定性不如手机，有时候模块 很容易掉线或者在定位时返回网络错误，为了方便查看是什么问题导致仿真失败， 仿真界面右边设置了一块区域显示模块的返回信息，这个部分是CBTC系统中， 这在设备DMI不具有的部分。 仿真结果截图： 第 22 页 西南交通大学本科毕业论文 图 3-4 定位仿真 3.3.2 制动曲线的生成 在本文的仿真中，列车制动曲线的绘制采用迭代正推计算，得到最小制动距 离和制动曲线，下面详细说明正向计算制动曲线的方法和步骤。 由公式可知，利用开始速度 vn-1、结束速度 vn，和减速度 an可以计 22 1 S 2 nn n n vv a 算出距离 Sn根据这个原理，在已知列车制动初始速度的情况下，迭代 正推计算制动曲线的步骤为： ）将列车制动初始速度等分为 等份，每一等份长度为 ，于是在速度 轴上存在(m+1)个速度点，并可以计算出(m+1)个速度点在速度轴上的 位置 ）(m+1)个速度点是制动曲线上(m+1)个制动曲线点的速度坐标，利用迭代算法 依次计算出(m+1)个制动曲线点的距离坐标 ）在得到了(m+1)个制动曲线点的距离坐标和速度坐标的基础上，就可以描绘 出这些制动曲线点，将所有制动曲线点连接起来，就得到了列车制动曲线 制动曲线的生成。9 CRH-300 行列车行走在平直的线路上为例计算，其定员质量为 320 吨，本例取 300 吨。 CRH2-300 型列车的基本阻力计算公式： （3-2） 2 000 (0.880.0070.000114)wvvM 其中 v0 为列车速度，M 为列车质量 西南交通大学本科学士学位论文 第 23 页 由于是平直的路段，故坡度为 0，无曲线阻力。 制动采用再生制动的形式，气制动力计算公式： （3-3） 0160 234 10400*3.6 160300 v B vv 单位制动力为 B b M 故制动距离为： （3-4） 22 0 101 12 0 4.17() 3.6 v tvv SSS bw 其中 s1 为空走距离，S2 为制动距离，v0 为制动初速度，v1 为制动末速度（紧急 制动，目标停车 v1 取 0） ，b 为单位制动里，w0 为基本阻力。 t1 按照如下计算： （3-5） 1 1 1 3.50.08 (4.1 0.002)(1 0.03 ) i t RLi 紧急制动 常用制动 其中 i1 为坡道的千分度，本文取 0，R 为列车管减压量，L 为机车牵引车辆数。 当列车开始运时，需要一些基本信息，如线路允许运行的最大速度等，在列车接 受到数据后，自动生成目标停车的制动曲线。 仿真结果截图： 图 3-5 生成制动曲线仿真 生成列车制动曲线后，为了模拟列车动态运行，另外用一条速度-距离曲线动 态模拟列车在目标制动曲线的监控下运行的。这条曲线时时与目标曲线对比，一 第 24 页 西南交通大学本科毕业论文 旦速度超过了当先允许的最大速度，列车会自动触发制动，直到列车速度变为0. 也可以在列车运行过程中点击右侧的加速，保持，减速按钮来控制列车加速，惰 行和减速，人工控制列车加速时，列车速度超过目标速度时，同样会自动制动而 不是继续加速。 图 3-6 列车运行的曲线仿真 3.3.3 语音呼叫 在列车的实际运营中，语音呼叫是非常常见的一项业务，调度之间的呼叫，调度 与车站值班员之间的呼叫，调度、车站值班员、司机之间的呼叫以及司机与司机之间 的呼叫。在我们日常使用的移动网络的呼叫中，使用的是MSISDN()来呼叫目标用户。 而在铁路运营中，调度与被调度者之间的角色不固定，如果使用MSISDN拨号，那么 当被呼叫时再去查询身份费时费力降低工作效率而且有时根本不可能完成。于是采用 按功能寻址，即用户可以由他们当时所担当的功能角色，而不是他们使用的终端设备 号码来寻址。包括三个过程：注册，查询，注销。 在本文的仿真中模拟了最常用的车次功能号和机车功能号，当输入车次功能号后， 仿真程序自动完成注册过程，当呼叫结束，自动注销功能号。10 国内功能号的组成如下图： 西南交通大学本科学士学位论文 第 25 页 CTUINFC CT -呼叫类型 UIN-用户识别号 FC -功能代码 图 3-7 功能号的组成 车次功能号 TNF(Train Function Number)由列车号和功能好组成，具体格式如下： 2ccccFFxxxxx 2表示车次功能号 cccc车次号的0-2为字母的ASCII码 xxxxx车次号中的数字位，为1到5位可变长 FF2位数字功能码 图 3-8 车次功能号 机车功能号 EFN(Engine function Number)