（交通运输工程专业论文）机车状态远程监控系统的研究与设计.pdf

摘要 铁路提速后要求机车运行速度更高、机车运行区间更长，对列车行车 安全提出了更高更严的要求。机车状态远程监控系统以全球定位系统 ( g p s ) 、全球移动通信系统( g s m ) 、地理信息系统( g i s ) 技术( 简称3 g 系统) 为基础，能实时监控机车运行状态和运行区间，有利于提高列车的 安全性能及指导列车运行，对铁路跨越式发展及铁路信息化建设具有重要 意义。 机车状态远程监控系统实时采集机车的地理位置信息、机车运行状态 信息，经过s m s ( s h o r tm a s s a g es e r v e r ) 发送到地面信息中心，并经过 i n t e m e t 传送到铁路各部门，实现对机车状态的远程监控。 论文对机车状态远程监控系统整体方案进行研究与设计。对g p s 、 g s m 模块工作原理、g p s 数据格式、s m s 短信发送接收模式做了深入研 究，设计了车载3 g 终端与3 g 通信控制板硬件系统，对利用f p g a 实现 带信号灯的双口r a m 及总线仲裁进行了研究设计与仿真。论文针对机车 状态远程监控系统中g p s 信息采集、机车状态信息采集及g s mp d u 短 信收发等功能，基于r t x 5 1 实时操作系统进行了车载嵌入式软件研究与 设计，并讨论了地面系统的组成与界面显示。 论文研究与设计的机车状态远程监控系统现已在d f li g 提速车及 d c 6 0 0 v 应用，并在株洲电力机车研究所建立信息中心，铁路部门能及时 快捷地了解机车运行状态，当机车出现故障时能为司机提供了技术支持。 关键词g p s ，g s m ，短消息服务，远程监控，实时操作系统 a b s t r a c t 硼1 eh i g h e rs p e e da n dl o n g e rr u n n i n gc y c l eo ft h et r a i na r er e q u i r e da f t e r t h er a i l w a ys y s t e mi n c r e a s e dt h eo p e r a t i o ns p e e do ft h et r a i n ，w h i c hd e m a n d s t h el o c a t i v e sh a v em o r ea n dm o r es t r i c t e rp e r f o r m a n c eo ft h es e c u r i t y t h e r e m o t em o n i t o rs y s t e mo fl o c o m o t i v e s t a t u si sb a s e do ng l o b a lp o s i t i o n s y s t e m ( g p s ) g l o b a ls y s t e mo fm o b i l e ( g s m , a l s oi n c l u d eg e n e r a lp a c k e t r a d i os e r v i c e ，g p r s ) ，a n dg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) ，w h i c hi s c a l l e d3 gs y s t e m ，a n di tc a nm o n i t o rt h es t a t u sa n dp o s i t i o no f t h el o c o m o t i v e s i ti su s e f u lt oi n c r e a s et h ep e r f o r m a n c eo fs e c u r i t ya n dt og i v eh e l pt ot h e d r i v e r i tw i l lu s e f u lt oc o n s t r u c tt h ec h i n a sm o d e mr a i l w a yi n f o r m a t i o n s y s t e ma n dt or e a l i z et h eg o v e m m e n t sg o a lt om a k ear a p i dp r o g r e s so ft h e r a i l w a ys y s t e m t h em o n i t o rs 3 ，s t e mc o l l e c t st h ep o s i t i o na n ds t a t u si n f o r m a t i o no ft h e l o c o m o t i v ea n ds e n d st ot h eg r o u n di n f o r m a t i o nc e n t e r ( g i av i as m s ( s h o r t m e s s a g es e r v e r ) a n dt h e nt h ei n f o r m a t i o nw i l lb et r a n s m i t t e df r o mg i ct o t h eb u r e a uo f t h er a i l w a y f i r s t l y ，t h i st h e s i ss t u d i e st h es i g n i f i c a n c eo f 3 gs y s t e mf o rr a i l w a y a n d t h e n , t h eb l u ep r i n ta r ep u tf o r w a r d s a f t e r w a r d s 。i td e s c r i b e st h ea n a l y s i sa n d d e s i g no ft h es y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h ek e yi st h ed e s i g n i n go f h a r d w a r ea b o u t3 g ca n d3 g t , a n dt h a tt h ea l g o r i t h ma b o u tg p si n f o r m a t i o n c o l l e c t i o na n ds m st r a n s m i t t i n g a tl a s t , i ts t u d i e sa b o u tt h ec o m p o s i n go f g i ca n dt h ei n t e r f a c eo f g i s n o w , t h i ss y s t e mi se q u i p p e do nt h el o c o m o t i v eo fd f i1 ga n dt h e d c 6 0 0 vp o w e rs u p p l y t h ep e r f o r m a n c ea n ds t a b i l i t yo fl o c o m o t i v ea r e e n h a n c e dd i s t i n c t l yb yu t i l m i n gt h el a t e s tt e c h n o l o g yo fc o m m u n i c a t ea n d p o s i t i o n t h eb u r e a uo fr a i l w a y c a nm o n i t o rt h es t a t u so fl o c o m o t i v e ，a n dt h e n g i v ea d v i c ei nt i m ew h e nf a u l to c c u r s k e yw o r d sg p s ，g s m , s m s ，r e m o t em o n i t o r , r t o s n 3 g 3 g c 3 g t d p r a m e t s i f p g a m c u g i s g p r s g s m g s m r g p s i d u m v b t c n u a r t v c u w t b 符号说明 即6 i s 地理信息系统、g s m 全球移动通信系统、g p s 全球定位 系统 3 g 通信控制板 3 g 终端 双口l 认m 欧洲电信标准协会 现场可编程门阵列 微控制器 地理信息系统 通用分组无线业务 全球移动通信系统 专用于铁路的g s m 全球定位系统 信息显示单元 多功能车辆总线 列车通信网络 通用异步串口 车辆控制单元 绞线式列车总线 原剖性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指鼯下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我爨知，除了论文巾特别烟以标注和致澎的地方外， 论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书嚣使用过觞孝葶料。与我共犀王圣# 魄羁志对本 研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名：堡垒晕 强期：三= 年型月2 西 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留，使用学位论文的规定，即：学校有权 稼整学位论文，允量冬学位论文效查阕霹岱阕；学校可以公奄学建沦文的全 部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根 撬爨家或湖南省有关郝门羧定送交学位论文。 拌硕十学伉论文第一章前言 第一章前言 1 1引言 ， 铁路提速后对机车的安全性能要求更高更严，对机车运用状态实行实时远程监控 以提高机车的运用质量，确保行车安全和实现机车“状态修”都十分必要t 5 9 l 。铁路提 速丌通的直达长交路跨局列车，要求列车具有更高的可靠性3 0 1 。那么，如何利用现代 控制技术、通信技术，提高车辆装备现代化水平，增强机车的可靠性。为铁路提速保 驾护航，是当今铁路必须解决的课题。 到2 0 0 3 年底，我国的g s m 用户已经达到2 5 7 亿，相对g s m 、c d m a 等公众移 动通信网，铁路专用无线通讯网就显得相当落后了。为了贯彻国务院关于大力推进信 息化建设的重要指示，铁道部加快铁路信息化建设的步伐，于2 0 0 1 年丌展t m i s 铁 路管理信息系统和d m i s 无线车次号两大工程m 1 。同时对g s m r ( 铁路g s m 系统) 技术做了深入的的调查研究与筹备工作，准备建立以g s m r 为基础的统一的铁路无 线指挥调度系统并筹划了青减线和大秦线的g s m r 项目，力争在2 0 1 0 年以l i i 建成 覆盖全路7 0 余条铁路线的g s m r 通信网络 列车状态远程监控系统通过车载微机实时采集机车状态信息，并利用现有g s m 移动通信技术将车载信息传送到地面监控中心，实现对机车状态的远程监控，组成一 个出铁路局、机务段、主机厂、设备提供商数据共享的信息平台。在条件成熟情况下， 可利用该系统在车站、铁路沿线、列车、机务段建立一个统一的指挥调度系统，当 g s m r 网络建成后，通过更换相关软硬件即可实现g s m r 功能。 1 2 国内外现状分析 国外对无线列车监控系统的研究已有多年的历史，并已设计和丌发出许多系统 1 3 6 l 。 由欧洲铁路联盟研究所研制的为实现欧渊铁路统一信号设备的无线列车监控试 验( g s m r ) 系统。1 9 9 2 年起，u i c ( 国际铁路联盟) 丌始研究g s m r 数字无线标准规 范化1 9 9 5 年，m o r a n e ( 欧洲铁路移动无线电通信) 项目启动，e i r e n e ( 欧洲统 一铁路无线增强网络) 制定的g s m r 标准得到认可，丌始生效1 3 3 1 以德国西门子为 首的g s m r 铁路列车无线列调系统在欧洲得到了较为广泛的应用。迄今为止，欧洲 拌硕十学何论文 第一章前言 已经有3 0 个国家选择了g s m r 作为新一代铁路数字移动通信系统，美国也正在考查 g s m r 在美国的可行性，印度j 下在策划一条g s m r 试验线，以配合e t c s 在印度的实施 1 2 8 1 0 世界其它地区对g s m r 的兴趣也在稳步增长，其中包括中国、印度和澳大利亚。 将无线通信运用于列车方面，在世界各国也运用广泛：美国基于列车通信网络 的列车控制系统c b t c 的内涵就是包涵了车载与地面网络的车一地一体化美国的基 于无线单线闭塞系统r e t b ( r a d i oe l e c t r o n i ct o k e nb l o c k ) 和旧金山港湾高速铁道与 休斯航空公司共同丌发实现列车实时跟踪的a a t c ( a d v a n c e da u t o m a t i ct r a i nc o n t r 0 1 ) 系统等【3 6 1 。庞巴迪的m i t r a c 远程移动系统也是基于g s m 网络的列车远程监控系统， 西门予列车远程监控系统也广泛运用于高速列车和磁悬浮列车上。 2 0 世纪9 0 年代以来，智能交通运输系统( i t s ) 在欧美各国得到了广泛的推广 应用【5 5 1 。其基本模式是采用g p s 导航，g i s 显示，利用无线通信传送。而无线通信的 方式欧美各有不同：美国主张利用各种无线网络，而欧洲则主张采用g s m 系统l “l 。 国内，g s m 及c d m a 作为一种公众移动通信网络，在我国得到了迅猛的发展， 并被广泛运用于电力系统、交通运输系统等行业铁道部于2 0 0 2 年中期刀：始筹备建 设g s m - r 的建设，并分别由北电网络与华为丌始营建青藏铁路和大秦线的g s m r 项目。预计在2 0 1 0 年以前，力争建成覆盖全路7 0 余条铁路线的g s m r 通信网络。 在g p s 运用方面，我国铁路最初是运用g p s 受时。在民用领域，则从2 0 世纪 9 0 年代起，各地相继建立了一些专用的基于g p s 的车辆跟踪监控系统，如银行运钞 车等，其基本工作模式也是采用g p s + 无线通信+ g i s 的模式，随着g s m 网络覆盖范 围的扩大，无线通信越来越多的使用了g s m 网络f 川，从而形成3 g 系统( 即 g p s + g s m + g i s ) 。 株溯电力机车研究所进行了机车状念远程监控方面的酊期调研和对基于g s m 、 无线局域网、卫星通信、g s m r 等进行了应用研究与跟踪。 1 3研究的意义 1 3 1 适应铁路机车车辆装备现代化和铁路信息化发展需求 中国铁路的运营里程仅占世界铁路的6 ，却要完成世界铁路总运量的2 2 ，在 此过程中信息化始终扮演着极其重要的角色。伴随着铁路“十五”规划的制定，铁路信 息化建设将进一步加强，目盼铁道部把机车车辆装备现代化和铁路信息化作为加快铁 科硕十学位论文 第一章前言 路技术进步和实现铁路现代化的两大主要任务，今后要进一步加大力度，加快推进信 息化建设，努力打造“数字铁路”1 3 们。 我们知道，目前铁路机车车辆各设备问的互联通过i e c 6 1 3 7 5 i 的列车通信网络 标准( t c n ) ，实现数据共享与诊断显示。而通过多年来的信息化建设，铁路调度指 挥现代化建设初见成效，调度管理信息系统( d m l s ) 、运输管理信息系统( t m i s ) 、 车号自动识别系统( a t i s ) 相继在全路各部门的以推广使用但是，如何将车载数掘 与地面集中调度系统( c t c ) 互联，实现对机车车辆的远程监控与无线列调还处于探 索阶段。 ， 铁路信息化建设主要是实现移动信息资源采集、传输、综合利用，形成现代化的 监控、调度、指挥、控制、通信工具，使铁路各级生产和管理人员通过铁路移动信息 系统能够实时共享全路范围内生产和管理领域的信息。并且向社会实时提供铁路客货 运及其他服务的信息。 如何充分利用现有无线资源，实现车地f b j 无线通信，将机车车辆信息通过无线及 时发送到地面，使各铁路部门( 铁道部、铁路局、机务段、火车站、乘客) 了解机车 运行情况及列车运行区间、上座率等，一方面实现对机车的远程监控与无线调度，另 一方面更好服务与乘客( 顾客) ，这是关系到铁路信息化建设至关重要的一步。 1 3 2 确保列车行车安全，为全路5 次大提速提供强有力的技术基础。 随着机车车辆分布式计算机控制系统及列车通信网络的r 益推广，使机车车辆信 息化获得了较大的发展，机车上的计算机技术应用范围不断扩大；与此相使用的是机 务部门地面网络建设及信息化应用技术范围的不断发展和完善。机车车载系统是机务 信息化建设的最基本部分，目前，尽管不少既有机车实现了部分运行信息和状态信息 的在线检测、监控和诊断处理，但这些设备所记录的数据基本上是在机车入库时通过 i c 卡、串口等直接连接的接触式数据转储的，需要投入大量的人员上车作业。随着公 务、电务及其他部门利用机车作为平台，对铁路沿线行车设备进行在线安全监控项目 的实施，这种由人员上车完成数据下载的作业，在不同部门日j 同时进行时，现场作业 管理和协调变得十分困难。另外，列车运行当中，当机车出现故障或以外情况发生时， 车载信息对机务段、铁路局、主机厂等部门及时掌握情况也十分重要。例如，当利用 车载分布式计算机网路检测对机车行车安全及质量情况进行预警，地面信息处理人员 可根据获取的机车运行检测信息，远程向司机提供故障处理技术支持等。因此，建立 3 科硕十学位论文第一章前言 机车一地面问的远程无线通信系统，对提高机务管理和技术装备水平及铁路信息化都 十分重要。 1 4研究的主要内容 论文在认真分析了现有技术的基础上，设计了一种机车状态远程监控系统，它 从机车微机读取机车状态信息，同时利用g p s 与g i s 技术，实现对机车状态进行远 程监控，起到预防故障发生和指导司机解决故障的作用 论文分为六章，具体内容如下： 第一章深入调研了机车状态远程监控系统的技术背景、政策背景、国内外发展情 况及研究的现实意义。 第二章对系统整体方案进行了研究设计，并制定了相应技术规范。整体方案设计 将3 g 系统分为车载与地面两部分，车载通过v c u 读取机车状态信息，地面通过 i n t e m e t 将机车状态信息，地理位置信息传送到各铁路单位，车地日j 通过g s m 短信传 送数据。 第三章阐述了g p s 、g s m 模块的选型、功能、应用原理等，对车载3 g 通信部分 硬件进行了研究与设计。选用了g a r m i n 公司g p s1 5 l 及w a v e c o m 公司q 2 4 0 3 a g s m 模块设计了3 g 通信终端( 3 g t ) ，3 g 通信控制板( 3 g c ) 由d s 8 0 c 3 2 08 位高 性能处理器和f p g a 等组成，实现对3 g t 的控制，其中f p g a 实现双口r a m 及总线 管理功能。 第四章深入研究了g p s 数掘格式、g s m 短信工作模式与r t x 5 1 实时操作系统原 理，采用c 5 1 进行了基于r t x 5 1 实时多任务操作系统的3 g 系统软件设计，实现了 g p s 信息采集、从v c u 收集机车状态信息及g s mp d u 短信收发控制。 第五章简介了地面系统的组成及界面显示。 第六章介绍了系统的运用情况及对相关技术做了展望。 榉硕十学位论文第- 二章机屯状态远捌监控系统研究与设计 第二章机车状态远程监控系统研究与设计 2 1整体方案设计 。 机车状态远程监控系统是以全球定位系统( g p s ) 、全球移动通信系统( g s m ，包 括通用无线分组业务g p r s 。下同) 、地理信息系统( g i s ) 技术为基础，因此又称之 为3 g 系统。它是集卫星定位与无线通信于一体的铁路列车无线监控系统。该系统包 括车载部分和地面信息处理两部分，如图2 1 所示，车一地闻通过g s m 短消息通信， 在条件成熟的情况下，采用g p r s 或g s m r 通信。 珂+ 二嚣价口， 蛀挫奠嚣蕞盘蜂赶肆， 图2 - 1 基于t c n 的列车状态远程监控系统框图 车载部分由3 g 终端( 3 g t ) 、车辆控制单元( v c u ) 、信息显示单元( i d u ) 、网 关( g w ) 及其他车辆设备组成。其中3 g t 与v c u 通过串行r s 4 2 2 接口连接，其他 设备问通过多功能车辆总线( m v b ) 连接。机车与其他车辆问则通过绞线式列车总线 ( w t b ) 连接，这样，可以将车辆信息通过机车3 g t 发送到地面，也可接收地面信 息对3 g t 的控制则是由插在v c u 机箱中的3 g 通信控制板( 3 g c ) 实现。 地面信息处理部分主要由g s m 收发装置、计算机网络、数掘库、g i s 地理信息 系统组成。车载部分和地面部分通过g p r s 或短消息进行数据交换。 2 23 g 系统各部分功能 车载部分：一方面v c o 通过3 g 系统接收g p s 传来的经纬度、海拔、时日j 等信 息，通过i d u 显示机车当前位置、系统时刚等信号，同时v c u 根掘g p s 海拔信号， 拌硕+ 学位论文第一二章机下状态远科监控系统研究与设计 实现内燃机车功率修j 下。v c u 与i d u 问通信采用符合列车通信网络( t c n ) 的m v b 。 另一方面3 g 系统通过g s m 收发装置将g p s 信息及v c u 采集的机车运行状态信息( 如 机车速度、位置、电流、电压等) 发送到地面信息处理中心，以便地面实时了解机车 运行的位置及机车各部件状态信息，实现列车远程无线监控车载台可接收地面指令， 实现对短消息收发控制，在条件成熟是实现对列车的远程控制。同时还可接收实时新 闻、天气预报等信息。 车载3 g 硬件由3 g 通信终端( 3 g t ) 和3 g 通信控制板( 3 g c ) 组成，3 g c 安装 在v c u 中，为确保g s m 由良好的信号，3 g t 则安装在司机室。g p s 接收装置、g s m 收发装置设计在3 g t 中，它通过串口与3 g c 连接，3 g c 实现对3 g t 的控制。 地面部分：地面部分包括g s m 无线收发部分、人机界面、互联网数据服务等部 分。主要实现的功能如下： a ) 通过g s m 与铁路各型号机车实现无线数掘传输，通信形式包括三种，即定 时发、故障发、根据地面请求发。 b ) 地面处理部分有良好的人机界面，能够处理不同车型的相关数据和信息，采 用图形、图表、曲线、报表等多种形式显示各种参数信息，同时能够显示机 车地理信息。 c ) 为减少无线资源丌支，地面数据中心接收数掘后，各铁路相关单位可通过 i n t e r n e t 资源访问权限允许下的各种车型数据，各客户只能查看自己所管车 辆。登录地面数掘中心服务器后客户可方便查看各种信息，并采用定时刷新 方式。 d ) 地面软件能够设置机车的一些相关参数如车型、车次、s i m 卡号、机车的运 行状态监控参数数据发送周期。 e ) 目前，地面数据中心服务器设置在株洲电力机车研究所。 2 33 g 系统技术条件 2 2 1适用标准 t b t 1 3 3 3 1 2 0 0 2 铁路应用机车车辆电气设备第l 部分：一般使 拌硕十学付论文 笫_ 二章机卞状态远稃监控系统研究与设计 t b t 1 3 3 3 2 2 0 0 2 t b ，r 3 0 2 1 2 0 0 l t b ，r 3 0 3 5 - 2 0 0 2 1 1 3 t 3 0 5 8 - 2 0 0 2 2 2 2工作环境 海拔： 工作温度： 储存温度： 空气湿度： 冲击与震动： 安装： 3 g t 安装要求： 2 2 3技术规格 2 2 3 1 供电电源 11 0 v d c ( + 2 5 ，3 0 ) i a 2 2 3 2g s m 技术指标 用条件和通用规则 铁路应用机车车辆电气设备第2 部分：电工器 件通用规则 铁道机车车辆电子装置 列车通信网络 铁路应用机车车辆设备冲击和振动试验 9 5 0 0 米 2 5 7 0 - 4 0 8 5 最湿月月平均最大相对湿度不大于9 0 ( 该月月 平均最低温度为2 5 ) 符合t b 厂r 3 0 5 8 2 0 0 2 标准 装在能防雨、雪、风、沙的车体内 安装在司机室且g s m 信号完好的地方，g p s 天 线必须安装在车顶无遮挡处 支持g s m 双频：9 0 0 ，18 0 0 m h z 符合e t s i g s m 2 + 标准 c l a s s4 ( 2 w 9 0 0 m h z ) c l a s s5 ( 1 w 1 8 0 0 m h z ) 3 vs l m 卡 完全g s m 或g s m g p r s 软件栈 硬件支持g p r sc l a s s 2 对外连接采用串行接口，波特率：2 a 0 0 1 9 ，2 0 0 b p s 7 拌硕十学位论文 第二章机乍状态远拌监控系统研究与设计 a t 命令控制( g s m0 7 0 7 与此同时0 7 0 5 ) 。 2 2 3 3g p s 性能指标 接收信号：并行1 2 通道瞬f b j 锁定可视卫星 定位时间：重新捕获：电秒 更新率：l s e e 1 9 0 0 s e e 可调 精度 位置精度：1 5 米，差分精度可达3 5 米 速度精度：0 1 m s ，速度限制：5 1 5 n t i s p p s 时间：1h z 脉冲，精度为l u s 。脉冲宽度可调。 加速度限制：6 9 电气接口 对外接口为r s 2 3 2 。 天线接口：5 0 欧姆m c x 接头有源( 5 v ) 或无源天线。 功耗：o 9 w 。 灵敏度：1 6 6 d b w 。 2 2 3 43 g 终端与3 g 通信控制接口板通信 通讯接口 r s 4 2 2 通讯介质双绞屏蔽线 波特率4 8 0 0 b p s 或9 6 0 0 b p s 传送方式异步串行通讯 通讯方式全双工方式 校验方式累加和校验 传输代码a s c i i 玛 通讯编码n r z 码 8 i ：稃硕十学位论文 第一二章机乖状态远拌监控系统研究与设计 2 4试验项目、试验规则和试验方法 3 g 系统按照t b t 3 0 2 1 2 0 0 1 铁路应用铁路机车车辆电子装置标准要求进 行所有型式试验。因为3 g t 为无线通信产品，其电磁兼容有的项目可不做。试验 过程中必须确保g s m 、g p s 均能接收信号，g p s 天线安装在露天。 进行的试验包括如下项目： 耐电压试验 电源试验：满足7 7 1 3 7 5 v d c 工作范围 - r 作性能试验：能正常接收g p s 信号、收发g s m 短信 高低温循环( 老化) 试验 浪涌试验 高温和低温试验：一2 5 7 5 振动和冲击试验 湿热试验 电磁兼容试验： 静电放电抗扰度试验 一 电快速瞬变脉冲群抗扰性试验 - 浪涌抗扰性试验 一 射频场感应传导骚扰的抗扰性试验 电源端骚扰电压试验 科硕十学位论文第二章3 g 系统下载部分硬什原理设计 第三章3 g 系统车载部分硬件原理设计 3 1 车载3 g 通信系统组成 车载3 g 系统的网络拓扑如图3 - 1 所示。 。，- - 。- - _ - - - - 。- _ 。- 。- - 。- 。- - 。 lw t b l囱 im v b 函p 耐由由 图3 - 1 车载设备间网络拓扑 图3 一l 是3 g 运用在重联车上的网络拓扑，同一辆机车内部采用多功能车辆总线 ( m v b ) 实现各种设备日j 互联，实现数据共享。图中，v c u 采集到g p s 信息后通过 m v b 传送到i d u 显示，同时可通过i d u 对3 g 进行设置机车与客车或其他机车日】 通信通过绞线式列车总线( w t b ) 相连。为了便于安装并确保g s m 有良好的信号， 车载3 g 系统分为3 g 通信终端( 3 g t ) 和3 g 通信控制板( 3 g c ) 两部分，它们f b j 通 过r s 4 2 2 通信。3 g c 与车辆控制单元( v c u ) 通过并行总线( f eb u s ) 交换数掘。 v c u 、i d u 与其他设备问通过m v b 通信。 3 g 通信终端安装在司机控制台，大小为1 3 0 x1 4 4 4 7 m m ，实现g p s 、g s m 信 息接收，终端如图3 2 所示。g p s 天线从3 g 通信终端引出安装在车顶，g s m 天线则 直接固定在3 g 通信终端上。3 g 通信控制板插在机车控制单元v c u 实现对g s m 模 块的控制、g p s 与g s m 信息收发、与其他车载日j 信息交换等。系统框图如图3 3 所 示。为提高抗干扰能力，3 g 终端与3 g 控制板b j 通过r s 4 2 2 通信。 拌硕十学位论文第二章3 g 系统下载部分硬件原理设计 图3 23 g 通信终端外形 程 酬二 图3 - 3 车载3 g 通信系统框图 i ：群硕十学位论文第二章3 g 系统乍载部分便纠原理殴计 3 23 g t 硬件设计 嵌入式系统的硬件设计主要应考虑的用户的实际需要，根据要求的性能功耗 功能、外观等因素，选择相应的开发模块，以便快速完成整个硬件系统的设计嘲3 g 通信终端( 3 g t ) 框图如图3 - 4 所示，主要由电源g p s 模块、g s m 模块及r s 4 2 2 转换 等电路组成 3 2 1g p s 定位模块 图3 - 43 ( 3 通信终端原理框图 g p s 模块即g p s 接收机，它是g p s 全球定位系统的用户终端，是全球定位系 统的三大组成部分之一。g p s 卫星接收机的基本结构是天线单元和接收单元两部分。 天线单元的主要作用是：当g p s 卫星从地平线上升起时，能捕获、跟踪卫星，接收 放大g p s 信号。接收单元的主要作用是：记录g p s 信号并对信号进行解调和滤波 处理，还原出g p s 卫星发送的导航电文，解求信号在站星问的传播时问和载波相 位差，实时地获得导航定位数掘或采用测后处理的方式，获得定位、测速、定时等 数据1 5 3 l i s t | 。 3 2 1 1g p s 模块特点 目f | 的g p s 应用中，所用的g p s 模块几乎都足囡外厂商生产o e m 板。这些产 品就性能而占已能较好地满足普通的g p s 定位监控系统的各方面的要求，产品性能 科硕+ 学位论文第二章3 g 系统下载部分硬纠原理设计 稳定、体积小、耗电省、使用方便等优良性能印1 市场常用的g p s 模块有m o t o r o l a 、 m a g e l l e n 、r o c k w e l l 、g a r m i n 等公司产品。选择g p s 的原则：性能稳定、可靠性高、 供货渠道稳定、技术支持好、精度高、体积小，因此选择了g a r m i n 公司g p s 。 g p s 模块采用g a 跚r n 模块化的g p s1 5 系列产品，它是专为不同o e m 系统 应用设计，如汽车导航、无线通信、航海、电子地图等，实物见图3 5 。g a i l m i n 一直以来部是居于g p s 行业领导者的地位，为适应更轻巧及更快速的模块市场需 求，g a r m i n 再度推出全新的g p s 模块g p s1 5 系列产品。它具有如下特点【”1 ： 并行1 2 通道g p s 接收机，可同时跟踪1 2 颗卫星，定位精度高，功耗低； d g p s 实时w a a s 差分或伪距差分，差分精度3 5 米； 体积小巧，结构紧凑，易于应用，接收机信息可方便显示予显示单元或p c 机上； 全屏敝封装，具备优秀抗电磁干扰特性； 用户无需初始化，安装完毕，接收机即可自动传送导航数据； i p p s 秒脉冲输出精度可达至t j 士1 0 0 n s ，脉冲宽度2 0 m s - 9 8 0 m s 可调； 可从c o m i 接口上输出二进制载波相位数掘； 多种供电模式，3 3 v ( g p s1 5 ) ；3 3 v 一7 v ( g p s1 5 l ) ；g v - 4 0 v ( g p s1 5 h ) 内置f l a s hf i j 存和非易失型储存器，无需后备电池支持。 图3 5 g p s 模块图片【i l 】 3 2 1 1g p s 模块技术参数如表3 - 1 所示 表3 1g p s1 5 系列模块技术参数f 2 6 1 l 性能参数 g p s1 5 g p s1 5 l g p s1 5 h i 电气指标 输入电压3 3 v d c3 3 5 4 v d c8 4 0 v d c l 输入电流 8 0 m a8 5 m a 5 0 m a ( 8 v ) 稃硕十学位论文第三章3 g 系统印载部分硬什原理设计 速度 5 1 4 m s 5 1 4 m s 5 1 4 m s 动态性能加速度 6 96 96 9 速度精度 0 0 5 m s0 0 5 m s0 0 5 m s 重新捕获 2 s 2 s 2 s 热启动 1 5 s 1 5 s1 5 s 定位时间冷启动 4 5 s4 5 s4 5 s 自动定位 5 m i n5 m i n) 1 1 1 1 n 搜索天空 5 m i n5 m i n5 m i n 定位精度 15 m 9 5 1 5 m 9 5 l5 m 9 5 精度差分精度 3 - 5 m 9 5 3 5 m 9 5 3 5 m 9 5 p p s 精度1 微秒l 微秒1 微秒 接口电平c m o s ( t r l )r $ 2 3 2 r $ 2 3 2 串行接口 波特率 4 8 0 03 0 0 3 8 4 0 03 0 0 一3 8 4 0 0 工作温度 3 0 + 8 0 温度 存储温度 4 0 + 9 0 尺寸3 5 5 6 x 4 5 8 5 x 8 3 l ( m m ) 物理 重量约1 5 9 3 2 12g p s 电路设计 3 g t 中选用的g p s 模块为g a r m i ng p s l 5 l ，供电电源v c c 为5 v ，通信接口 采用p o r tl 口r s 2 3 2 电平输入输出接口。g p s 接口定义见表3 2 所示。其中第6 脚 r fb i a s 、第8 脚p o r t 2d a t ai n 本设计中没用。 表3 - 2 g p s 接口定义i 引脚号信号名描述 lb a c k u pp o w e r后备电池，给实时时钟用，如果不接电源，r t c 保 持时日j 约2 l 天。电压输入范围为2 8 3 4 v d c 。 2g r o u n d地 3p o w e r 电源，+ 3 3 s v d c ，尖峰电流为1 0 0 m a 。 4p o r tld a t a o u t端口l 数据输出线，r s 2 3 2 电平。 5p o f n ld a t a i n 端口l 数据输入线，r s 2 3 2 电平。 6r f b i a s 射频天线偏值，无效 7p p s每秒1 脉冲输出 8p o r t 2 d a 队i n端口2 数据输入线，t t l 电平。g p s 数据格式为 “r t c ms c 1 0 4 ”。设计中没用该方式。 g p s 部分电路如图3 - 6 所示。其中j 1 为8 芯g p s 连接器，可通过插拔孩连接器 来装卸g p s 。同时利用其lp p s 定时功能进行g p s 状态指示，当g p s 有信息时，每 拌硕+ 学付论文 第二章3 g 系统乍载部分硬卅原理设计 隔1 秒闪烁一次1p p s 经三极管放大后驱动发光二极管h l i ，h l i 接至面板显示。g p s 后各电池为2 8 3 4 v d c ，故通过三个二极管将5 v 将压后送b a kp w r 。 图3 - 6 g p s 电路设计 为了提高可靠性，g p s 与主微机间通信采用r s 4 2 2 全双工标准，以提高系统 抗干扰能力为此必须进行电平转换，即将r s 2 3 2 电平先转换为r r l 电平，然后 再将t t l 电平转换成r s 4 2 2 电平，如图3 7 所示。r s 4 2 2 输出侧加瞬变抑n - 极 管对m a x 4 8 8 e 芯片进行保护。r s 4 2 2 电平转换也可采用带隔离的芯片，如 m a x l 4 8 0 e ，但价格太高。如果自己做隔离转换则成本与印制板面积都将增大 因此本设计中没有隔离，可以考虑采用带隔离的措施。 3 2 2 g s m 部分 图3 7 电平转换原理图 g s m 模块在系统通信中起着至关重要的作用，它的性能的好坏决定着系统通 过短消息业务进行数据传送的准确性和可靠性1 2 s 1 稃硕+ 学付论文第三章3 g 系统下载部分硬f ，i 原理设计 生产g s m 模块的厂家主要有s i e m e n s 、e r i c s s o n 、w a v e c o m 及中兴通信等， 较为常用的模块有s i e m e n s 的m c 3 5 、中兴的z x g m l 8 、s o n y _ e r i c s s o n 的g r 4 7 、 w a v e c o m 的q 2 4 0 3 系列。以上模块的接口均支持r s 2 3 2 串行接口，支持完善的 a t 指令，内置或外置s i m 卡，功能上支持：传真、短消息服务、数据、语音通 斜5 9 l 。w a v e e o m 模块在电磁兼容和可操作性方面相对较好，能够较好的满足系统 要求【2 7 i 故设计中g s m 通信模块选用w i s m o 的q 2 4 0 3 ao e m 模块，如图3 8 。该 部分电路包括g p r s g s m 双频模块、天线及其接口电路，如：语音、键盘、信息 提示、显示等在未开通g p r s 地区可以使用g s m 功能。 图3 8q 2 4 0 3 a 模块外形【1 9 g s m 模块特点【1 9 i w i s m o q u i kq z 4 0 3 a 模块框图如图3 - 9 所示，具有如下特性： 支持g s m 双频：9 0 0 1 8 0 0 m h z 符合e t s ig s mp h a s e2 + 标准( 一般话机) 等级4 ( 2 w 9 0 0 m h z ) 等级5 ( 1 w 18 0 0 1 9 0 0 m h z ) 电源： 3 6v d c ( 直接连到锂电池) 3 0 0 m a 通话状念平均电流( g s m9 0 0 ，0 d t x ，成本p m a x ) 3 5 m a 待机状念( g s m l 1 6 样硕十学位论文 第二章3 g 系统下载部分硬什原理设计 重量：2 0 克( 包含屏蔽层) 3 vs i m 卡接口 f 1 历、实时时钟 电池管理 回声消除及噪音消除 完全g s m 或g s m g p r s 协议栈 硬件支持g p r sc l a s s2 全屏蔽处理 体积：5 8 3x3 2 2x3 9 m m 3 2 2 1g s m 部分原理设计 图3 - 9q 2 4 0 3 a 框图 在3 g 通信系统中，主要利用g s m 模块实现点对点短消息功能，尽管q 2 4 0 3 a 模块提供语音传输接口，但3 ( 3 系统中不提供语音传输接口以免影响系统正常工 一1 7 - l ：稃硕十学位论文 第二章3 g 系统印载部分硬r i 原理设计 作作为车载信息平台，显示器采用司机室彩色液晶显示器，键盘与蜂鸣器均取 消，做到尽量减少元器件、减小终端尺寸，提高可靠性。g s m 引脚定义见表3 2 。 表3 2g s m 引脚定义及设计中应用说明 引脚信号名信号说明设计应用情况 l锂电池充电接口，可对锂电池 2c h gr n充电，最大充电电流为 未用 48 0 0 m a 3s 【m c l ks i m 卡时钟 s i m 卡电源及控制信号， 5s i m d a l as i m 卡数掘线 详见说明。 7s i m r s ts i m 卡复位信号 9s i m v c cs i m 卡电源 6o n 0 f f 模块开关信号高电平丌，电压最小为 2 4 v 最小必须保持5 0 0 m s 8 s d a s p ii os p i 或两线接口数据线l c d 接口，用s p i 时波特 l o s c l s p i - c l ks p i 或两线接口时钟线 率可达3 2 5 m b p s ，用两线 2 6g p 0 0 s p i a u xs p i 使能或通用i o连接时波特可达 2 8s p ie nl c d 使能 4 0 0 k b p s ，未用。 1 1v b a t t 电源连接v b a t t 1 2b o o tf l a s h 下载信号 软件更新用 1 3r o w 0 键盘行扫描信号未用 1 5r o w l ， 1 7r o w 2 1 9r o w 3 2 lr o w 4 2 3c o l o键盘列扫描信号 未用 2 5c o l l 2 7c o l 2 2 9c o l 3 3 lc o l 4 1 4r e