基于碼分多址（CDMA）的地鐵維護(hù)用車載無(wú)線通信系統(tǒng)

王 磊 劉 正 閻 莉 沈 潔 黃鳳辰 李臣明

（1.中國(guó)中車浦鎮(zhèn)車輛有限公司，210031，南京；2.河海大學(xué)計(jì)算機(jī)信息學(xué)院，211100，南京∥第一作者，工程師）

現(xiàn)有地鐵車輛主要采用車載控制與管理裝置進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)，列車維護(hù)時(shí)主要是基于車輛存儲(chǔ)的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和診斷。近年來(lái)，為了提高對(duì)車輛故障診斷的實(shí)時(shí)性，采用遠(yuǎn)程在線診斷方式成為一個(gè)重要的發(fā)展方向。

目前無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)主要有GSM（全球移動(dòng)通信）、GPRS（通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)）、CDMA（碼分多址）2000、TD－SCDMA 等。與其他技術(shù)相比，CDMA2000有非常大的優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)在以下各方面［5］：頻率規(guī)劃簡(jiǎn)單，覆蓋半徑大，覆蓋相同區(qū)域所需基站數(shù)目更少。另外，CDMA2000網(wǎng)絡(luò)在室內(nèi)覆蓋和高速移動(dòng)中能保持穩(wěn)定通信，更適合地鐵車輛通信的要求。因此本文選擇CDMA2000網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)其分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)完成與地面之間的信息傳輸。

本文設(shè)計(jì)了針對(duì)運(yùn)行中地鐵車輛狀態(tài)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸方案，將地鐵車輛設(shè)備實(shí)時(shí)信息（如車門系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)的狀態(tài)信息及事件信息等）通過(guò)CDMA2000網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至地面，地面將對(duì)這些信息進(jìn)行分析，診斷列車故障，并向列車終端發(fā)送操作信息或其他指令信息，指導(dǎo)司控人員對(duì)列車進(jìn)行操作和維護(hù)，保障行車安全，為地鐵車輛維護(hù)工作提供支持。

1 系統(tǒng)總體介紹

基于CDMA的地鐵車輛維護(hù)用車載無(wú)線通信系統(tǒng)，主要由車載設(shè)備、CDMA2000網(wǎng)絡(luò)、地面監(jiān)控中心三部分構(gòu)成。系統(tǒng)將車載設(shè)備的狀態(tài)信息等按照實(shí)時(shí)性、優(yōu)先級(jí)等要求通過(guò)CDMA2000網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至地面接收單元進(jìn)行處理，可提高實(shí)時(shí)信息的發(fā)送速率；同時(shí)，接收地面發(fā)來(lái)指令信息并在車輛終端設(shè)備顯示［6］。車載無(wú)線通信系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

圖1 車載無(wú)線通信系統(tǒng)圖

2 數(shù)據(jù)幀格式

車載數(shù)據(jù)種類多，信息量大［5］，主要包括實(shí)時(shí)故障數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)故障通報(bào)數(shù)據(jù)、非實(shí)時(shí)運(yùn)用數(shù)據(jù)、自診斷與日志數(shù)據(jù)等［8］。

基于CDMA 的地鐵車輛維護(hù)用車載無(wú)線通信系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)至地面時(shí)所使用的數(shù)據(jù)幀格式如圖2所示。

圖2 車載信息數(shù)據(jù)幀格式

（1）電路板序列號(hào)32位。用硬件實(shí)現(xiàn)標(biāo)識(shí)每一個(gè)電路板的標(biāo)簽，標(biāo)簽上有唯一的序列號(hào)。根據(jù)數(shù)據(jù)中的序列號(hào)和對(duì)應(yīng)關(guān)系可以判斷接收數(shù)據(jù)的來(lái)源（城市、線號(hào)、車號(hào)等）。

（2）幀種類2位?！?0”為車輛信息，“01”為地面請(qǐng)求信息反饋信息。

（3）總線上的車輛報(bào)文32－272位。該報(bào)文為從車輛總線上采集的每一個(gè)報(bào)文數(shù)據(jù)。

（4）優(yōu)先級(jí)4位。根據(jù)TCMS（列車控制管理系統(tǒng)）的周期掃描表［9］，可針對(duì)不同重要性的報(bào)文確定不同的優(yōu)先級(jí)，針對(duì)不同優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)采用不同的處理方式。

（5）時(shí)間標(biāo)記27位。為了地面可以按時(shí)間處理報(bào)文或事件，發(fā)送每一個(gè)報(bào)文數(shù)據(jù)必須給定時(shí)間標(biāo)記。時(shí)間標(biāo)記包括 h（5位）、min（6 位）、s（6 位）和 ms（10位）。

基于CDMA 的地鐵車輛維護(hù)用車載無(wú)線通信系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)至地面時(shí)所使用的數(shù)據(jù)幀格式如圖3所示。

圖3 地面信息數(shù)據(jù)幀格式

（1）幀種類2位?！?0”為地面指令信息，“11”為地面請(qǐng)求信息。

（2）報(bào)文12位。該報(bào)文為地面指令信息和地面請(qǐng)求端口號(hào)信息。

1825年，世界上第一條鐵路應(yīng)運(yùn)而生，時(shí)隔85年后的1910年滇越鐵路滇段正式通車運(yùn)營(yíng)，讓云南與世界聯(lián)通，成為我國(guó)最早擁有鐵路的地區(qū)之一。

（3）優(yōu)先級(jí)4位?？舍槍?duì)不同重要性的報(bào)文確定不同的優(yōu)先級(jí)，針對(duì)不同優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)采用不同的處理方式。

（4）時(shí)間標(biāo)記27位。時(shí)間標(biāo)記包括h（5位）、min（6位）、s（6位）和 ms（10位）。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)框圖

圖4是基于CDMA 的地鐵車輛維護(hù)用車載無(wú)線通信系統(tǒng)的原理框圖?？偩€控制器模塊主要負(fù)責(zé)從地鐵車輛總線上采集數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，若某些數(shù)據(jù)發(fā)生異常，通過(guò)SPI（中行外設(shè)接口）［10］與主處理器進(jìn)行主從通信，立即將異常數(shù)據(jù)發(fā)送至地面控制中心。平板電腦的主要功能包括兩部分：一是存儲(chǔ)車輛的故障信息，方便車輛的維護(hù)和保養(yǎng)；二是作為人機(jī)交互模塊主要用來(lái)顯示地面指令信息，供駕駛員進(jìn)行操作。主處理器作為中央處理單元，控制整個(gè)系統(tǒng)。接口轉(zhuǎn)換模塊將SPI接口轉(zhuǎn)換成UART（通用異步傳輸器）接口，為主處理器與CDMA 模塊之間建立通信通道。CDMA 模塊為車地間數(shù)據(jù)通信提供無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將車輛的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)送至地面處理中心，并可接收來(lái)自地面的指令信息。

圖4 系統(tǒng)原理框圖

3.2 電路設(shè)計(jì)

圖5是控制器接口電路原理圖。本文選用Atmel公司生產(chǎn)的 ATxmega384C3 型號(hào) AVR 微處理器ATxmega384C3－AU控制實(shí)時(shí)信息發(fā)送與接收模塊，該型號(hào)的微處理器具有性能好、功耗低、外圍豐富等特點(diǎn)，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，CPU 吞吐量可到達(dá)1 000 000 MIPS，并允許優(yōu)化功耗和處理速度。由于微處理器部分接口為SPI接口，而CDMA 模塊是UART接口，因此，微處理器ATxmega384C3 通過(guò)接口轉(zhuǎn)換芯片XR20M1170G24 與 CDMA 模 塊 進(jìn) 行 通 信，XR20M1170G24將SPI接口轉(zhuǎn)換成UART接口。

CDMA 模塊采用華為技術(shù)有限公司提供的HUAWEIMC703 芯片，該芯片支持 CDMA 800／1900頻段；支持天線分集接收；支持GPS（全球定位系統(tǒng)）；支持語(yǔ)音、短信、數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)；提供豐富的用戶信號(hào)接口；支持標(biāo)準(zhǔn)AT（自耦變壓器）指令集和HUAWEI擴(kuò)展AT 指令集；符合RoHS環(huán)保認(rèn)證要求。

圖5 控制器接口電路原理圖

微控制器ATXMEGA384C3－AU 一方面將已采集到的車輛信息根據(jù)優(yōu)先級(jí)、實(shí)時(shí)性等要求，發(fā)送至接口轉(zhuǎn)換芯片XR20M11701G24，接口轉(zhuǎn)換芯片再通過(guò)UART 接口將數(shù)據(jù)發(fā)送至CDMA 芯片HUAWEIMC703，CDMA 芯片再將數(shù)據(jù)發(fā)送至公共移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)將實(shí)時(shí)性強(qiáng)且優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。另一方面，CDMA 芯片接收來(lái)自公共移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，并發(fā)送到接口轉(zhuǎn)換芯片，接口轉(zhuǎn)換芯片再將數(shù)據(jù)發(fā)送至微控制器處理。

由于車載無(wú)線通信系統(tǒng)硬件電路中各個(gè)芯片的額定電源電壓不同，故電源電路采用電壓轉(zhuǎn)換芯片。如圖6所示，首先將交流電通過(guò)USB 接口供電，經(jīng)過(guò)濾波后由電壓轉(zhuǎn)換芯片MAX1837EUT33－T 將電壓降至3.3 V（VCC－1）為微控制器和接口轉(zhuǎn)換芯片供電。另外，由電壓轉(zhuǎn)換芯片MAX1745EUB將電壓降至3.8 V（VCC－2），為CDMA 模塊供電。

圖6 車載無(wú)線通信系統(tǒng)硬件電源電路圖

4 數(shù)據(jù)發(fā)送與接收流程

圖7是車載無(wú)線通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖。

圖7 車載無(wú)線通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

具體步驟如下：

（1）獲取待發(fā)送的車載信息。

（2）輪詢車載信息，按照數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)、實(shí)時(shí)性排列，存入暫存隊(duì)列。車輛總線上的某些信息會(huì)嚴(yán)重威脅行車安全（如火警信息），必須優(yōu)先發(fā)送至地面，所以設(shè)置信息高優(yōu)先級(jí)。系統(tǒng)對(duì)具有高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)按照其優(yōu)先級(jí)的大小進(jìn)行暫存，其中，具有相同優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)，按照實(shí)時(shí)性進(jìn)行排列，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)先級(jí)高且實(shí)時(shí)性好的數(shù)據(jù)優(yōu)先通過(guò)CDMA2000網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至地面接收單元。

（3）使用CDMA2000網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)。

（4）判斷數(shù)據(jù)發(fā)送是否完成。若未完成，則繼續(xù)發(fā)送至完成；若發(fā)送完成，則轉(zhuǎn)步驟（5）。

（5）判斷暫存隊(duì)列中是否還有數(shù)據(jù)需要發(fā)送。若有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則返回步驟（2），再次輪詢車載信息；若無(wú)數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則返回步驟（1）。

車載無(wú)線通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收流程圖如圖8所示，具體步驟如下：

（1）判斷是否有來(lái)自地面的信息需要接收。

（2）使用CDMA2000網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)。

（3）判斷數(shù)據(jù)接收是否完成。若未完成，則繼續(xù)接收數(shù)據(jù)至完成；若完成，則轉(zhuǎn)步驟（4）。

圖8 車載無(wú)線通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

（4）判斷接收的數(shù)據(jù)是否是地面指令信息。若是，則在車輛終端平板電腦上進(jìn)行顯示，供駕駛員進(jìn)行操作；若不是，則說(shuō)明為地面請(qǐng)求信息，轉(zhuǎn)步驟（5）。

（5）按照信息的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排列，發(fā)送至總線控制模塊進(jìn)行處理。

5 試驗(yàn)

為驗(yàn)證車載無(wú)線通信系統(tǒng)的性能，在機(jī)車終端設(shè)備與地面系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)測(cè)試試驗(yàn)。首先，機(jī)車終端設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)至通信板，通信板連接工程中心的數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，再通過(guò)工程中心轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)至地面系統(tǒng)，形成車地通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)收發(fā)的一個(gè)整體過(guò)程。測(cè)試過(guò)程中，發(fā)送一定數(shù)量的數(shù)據(jù)包，通過(guò)多次長(zhǎng)時(shí)間的通信測(cè)試得到的測(cè)試結(jié)果，如表1所示。

表1 車載通信系統(tǒng)丟包率與時(shí)延

由表1 可知，基于CDMA 的車載無(wú)線通信系統(tǒng)的通信時(shí)延是相當(dāng)小的，且丟包率為0，體現(xiàn)了該通信系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性方面的優(yōu)勢(shì)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于CDMA 的地鐵車輛維護(hù)用車載無(wú)線通信系統(tǒng)。本系統(tǒng)一方面可將采集到的機(jī)車運(yùn)行時(shí)的故障和狀態(tài)信息，按照優(yōu)先級(jí)、實(shí)時(shí)性等要求及時(shí)可靠地發(fā)送至地面進(jìn)行分析處理；另一方面，可接收來(lái)自地面的指令信息及其他信息，并將指令信息在車輛智能終端顯示，以供駕駛員進(jìn)行相應(yīng)操作。通過(guò)測(cè)試試驗(yàn)，體現(xiàn)了本系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確率方面的性能。基于CDMA 的車載無(wú)線通信系統(tǒng)有助于提高車地通信的可靠性，提高地鐵車輛維護(hù)工作的效率，保障行車安全。

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