毕业设计（论文）-基于GSM的CTCS-3列控系统功能仿真l.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 CTCS 3 列控系统功能仿真 SIMULATION OF CTCS 3 TRAIN CONTROL SYSTEM FUNCTION BASED ON GSM 全套设计加扣全套设计加扣 3012250582 年 级 2010 级 学 号 20107914 姓 名 专 业 通信工程 铁道信号 西南交通大学本科毕业设计论文 第 II 页 指 导 老 师 2014 年 6 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 西南交通大学本科毕业设计论文 第 I 页 年 级 2010 级 姓 名 题 目 基于 GSM 模块的 CTCS 3 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 西南交通大学本科毕业设计论文 第 II 页 毕业设计 论文 任务书毕业设计 论文 任务书 班 级 铁道信号 3 班 学生姓名 学 号 20107914 发题日期 2014 年 2 月 21 日 完成日期 2014 年 6 月 5 日 题 目 基于 GSM 模块的 CTCS 3 功能仿真 1 本论文的目的 意义 对一直处于发展中的我国铁路而言 始终存在运量与运能之间的突出矛盾 这 些矛盾直接体现在铁路运输对国民经济快速发展的制约 经济的高速发展对铁路运 输力提出了更高需求 而提高列车的运行速度是提升运输力的关键 CTCS 3级列车 运行控制系统作为高速铁路的重要技术装备 是保证列车运行安全可靠高效的核心 技术 在不久将更广泛地运用 故建设CTCS 3 级列车运行控制系统仿真平台 为 列车运行控制系统的方案验证和关键设备的测试评估提供技术支撑是很有必要的 通过有效的仿真 可解决实际操作复杂 费用高 测试条件不可控和误差大等问题 且不同的方案可以进行有效的对比 选出最利于运营的方案 本论文通过模仿真实运营环境对列车运行控制系统原理进行研究 对于关键技 术的方案验证和评估系统关键设备功能都有积极的作用 2 学生应完成的任务 1 阅读相关文献 包括中文英文文献 明确 CTCS 3 结构和原理 2 特别明确仿真部分工作原理 分析仿真需求 3 学习开发语言 学习硬件模块工作原理 4 完成相关接口设计 软件构架和系统总体设计 5 实现串口通信 程序实现上位机 完成仿真工作 最终提交的资料有 毕业论文 程序设计 西南交通大学本科毕业设计论文 第 III 页 3 论文各部分内容及时间分配 共 18 周 第一部分 查阅相关资料 检索文献 1 周 第二部分 明确仿真的部分 安排论文结构 2 周 第三部分 学习开发语言以及 GSM 模块并着手硬件设计 4 周 第四部分 完成结构设计 接口设计 串口通信 继续学习开发语言 和模块原理 编写软件 搭建仿真环境 撰写论文初稿 6 周 第五部分 继续完成论文 同时修改及编排完善 2 周 论文评阅及答辩 2 周 论文整改 1 周 备 注 指导教师 年 月 日 审 批 人 年 月 日 西南交通大学本科毕业设计论文 第 IV 页 摘 要 CTCS 3系统是基于轨道电路和无线通信系统 GSM R 的列车运行控制系统 在 CTCS 3级系统中 车载设备与地面设备配合工作 列车按固定闭塞方式运行 由 无线闭塞中心 RBC 控制 利用无线通信系统 GSM R 在车地之间双向传输信 息 车载设备具有无线通信模块 应答器为定标设备 采用 GSM R 网络实现车 地间双向无线数据传输代替目前的轨道电路来传输色灯信号 是铁路基于通信技术的 列车控制系统的关键技术 本论文重点通过对基于 GSM 实现数据交换的 CTCS 3级 列控部分功能的仿真 实现模式转换 完成的主要工作内容包括 首先在 CTCS 3车载设备功能需求以及 GSM R 与 RBC 间数据交换基础上分析 模式转换功能需求 然后根据功能需求 实现总体设计方案 包括系统配置 功能 组成 接口关系 模块化分等 最后以 VC 为开发平台完成系统软件设计 关键词 列车控制系统 CTCS 3 GSM R 模式转换 VC 西南交通大学本科毕业设计论文 第 V 页 Abstract CTCS level 3 system based on the track circuit and wireless communication system GSM R is a train operation control system In CTCS level 3 systems automotive equipment shall cooperate with the ground equipment train runs in the fixed block controlled by radio block center RBC By using the wireless communication system GSM R in the train it realizes two way transmission of information between train and trackside equipment Train equips with wireless communication module On board and transponder as calibration equipment Using GSM R to realize two way wireless data transmission instead of the current track circuit to transmit light signal is the key technology of railway train control system based on communication technology Thesis focuses on part of function simulation of CTCS level 3 based on GSM such as model switch The main work includes First based on CTCS 3 on board equipment functional requirements and the data exchange between GSM R with RBC simulation system analysis model switch simulation system functional requirements Then according to the functional requirements realize the overall design including system configuration function classification of modular composition and interface relations Finally based on VC platform the software design of system should be completed Key words Train control system CTCS 3 GSM R Model switch VC 西南交通大学本科毕业设计论文 第 VI 页 目目 录录 第 1 章引言 1 1 1 绪论 1 1 2 论文研究背景和意义 2 1 2 1 研究背景 2 1 2 2 研究意义 2 1 3 CTCS 3 功能仿真研究现状 3 1 3 1 国外研究现状 3 1 3 2 国内研究现状 3 1 4 论文主要研究内容 4 1 5 进度安排 4 第 2 章CTCS 3 组成以及工作原理 6 2 1 系统概述 6 2 2 系统工作模式及切换 7 2 2 1 系统工作模式 7 2 2 2 CTCS3 的模式切换 8 2 3 等级转换 9 2 3 1 CTCS 2 向 CTCS 3 的切换 9 2 3 2 CTCS 3 向 CTCS 2 的切换 10 2 4 模块及接口设计 10 2 5 本章小结 11 第 3 章仿真设计原理及实现 12 3 1 C51 硬件模块简介 12 3 1 1 C51 结构及 KEIL C51 12 3 1 2 C51 与 PC 机通信原理 13 3 2 C51 串行口收发模块 14 3 2 1 接收数据模块 14 3 2 2 发送数据模块 15 3 2 3 基于 VB6 0 的 PC 机串行口通信模块设计 16 西南交通大学本科毕业设计论文 第 VII 页 3 3 基于 SI900A 模块的电路设计 17 3 3 1 SIM900A 模块原理简介 18 3 3 2 SIM900A 串口设计 18 3 4 基于 SIM900A 的数据传输实现 21 3 4 1 PC 机串口控制模式实现 SMS 功能 21 3 4 2 单片机控制 SIM900A 模块传输数据 21 3 5 仿真实现 21 3 5 1 CTCS 3 运行模式的仿真 21 3 5 2 CTCS 3 与 CTCS 2 等级转换的仿真 24 3 6 本章小结 26 第 4 章总结与展望 27 4 1 主要工作 27 4 2 未来工作展望 27 致 谢 28 参考文献 29 西南交通大学本科毕业设计论文 第 1页 第 1 章 引言引言 1 1 绪论 早期欧洲铁路列车运行控制系统存在的种类繁多 各国信号制式复杂 互不兼 容等问题 这使得高速列车在欧洲铁路网内实现跨线或者跨国互通运行难以实现 为解决此问题 在 1982 年 12 月 欧洲运输部长会议做出决定 开发欧洲铁路范围 内互联互通的技术 欧盟在 2001 年确定了 ETCS European Train Control System 为欧洲铁路强制 性技术规范 ETCS 的主要特点在它的安全高效 互通互用 低成本和市场广泛 其在融入欧洲现有的主要列车运行控制系统功能的基础上实现了设计体系规范化 且定义了丰富的互联互通接口 ETCS 系统已经比较成熟 在欧洲获得了广泛的认 可度 就我国国情而言 我们人口密集 资源紧张 城市化发展却又非常迅速 我国 铁路一直处于发展中 总是有着运量与运能之间的突出矛盾存在 而这些矛盾直接 体现在铁路运输对国民经济的快速发展的制约 故铁路运输仍是我国国民经济发展 中需要加强的一个薄弱环节 我国铁路部门先后总共实行了六次大提速来提高运输 能力 缓解铁路运输的压力 当今高速铁路的快速发展 对作为铁路中枢神经的信号系统也提出了更高更新 的要求 中国铁路由于历史及技术等原因 也存在多种信号系统互不兼容的问题 这严重制约了运输效率的提高 为加快高铁建设 我国铁道部特地组织专家制定了 适合国情的中国列车控制系统 即 CTCS Chinese Train Control System 作为铁路运输管理系统的重要组成部分的列车运行控制系统 是用于提速的主 要技术手段 CTCS 3作为我国铁路体系装备现代化的重要组成 满足中国铁路的运 输需要 具有自主知识产权 开放平台 统一标准 1 研究它的原理对中国铁路意 义很大 本章将首先阐述CTCS 3功能仿真的研究意义 然后综述列车运行控制系统的研 究背景和国内外列车运行控制系统仿真的研究现状 在最后介绍了论文的结构安排 和主要研究内容 西南交通大学本科毕业设计论文 第 2页 1 2 论文研究背景和意义 有鉴于我国铁路运量和运能之间的突出矛盾 为了能从根本上解决问题 在安 全的前提下提高运输效率 促进经济发展 我国铁路信号系统迫切需要建立网络化 和智能一体的发展方向 这种情况下 制定国产高速铁路列车运行控制系统标准即 CTCS 3 级列车运行控制系统尤其必要 1 2 1 研究背景 我国在 2002 年由铁道部确定了发展 CTCS 的战略目标 在 2003 年的北京 UIC 年会上铁道部宣布了 CTCS 的构架和分级 2004 年又制订了 CTCS 2 的技术规范 接着 2005 年初开始了 CTCS 2 级的工程施工 于 2006 年开始 CTCS 2 的试验和测 试 并在 2007 年的 1 到 3 月开始试运 在 4 月份正式投入商业运营 同年八月份又 提出了 CTCS 3 的技术攻关 到目前为止已经取得很大发展 CTCS 3 列车运行控制系统是技术成熟 兼具经济效益高和安全性能可靠的列 车运行控制系统 它同时兼容 CTCS 2 级 是我国列车运行控制系统的重要组成部 分 主要适用于提速干线或高速新线等时速在 300 到 350km h 客运专线 它用全球 铁路移动通信网 Global Mobile System for Railways 简称 GSM R 实现列车与地面间 双向连续的信息传输 在满足我国铁路的移动信息需求的同时解决了超速防护和信 息的高速可靠传输问题 1 2 2 研究意义 CTCS 3级列车运行控制系统作为高速铁路的重要技术装备 是提升运输力从而 满足经济发展对铁路运输力提出更高需求的关键 CTCS 3级列车运行控制系统作为 高速铁路的重要技术装备 是保证列车运行安全可靠高效的核心技术 在不久将更 广泛地运用 为探究列车运行控制系统的原理 为收集关键设备的测试数据 为评 估系统或设备提供支撑 建设CTCS 3 级列车运行控制系统仿真平台是很有必要的 通过有效的仿真 可解决实际操作复杂 费用高 测试条件不可控和误差大等问题 且不同的方案可以进行有效的对比 选出最利于运营的方案 西南交通大学本科毕业设计论文 第 3页 1 3 CTCS 3 功能仿真研究现状 本着安全与效率并重的原则 列车运行控制系统总体上来说正在向着数字化 网络化 自动化的方向发展 2 这对列车运行控制系统的仿真测试研究也提出了更 高的要求 CTCS 3级列车运行控制系统作为我国自主研发的世界先进列车运行控制 系统 已经在高铁线和新干线上得到运用实践 但在提升铁路运输能力的大前提下 我们对CTCS 3的功能原理仍需进一步研究和完善 以便其更广泛地运用 1 3 1 国外研究现状 国外列车运行控制系统仿真研究起步较早 且随着计算机仿真技术的进步 列 车运行控制系统的仿真研究也不断发展 欧洲铁路研究中心开发了一个ETCS仿真系 统 它的供应商们对其进行仿真测试研究 用以演示系统运行的原理以及对关键设 备的功能测试 意大利佛罗伦斯大学也研发了一个ATP ATC仿真系统 主要对ATP 测距装置进行了测试研究 另外日本的新干线ATC系统和法国的TVM系列也都处于 领先水平 最新的ATC系统是基于无绝缘数字式轨道电路 采用设备优先 阶梯模 式的控制方式 不需要设置保护区段 对列车运行控制系统的仿真研究欧洲各国尤 其是德国和法国以及亚洲的日本都处于世界领先水平 1 3 2 国内研究现状 在对国外先进列车运行控制系统尤其是ETCS系统进行深刻研究的基础上 我国 目前有较完整的铁路技术科研 设计与制造体系 我国编制的CTCS技术规范将其构 建原则确定为地面与车载设备统一设计 以地面设备为基础的原则 CTCS体系分为 四层结构 按照通信传输层 运输管理层 车载设备层 地面设备层来进行层层配 置 针对不同线路不同闭塞设备的情况 我国将CTCS划分了从CTCS 0到CTCS 4共 计5个不同的等级 同一条线路上可以有多个运行级别 从上到下兼容 2004年的第六次大提速使得我国自主研发的CTCS 2在主要干线上得到广泛运用 时速从160公里提升到200公里 在既有线上成功提速使我们积累了宝贵经验 而 2009年 武广客运专线的投入运营则标志我国拥有了CTCS 3级世界先进列车运行控 制系统 目前对列车运行控制系统的研究工作在我国主要由各个设计院以及交通大 学实验室或者一些突出的通信信号企业承担 但我们的研究相对起步较晚 还需要 西南交通大学本科毕业设计论文 第 4页 进一步掌握高速铁路运行控制技术 故研究工作仍需要不断地深入 1 4 论文主要研究内容 本文简介了CTCS 3的现状及其结构和工作原理 主要通过GSM模块传输数据 软件模拟上位机系统 上位机采集数据后做相应处理来实现CTCS 3的部分功能仿真 论文的结构安排如下 第一章 首先综述国内外 CTCS 3发展以及仿真情况的大概情况 阐述基于 GSM模块来实现CTCS 3功能仿真的意义 最后介绍本文主要工作和实现内容 第二章 简要介绍CTCS 3系统结构组成以及原理功能 在此基础上提出并分析 仿真需求 包括软件构架以及结构设计等 第三章 在阐述关键原理和技术搭建工作平台的基础上实现仿真过程 第四章 对本文内容进行总结并介绍未来可能研究方向 1 5 进度安排 初步安排如下 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 3 1 4 15 1 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 2 解决一个具体的原型问题 安排半天实 习 平均每 天 大量阅读文 献并消化 明确论文任 务 完成论 文一 二章 西南交通大学本科毕业设计论文 第 5页 续表 1 2 4 16 5 20 通过硬件 软件工具进行技术实现 进一步对初步方 案进行改进 安排半天实 习 平均每 天 5 21 6 15 1 与导师讨论进行深入修改 2 论文精益求精阶段 安排半天实 习 平均每 天 深入完成论 文核心章节 6 16 6 25 准备答辩 安排半天实 习 平均每 天 完成 PPT 准备演说词 注 每周四与导师讨论一次 根据实际反馈随时进行调整 西南交通大学本科毕业设计论文 第 6页 第 2 章 CTCS 3 组成以及工作原理组成以及工作原理 2 1 系统概述 CTCS 3 包括地面子系统和车载子系统 其中地面子系统是整个系统的基础 关键设备要冗余配备 CTCS 3 的结构如图 2 1 所示 车车载载计计算算机机 I I O O模模块块司司法法记记录录器器D DM MI I 司司机机 J JR RU U下下载载工工 具具 内内部部接接口口 车车载载子子系系统统 T TC CR R B BT TM MR RT TM M 测测速速测测距距单单元元 轨轨道道电电路路 列列控控中中心心 连连锁锁系系统统 接接口口 应应答答器器 L LE EU U C CT TC C分分机机 G GS SM M R R移移 动动台台 G GS SM M R R固固 定定网网络络 R RB BC C 接接口口 接接口口 接接口口 接接口口 地地面面子子系系统统 图 2 1 CTCS 3 系统结构 地面子系统主要功能是检查区间占用情况及列车在区间的位置 生成速度信号 向列车发送线路参数 允许速度等控制信息 车载子系统则主要分析从地面设备接 收的信息 并结合列车特性 计算出列车速度控制曲线 以便实时监控列车的运行 状态 保证列车运行安全高速 整个 CTCS 3 级列车运行控制系统 是基于 GSM R 无线网络来实现车 地双向 数据传输 在无线闭塞中心 RBC 处生成行车许可 CTCS 3 级列车运行控制系统能 够对高速运行的列车实行速度监控 运行间隔监控等实时监控以及超速防护 其采 用了目标距离连续速度控制模式以及设备制动优先的方式监控列车的实际运行 同 西南交通大学本科毕业设计论文 第 7页 时可满足列车跨线运营的要求 1 2 2 系统工作模式及切换 本节主要介绍 CTCS 3 的工作模式以及模式切换 CTCS 3 车载设备主要 9 种工 作模式 其中有 2 种只用于 CTCS 2 满足一定关系和条件时各模式可以相互转换 2 2 1 系统工作模式 完全监控模式 完全监控模式 FS 车载设备具备列车控制所需全部数据 车载设备生成目 标距离连续速度控制模式曲线 通过 DMI 显示监控信息 目视行车模式 目视行车模式 OS 地面设备故障 车载设备显示禁止信号 且列车停车后 需继续运行时 经司机操作 车载设备按照 40Km h 的固定限制速度监控列车运行 列车每运行一定距离 300m 或者 60s 司机需确认一次 引导模式 引导模式 CO 引导信号开放或者出站信号机开放 且列车前端距离出站 信机较远 250m 发车时 车载设备生成目标距离连续速度控制模式曲线 通过 DMI 显示信息 车载设备按 40Km h 的固定限速监控列车运行 调车模式 调车模式 SH 司机按压吊车按钮 车载设备按固定限速 40Km h 顶棚速 度 监控列车前进或者折返 当列车工作在 CTCS3 时 经 RBC 同意 车载设备转 入 SH 后与 RBC 断开 退出 SH 后再重新与 RBC 相连 隔离模式 隔离模式 IS 车载设备停用而又需要停车时 经操作 隔离车载设备的制 动功能 待机模式 待机模式 SB 车载设备上电时 执行自检和外部设备测试正确后自动处于 SB 此时车载设备禁止列车移动 司机开启驾驶台 DMI 投入正常工作 休眠模式 休眠模式 SL 本模式适用于非本务端列控车载设备 此时设备仍执行列车 定位 测速测距 记录 RBC 切换信息以及等级转换等功能 部分监控模式 部分监控模式 PS 仅用于 CTCS 2 车载设备接收到轨道电路允许行车信 息而缺少应答器提供的线路数据时 车载设备产生一定范围内的固定限制速度来监 控列车运行 机车信号模式 机车信号模式 CS 仅用于 CTCS 2 列车运行到地面设备尚未装备 CTCS 3 CTCS 2 的区段时 司机操作后 车载设备按 80Km h 的固定限速监控列车运行并 显示机车信号 2 2 2 CTCS3 的模式切换 下表描述了在 CTCS 3 时车载设备工作模式转换关系以及条件 西南交通大学本科毕业设计论文 第 8页 表 2 1 CTCS 3 模式转换 完全监完全监 控模式控模式 FS 调车模式调车模式 SH 引导模引导模 式式 CO 目视行目视行 车模式车模式 OS 待机模待机模 式式 SB 隔离模隔离模 式式 IS 休眠模休眠模 式式 SL 完全监完全监 控模式控模式 FS 停车 调 车键 RBC 授 权 RBC 授 权 减 低到允 许速度 司机 确认 停车 越行健 停车 关闭驾 驶台 停车 隔离开 关 隔 离 调车模调车模 式式 SH 停车 退 出调车 键或关 闭驾驶 台 停车 隔离开 关 隔 离 引导模引导模 式式 CO 收到 FS 的行车 许可 停车 调 车键 RBC 授 权 停车 越行健 停车 关闭驾 驶台 停车 隔离开 关 隔 离 目视行目视行 车模式车模式 OS 收到 FS 的行车 许可 停车 调 车键 RBC 授 权 RBC 授 权 停 车 司 机确认 停车 关闭驾 驶台 停车 隔离开 关 隔 离 待机模待机模 式式 SB 收到 FS 的行车 许可 停车 调 车键 RBC 授 权 RBC 授 权 司 机确认 停车 越行健 停车 隔离开 关 隔 离 他端车 载设备 激活为 本务端 关闭 驾驶台 西南交通大学本科毕业设计论文 第 9页 续表 2 2 隔离模隔离模 式式 IS 停车 隔离开 关 正 常 休眠模休眠模 式式 SL 车载设 备激活 为本务 端或关 闭所有 驾驶台 停车 隔离开 关 隔 离 如果同时有几个模式的条件被满足 则系统将遵守从低到高的优先级转换 转 换后车载设备的数据可能会被当前模式影响 具体转换情况将在下一章节详细阐述 2 3 等级转换 本节主要介绍 CTCS 3 与 CTCS 2 间相互切换的原理 即是在 CTCS 3 区段和 CTCS 2 区段边界系统应遵守的等级转换过程和原则 重点讨论正常情况下转换过程 在 CTCS 3 系统控制下在固定地点进行的情况 2 3 1 CTCS 2 向 CTCS 3 的切换 R RT T S Si i1 1S Si i2 2 S Si i3 3 S Si i4 4 R RE EL LT TA A L LT TO O C C 2 2区区域域C C 3 3区区域域 司司机机确确认认区区 图 2 2 边界应答器布置及确认区段示意 转换开始之前应保证车载 GSM R 电台已经注册到网络 4 而后在 RBC 连接点 RE 点车载设备与 RBC 建立通信会话 从而获得系统配置参数与行车许可等信息 如果边界具备 CTCS 3 条件 则进行转换 西南交通大学本科毕业设计论文 第 10页 在转换开始设置 RBC 连接点 RE 列车一旦过该点 车载设备就由应答器信 息呼叫 RBC 并注册 通信连接标志牌提示司机 在到转换点唯一进路入口设置转 换预告点 LTA 一旦列车过该点 车载设备向 RBC 发送位置信息 RBC 判断是 唯一进路后发送回等级转换命令和行车许可等 接着列车一旦通过转换执行点 LTO 本务端车载设备就执行 CTCS 2 向 CTCS 3 的转换 非本务端处于 SL 模 式的车载设备记录转换信息 而后列车运行到转换边界 等级转换标志牌提示司机 前的一段距离后 司机根据车载设备提示确认 CTCS 2 向 CTCS 3 的转换 一经完 成确认则转换成功 如果列车通过 RE 后并未通过 LTA 表明列车未进入 CTCS 3 区域 则在其他进路上设有取消转换点 LTO 使列车过该点后取消与 RBC 的连 接和注册 2 3 2 CTCS 3 向 CTCS 2 的切换 列车运行方向离开 CTCS 3 线路区域而进入 CTCS 2 线路区域时 将进行此等 级切换 RBC 在转换边界的提前一段距离 LTA 距边界最小距离要大于车载设备与 RBC 通信时间 5s 司机确认耗时 5s 10s 内列车行驶距离 用等级转换命令向车载设 备发送在转换边界转换为 CTCS 2 的转换预告命令 而后列车行驶到转换分界点将 收到应答器传来的无条件转换命令 此时 CTCS 3 控制单元将比较列车实际速度与 CTCS 2 控制下的允许速度 若实际速度超过允许速度 则 CTCS 3 触发常用制动 实际速度低于允许速度时就实行等级转换 一旦列车前端通过转换点 车载设备将 自动由 CTCS 3 转换到 CTCS 2 之后司机根据车载设备显示 RBC 传送的等级转换 命令后进行操作 在列车驶离边界 5s 后司机由车载设备提示确认 由非本务端的车 载设备记录下操作 2 4 模块及接口设计 R RB BC CG GS SM M R R网网络络 车车载载G GS SM M R R 电电台台 列列控控车车载载 设设备备 图 2 3 模块设计 RBC 通过 ISDN 综合业务数字网 PRI 基群速率 接口与 GSM R 网络移动 西南交通大学本科毕业设计论文 第 11页 交换机 MSC 相连 5 它们信息交互情况如下 车载设备接收到应答器信息后 就向 RBC 发送列车位置信息 列车静态信息 车载设备标示号 列车位置以及上下 行信息 等级切换命令 最后相关应答器编组号等 同时车载设备会接到 RBC 发 送的行车许可 MA 临时限速等 GSM 网络无线传输到基站 BTS 然后经 GSM 移动终端通过接口与车载设备相连 由此 我们可采用下图仿真结构 G GS SM M模 模块 块G GS SM M模 模块 块单 单片 片机 机 上 上位 位机 机 图 2 4 仿真结构设计 由此可见 我们可以用一个 GSM 模块模仿 RBC 与 GSM 网络交换的数据并发 送 用另一个 GSM 模块模拟车载 GSM 电台 它接收数据并通过单片机控制与上位 机交换接收数据 由上位机对数据做相应处理并完成 DMI 显示功能 从而完成功能 仿真 2 5 本章小结 本章简要介绍了 CTCS 3 的系统结构和工作场景 就 CTCS 3 的工作模式和 CTCS 3 与 CTCS 2 间切换做出详细介绍 同时介绍了相关接口和数据交换的通道 在此基础分析了仿真的功能需求并完成仿真结构设计 西南交通大学本科毕业设计论文 第 12页 第 3 章 仿真设计原理及实现仿真设计原理及实现 3 1 C51 硬件模块简介 本章就需要用到的硬件功能做一些简单介绍 包括 C51 单片机和 SIM900A 模 块 在此基础上分析仿真需求以及完成仿真设计的实现 3 1 1 C51 结构及 KEIL C51 我们用 51 单片机来实现数据通信 它有 8 位的 CPU 4 个 8 位双向 I O 口 1 个全双工异步串行口等配置 基本结构如下图 C CP PU U微微处处理理 器器 S SF FR R特特殊殊功功 能能寄寄存存器器 R RO OM M 并并行行接接口口 R RA AM M 定定时时 计计 数数器器 中中断断系系统统 串串行行接接口口 内内部部总总线线 P P0 0 P P1 1 P P2 2 P P3 3T TX XD DR RX XD D I IN NT T0 0I IN NT T1 1 图 3 1 51 系列单片机基本结构图 由于需要一次交互的数据不是很多 且考虑实际情况中数据传输较远 故采用 串行通信 串行通信通过串行口来实现 如图 51 单片机就有一个双工异步串行接口 来完成串行通信 串行通信分别有异步传输和同步传输两种模式 异步通信数据帧 格式如下 图 1 1 0 0 停停止止位位起起始始位位 数数据据位位 校校验验位位 D D0 0D D1 1 D D2 2D D3 3D D4 4D5D D6 6 D D7 7P P0 0 3 2 典型的异步通信数据格式 西南交通大学本科毕业设计论文 第 13页 如上图所示 一个字符的组成有以下四部分 起始位 数据位 奇偶校验位以 及停止位 从低电平 0 的起始位开始 到高电平 1 的结束位结束 中间部分才用于 传输数据 起始位作用是通知接收设备将有一个字符到来 起始位之后是 5 到 8 个 不等的信息位 但在同一传输系统中数据位的数目是固定的 数据传输时总是遵循 低位在前高位在后的原则 信息位后面为校验位 可以设置为奇校验或偶校验 也 可以不作设置 最后是停止位 停止位全为高电平 1 可以有 1 位 1 5 位或者 2 位 由停止位的作用电平可知线路不传送数据时应保持高电平 1 故接收端在检测到连 续的 1 后出现 0 则表明有新字符过来 作为单片机开发工具的 KEIL C51 既可以编辑 编译和调试汇编语言 又可以 编辑 编译和调试 C51 程序 它是一个基于 windows 的集成开发环境 选用 C 语言 开发系统 不仅因为 C 语言通用性 更因为它同时具备汇编语言和高级语言的特点 故具有开发周期短 易于维护 可靠性高 可移植性号等特点 它不仅可以仿真模 拟一般程序 也能模拟 I O 口 定时 计数器 串行口以及中断等单片机特有功能部 件 完全满足仿真功能需求 3 1 2 C51 与 PC 机通信原理 在运用 KEIL C51 的开发平台的基础上我们可以实现单片机与 PC 机通信 单片 机串行口缓冲区由于只有 1 个字节 连续发送多字节时可能会遗漏数据 从而造成 传输错误 故需要加大缓冲区 采用 RS 232C 作为单片机与 PC 机之间串行通信的 接口标准 因为规定的逻辑电平与单片机的不一样 故需要进行电平转换 接口电 路如下 8 80 05 51 1 p p3 3 1 1 P P3 3 2 2 电电平平转转换换 T TX XD D R RX XD D P PC C 图 3 3 单片机与 PC 机通信原理 西南交通大学本科毕业设计论文 第 14页 3 2 C51 串行口收发模块 为了确保数据的安全传输以及传输速率 使用串行口中断的方式收发将是一个 很好的选择 6 在串行口中断收发数据时要注意以下几点 1 需要建立接收缓冲区缓存来不及接受的数据 同时建立发送缓冲区用以缓存 等待发送的数据 2 当串行接收中断的时候 只能往接收缓冲区内写接收的数据 3 当串行发送中断的时候 只能从发送缓冲区读取数据来发送 4 注意 ASCII 码与十六进制之间的转换 在单片机 RAM 中首先定义 R Buf 以及 T Buf 两个全局循环储存区 分别用于 接收和发送数据 其余变量定义如下 R I Ptr 接收缓冲区输入指针 R O Ptr 接收缓冲区输出指针 R End 接收标志 值为 1 时表示接收缓冲区尚有没处理的接收数据 T I Ptr 发送缓冲区输入指针 T O Ptr 发送缓冲区输出指针 T End 发送标志 值为 1 时表示发送缓冲区尚有没处理的发送数据 3 2 1 接收数据模块 串行口接收中断时的操作步骤如下 1 接收手数据写入指针为 R I Ptr 的接收缓冲区 2 R I Ptr 加 1 且对缓冲区长度取模 3 置位 R End 表示接收缓冲区已有接收数据 串行口接收数据处理步骤为 1 R End 为 1 进入接收缓冲区读取数据 否则等待值为 1 再进入 2 对接收缓冲区读取数据 指针为 R O Ptr 3 R O Ptr 加 1 且缓冲区去长度取模 4 R I Ptr 与 R O Ptr 取值相等时 清零 R End 串行口接收数据初始化接收缓冲区大小 一般为 2 的整数倍好方便取模运算 初始化 R I Ptr 与 R O Ptr 指针值要相等 一般设为 0 将上述过程转换为流程图如 西南交通大学本科毕业设计论文 第 15页 下 接接收收中中断断 R RI I 0 0 R R B Bu uf f R R I I P Pt tr r S SU UB BF F R R I I P Pt tr r R R I I P Pt tr r 1 1 R R I I P Pt tr r R R I I P Pt tr r R R B Bu uf f L Le en n R R E En nd d 1 1 接接收收中中断断处处理理 中中断断返返回回 中中断断入入口口 N N Y Y R R E En nd d 1 1 R R D Da at ta a R R B Bu uf f R R O O P Pt tr r R R O O P Pt tr r R R O O P Pt tr r 1 1 R R O O P Pt tr r R R O O P Pt tr r R R B Bu uf f L Le en n R R O O P Pr r P P I I P Pt tr r R R E En nd d 0 0 返回接收数据 R Data 接接收收一一个个字字节节模模块块入入口口 N N Y Y N N Y Y 图 3 4 接收数据程序框图 3 2 2 发送数据模块 对于串行发送数据与串行接收数据原理基本一样 发送中断以T O Ptr为输出 指针 从发送缓冲区读发送数据进行发送 然后输出指针加1且对发送缓冲区的大小 西南交通大学本科毕业设计论文 第 16页 取模 发送完最后一个数据后置位T End 处理发送缓冲区的发送数据时 如果输 出指针不等于输入指针加1后对发送缓冲区大小取模 则往发送缓冲区写发送数据 之后输入指针加1后对发送缓冲区大小取模 同时清零发送标志T End 类比于接收 数据模块同样有 发送中断时只修改输出指针和置位T End 而发送数据时只修改 输入指针和清零发送标志 转换成程序流程如下 发发送送中中断断 T TI I 0 0 S SB BU UF F T T B Bu uf f T T O O P Pt tr r T T O O P Pt tr r T T O O P Pt tr r 1 1 T T O O P Pt tr r T T O O P Pt tr r R R B Bu uf f L Le en n 中中断断返返回回 中中断断入入口口 N N Y Y S SB BU UF F T T D Da at ta a 发发送送一一个个字字节节模模块块入入口口 Y Y T T E En nd d 0 0N N Y Y T T O O P Pt tr r T T I I P Pt tr rN N Y Y T T E En nd d 1 1 T T O O P Pt tr r T T O O P Pt tr r 1 1 T T B Bu uf f L Le en n N N T T E En nd d 1 1 Y Y T T B Bu uf f T T I I P Pt tr r T T D Da at ta a T T I I P Pt tr r T T I I P Pt tr r 1 1 T T I I P Pt tr r T T I I P Pt tr r T T B Bu uf f L Le en n T T E En nd d 0 0 返返回回 T T B Bu uf f T T I I P Pt tr r T T D Da at ta a T T I I P Pt tr r T T I I P Pt tr r 1 1 T T I I P Pt tr r T T I I P Pt tr r T T B Bu uf f L Le en n N N 图 3 5 发送数据程序框图 3 2 3 基于 VB6 0 的 PC 机串行口通信模块设计 VB6 0 语言含有一个名为 MSComm 的控件 该控件通过串行端口接收数据为 应用程序提供串行通信功能 且多用事件驱动通讯的方式处理串行端口交互作用 9 每个被使用的 MSComm 的控件都对应一个串行端口 故应用程序需要访问多个端 西南交通大学本科毕业设计论文 第 17页 口时就必须要用多个 MSComm 控件 下面介绍该控件几个重要属性 1 Commport 用于设置和返回端口号 2 Setting 将采用字符串的形式设置并且返回波特率以及数据位等信息 3 PortOpen 用于设置并且返回通讯端口状态 也用于打开以及关闭端口 4 Input 用来从接收缓冲区返回或者删除字符 5 Output 用于向传输缓冲区写一个字符串 对串行端口数据的读写 必须先对串行口的各种参数初始化 由数据收发的特 点易知需要编写的函数有 3 个 串行口初始化函数 发送函数 接收函数 串行口初始化函数用于定义全局的结构体变量 选用的串行口 波特率以及校 验方式和停止位等 发送函数功能是发送一个字符串 且该字符串中每个字符的发 送时间间隔由时延函数 send delay 决定 接收函数用于检查在规定的时间内返回的 数据中是否含有字符串 有就返回完整的字符串 否则返回空字符串 3 3 基于 SI900A 模块的电路设计 ATK SIM900A 模块支持 RS232 串口和 LVTTL 串口 即支持 3 3v 5v 系统 同时具有硬件流控制 可实现 5v 到 24v 的超宽工作范围 从而可以方便地与单片机 连接实现 GPRS 数据交换 其实物图如下 图 3 6 ATK SIM900A 模块资源图 ATK SIM900A 模块有丰富的接口 功能完善 尤其适用于需要语音或短信或 西南交通大学本科毕业设计论文 第 18页 GPRS 数据服务的各种领域 其所有 IO 口均以排针的式引出 方便使用 3 3 1 SIM900A 模块原理简介 MODULE USART Interface LCD Interface Audio Interface SIM Interface Antenna Interface Power Interface GPIO Interface 射射频频 储储存存 器器 基基带带 图 3 7 K SIM900A 模块功能框图 SM900A 是一个 2 频的 GSM GPRS 模块 工作频段为 EGSM 900MHZ 和 DCS 1800MHZ SIM900A 支持 GPRS multi slot class 10 class 8 可选 和 GPRS 编码 格式 CS 1 CS 2 CS 3 和 CS 4 SIM900A 采用省电技术设计 在待机模式下电 流低于 18mA 而 SLEEP 模式下电流低于 2mA 在最低耗时电流甚至只有 1mA 模块采用单电源供电 VBAT 供电范围在 3 2V 到 408V 之间 理想工作电压为 4 0V 电源芯片选择时要注意外部电压变化是否过大 过大就选择开关电源 通过 STATUS 引脚可确定开机或关机状态 该模块内嵌 TCP IP 协议 扩展的 TCP IP 命 令便于操所 在用户传输数据时非常有用 10 SIM900A 模块与用户移动应用的物理接口包括了主串口和调试串口以及可编程 通用输入输出接口 可低音耗实现语音据和传真信息的传输 其性能好 运用广泛 3 3 2 SIM900A 串口设计 注意到一般的 ARM 系统串口都不需要上拉 用户可根据 MCU 自行匹配电压 西南交通大学本科毕业设计论文 第 19页 SIM900A 支持标准的全功能串口 传输速率支持从 1200bps 到 115200bps 可以通 过串口发送 AT 命令和传送数据 支持符合 GSM07 10 协议的串口复用功能 支持 从 1200bps 到 57600bps 的波特率自动检测功能 表 3 1 编码格式和最大网络数据传输波特率 编码格式编码格式TimeSlot1TimeSlot2TimeSlot3 CS 19 05 bps18 1 bps36 2 bps CS 213 4 bps26 8 bps53 6 bps CS 315 6 bps31 2 bps62 4 bps CS 321 4 bps42 8 bps85 6 bps 表 3 2 串口引脚定义 名称名称引脚引脚功能功能 串口DTR 3 数据终端准备 串口RI 4 振铃检测 串口DCD 5 数据载波检测 串口DSR6数据设备准备 串口CTS7发送清除 串口RTS8发送请求 串口TXD 9 数据发送 串口RXD 10 数据接收 调试口DBG RXD27数据接收 调试口DBG TXD28数据发送 3 3 2 1 模块与用户的连接 模块是DCE Data Communication Equipment 设备 由传统的DCE DTE Data Terminal Equipment 的连接方式 模块和用户机 上位机 之间通过以下方式连接 11 西南交通大学本科毕业设计论文 第 20页 D DC CE E 模模块块 S Se er ri ia al l P Po or rt t TXD RXD RTS CTS DTR DCD DSR RI TXD RXD RTS CTS DCD DTR DSR RING 用用户户 D DT TE E 模模块块 S Se er ri ia al l P Po or rt t1 1 D De eb bu ug g P Po or rt tS Se er ri ia al l P Po or rt t2