基于GPRS無線通信的鐵路LED信號燈故障檢測

宋莉 劉伯鴻

摘 ?要： 研究一種基于GPRS通信的LED信號燈故障檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過3片CD4051模擬開關(guān)結(jié)合MEGA8型控制器對與LED燈串聯(lián)的限流電阻的電壓信息進(jìn)行采集判斷，檢測信號燈是否出現(xiàn)故障。信號燈檢測信息的無線傳輸分為近距離獲取信號燈檢測信息與遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)信息兩部分，近距離傳輸網(wǎng)絡(luò)由nRF905無線傳輸收發(fā)芯片與MEGA8主控芯片建立，遠(yuǎn)距離GPRS網(wǎng)絡(luò)由SIM300無線模塊串口建立。該系統(tǒng)將無線通信技術(shù)應(yīng)用于LED信號燈故障檢測中，電路設(shè)計簡單、具有很強(qiáng)的實用性和可操作性，且能夠滿足故障檢測的實時性要求。

關(guān)鍵詞： GPRS通信; LED信號燈; 故障檢測; 近距離傳輸網(wǎng)絡(luò); 遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸; 無線通信技術(shù)

中圖分類號： TN92?34; U284 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）19?0028?04

Abstract： A LED signal lamp fault detection system based on GPRS communication is studied in this paper. In order to detect whether the signal lamp appears in fault， three CD4051 analog switches combined with the MEGA8 type controller are used in the proposed system to collect and judge the voltage information of the current?limiting resistance in series with the LED lamp. Wireless transmission of signal lamp detection information is divided into two parts （obtaining signal lamp detection information at a short distance and transmitting data information at a long distance）. The short distance transmission network is established by the nRF905 wireless transmission transceiving chip and the MEGA8 main control chip， and the long distance GPRS network is established by the serial port of SIM300 wireless module. In the proposed system， wireless communication technology is applied to LED signal lamp fault detection， which has a simple circuit design， strong practicability and operability， and can meet the real?time requirement of fault detection.

Keywords： GPRS communication; LED signal lamp; fault detection; short distance transmission network; long distance data transmission; wireless communication technology

0 ?引 ?言

隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，鐵道信號系統(tǒng)的發(fā)展也愈加迅速。作為高效運行的安全關(guān)鍵系統(tǒng)，鐵路信號系統(tǒng)日益復(fù)雜，而交通信號燈作為鐵路運行的基本語言，是信號系統(tǒng)中必不可少的基礎(chǔ)設(shè)備，對道路交通的暢通與安全發(fā)揮著最直接的作用。交通信號燈一般裝設(shè)于車站及鐵路沿線，因其長時間工作于室外且易受環(huán)境的影響，極大地增加了設(shè)備故障發(fā)生的概率。若信號燈出現(xiàn)故障沒有被及時發(fā)現(xiàn)維修，則會對交通運行產(chǎn)生極大的不利影響，甚至造成交通事故。

當(dāng)前，判斷交通信號燈是否出現(xiàn)故障，不再像以前一樣依靠肉眼辨別，文獻(xiàn)[1?2]提出一種依靠微型電子攝像機(jī)，通過形成的圖像來獲取信號燈的工作狀態(tài)。但是這種方法算法復(fù)雜且需要圖像結(jié)合，在實時性上不達(dá)標(biāo)。文獻(xiàn)[3]提出一種光電檢測技術(shù)的方法，根據(jù)采集的光信號對交通信號燈狀態(tài)進(jìn)行判斷并進(jìn)行實時調(diào)整。本文設(shè)計一種基于GPRS（General Packet Radio Service）無線通信的故障檢測系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確實時地判斷出故障及故障具體位置并發(fā)出報警。

1 ?總體設(shè)計

本設(shè)計故障檢測系統(tǒng)主要由LED信號燈、數(shù)據(jù)采集單元、主控制器單元、通信單元、報警單元五部分組成[4]，模塊框圖如圖1所示。

采用Atmel公司的MEGA8型單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器，判斷采集的檢測信息是否處于正常工作范圍以及驅(qū)動GPRS通信單元傳送信號燈信息。采集控制檢測的信號主要由數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)，數(shù)據(jù)采集單元采用3片CD4051模擬開關(guān)。通信單元主要通過GPRS/Internet網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)采集的信號燈工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸[5]。

2 ?系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 ?系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計

LED信號燈由多顆功率較小的彩色LED串、并聯(lián)而成，一般最多有22組并聯(lián)，且每組大約由3～5個LED串聯(lián)[6]。在LED信號燈工作時，如果信號燈內(nèi)部有一個LED出現(xiàn)故障時，則一組均出現(xiàn)斷路或短路情況，可能造成局部LED不亮;如果有多組LED故障時，信號燈將徹底失去其指示功能?？紤]到信號燈布置位置的特殊性，易受環(huán)境因素導(dǎo)致?lián)p壞，因此，對信號燈進(jìn)行實時、準(zhǔn)確的故障檢測是非常必要的。

主控制器采用Atmel公司的MEGA8型單片機(jī)，其具有8 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH用于存放源程序[7]，23個可編程I/O端口，且自帶10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，共8路。MEGA8型單片機(jī)具有抗干擾性強(qiáng)、價格低廉、功耗低、穩(wěn)定性和靈活性好等優(yōu)點，在滿足系統(tǒng)需要的同時可有效降低成本。

LED信號燈一般由紅、黃、綠三種顏色組成，正常工作時，這三種顏色的LED管壓降[8]在2～2.9 V，設(shè)電路正常工作的電壓為12 V，則通過4個LED管上的電壓大于10 V，可知與二極管串聯(lián)的限流電阻上的電壓小于2 V，通過限流電阻上的電流即LED正常工作的電流為20 mA。本設(shè)計所采集的信號為限流電阻上的電壓值。由歐姆定律[R=UI=]2 V/20 mA=100 Ω，可設(shè)限流電阻阻值為100 Ω。采用CD4051模擬開關(guān)采集控制檢測的信號，其輸入的3位地址碼的二進(jìn)制八種組合用于選擇8路通道，當(dāng)有電平位移情況時，使用7號端子VEE電源端，此時在單組電源供電的條件下，多路開關(guān)可達(dá)到直接被CMOS電路的數(shù)字信號控制的目的。使用3片CD4051模擬開關(guān)將多組LED分別與單片機(jī)連接，單片機(jī)內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的8路模擬開關(guān)中的地址線再分別與3片CD4051的輸出線相連接。首先對其內(nèi)部地址譯碼，在3片CD4051中選中1片，接著經(jīng)過外部地址譯碼后，再選中對應(yīng)此4051的一個通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。然后，將74LS192計數(shù)器轉(zhuǎn)接成八進(jìn)制計數(shù)器，將MEGA8單片機(jī)產(chǎn)生的時鐘脈沖送入74LS192計數(shù)器UP端，控制已被接成八進(jìn)制的計數(shù)器從000～111循環(huán)計數(shù)，接著將74LS192計數(shù)器的QA，QB，QC端信號送入8選1模擬開關(guān)的3個地址端A，B，C，這樣8路限流電阻上的電壓就被采集完成，最后通過模擬開關(guān)的3號端子將采集到的電壓信號送入單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換輸入端進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并判斷此電壓值是否為正常值[9]。

在進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中，采用單片機(jī)內(nèi)部穩(wěn)定參考電壓[VREF]=2.56 V。定義[VdW]為一只LED上的管壓降，[Vlim]為限流電阻上的壓降，[VIN]為輸入電壓，[VOUT]為輸出的數(shù)字電壓。由于[d10]位的A/D轉(zhuǎn)換的上限值為1 024，則[VOUT=VIN×1 ?024VREF]。斷路和短路都可視為LED處于故障狀態(tài)：

1） 斷路情況發(fā)生時，輸入與輸出電壓均為0;

2） 當(dāng)存在[n]個LED短路情況時（[n≥1]），則有[VIN=Vlim+nVdW]，此時，[VIN>VREF]，即轉(zhuǎn)換輸出結(jié)果為10位轉(zhuǎn)換結(jié)果的上限，此時[VOUT=]1 024。

由于在現(xiàn)實環(huán)境中，干擾情況時有發(fā)生，故可將檢測閾值適當(dāng)調(diào)整，把檢測閾值設(shè)為0.3 V和2.5 V，即當(dāng)120（0.3 V）<[VOUT]<1 000（2.5 V）時，即判定工作正常，反之，則判定該組LED故障。

由于MEGA8型單片機(jī)完成一次模數(shù)轉(zhuǎn)換約需要100 μs，LED燈組最多22組，故完成22路模數(shù)轉(zhuǎn)換僅需2.2 ms左右，數(shù)據(jù)采集的實時性要求完全能夠滿足。

2.2 ?系統(tǒng)通信方案設(shè)計

通信單元設(shè)計中，主要采用GPRS/Internet的無線網(wǎng)絡(luò)方式完成對采集的信號燈工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸[10]。GPRS技術(shù)具有對數(shù)據(jù)進(jìn)行分組接發(fā)，快速處理的特點。設(shè)計中主要包括兩個部分：終端節(jié)點處獲取數(shù)據(jù)部分與路由節(jié)點處傳輸數(shù)據(jù)部分。首先通過nRF905無線傳輸收發(fā)芯片與MEGA8主控芯片建立近距離的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)來獲取信號燈檢測信息;再依靠SIM300無線模塊串口建立GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)信息傳輸，由此完成對信號燈檢測信息的無線傳輸[11]。

該通信單元中涵蓋終端節(jié)點、路由節(jié)點與上位機(jī)三個子單元。終端節(jié)點通過主控單片機(jī)獲取信號燈的檢測信息，而檢測信息的傳輸要包含兩個電路：檢測信息獲取電路和無線傳輸電路。nRF905無線傳輸芯片與MEGA8主控芯片建立全雙工同步串行的SPI總線通信，終端節(jié)點由此獲取檢測信息[12]。而該通信架構(gòu)模式采用Master與Slave相結(jié)合，以實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)線MOSI與MISO之間的數(shù)據(jù)通信。nRF905芯片可以在433 MHz，868 MHz和930 MHz三個ISM頻段上工作[13]，本設(shè)計配合內(nèi)置完整的通信協(xié)議與CRC，選用433 MHz的工作頻段，實現(xiàn)自編碼、自解碼的功能。另外，該芯片具有高達(dá)10 dBm的發(fā)射功率，100 Kb/s的傳輸速率以及高抗干擾能力的高斯移頻鍵控調(diào)制技術(shù)，能夠使其在鐵路道路環(huán)境中通信無礙。

路由節(jié)點的硬件電路設(shè)計主要由三部分構(gòu)成，分別為nRF905芯片、SIM300模塊和微控制器STC12C5A60S2，其電路原理圖如圖3所示。

路由節(jié)點首先對由nRF905芯片接收到的信號燈數(shù)據(jù)信息進(jìn)行短距離傳輸，再通過SIM300模塊串口建立GPRS/Internet網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。其中，SIM300是一款常用的GPRS無線通信模塊，其內(nèi)部集成了強(qiáng)大的TCP/IP協(xié)議，具有標(biāo)準(zhǔn)的AT控制命令接口，接收來自微控制器的AT指令時可選擇RS 232串口通信方式。SIM300可以自動地將接收的數(shù)據(jù)打包成TCP/IP數(shù)據(jù)包，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與上位機(jī)的連接，從而完成數(shù)據(jù)的快速傳輸。

3 ?系統(tǒng)的無線傳輸軟件設(shè)計

無線傳輸軟件設(shè)計包含近距離傳輸與遠(yuǎn)距離傳輸兩部分，近距離數(shù)據(jù)傳輸部分的通信工作主要依靠nRF905芯片完成[14]。nRF905芯片通過其內(nèi)部集成的Shock Burst技術(shù)同步發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，該技術(shù)由Shock Burst RX發(fā)送和Shock Burst TX接收兩種模式構(gòu)成，PWR_UP，TRX_CE，TX_EN三個引腳決定其工作模式。當(dāng)nRF905需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先設(shè)置nRF905處于待機(jī)模式，即TRX_CE=0，PWR_UP=1，TX_EN=1。然后通過SPI接口將微控制器的地址和有效數(shù)據(jù)傳送給nRF905，設(shè)置nRF905D的TRX_CE=1，TX_EN=1，激活Shock Burst TX模式。此時，nRF905將數(shù)據(jù)加前導(dǎo)碼與校驗碼一并打包發(fā)送，并由DR引腳判斷數(shù)據(jù)發(fā)送成功與否，若發(fā)送成功，重新設(shè)置TRX_CE=0，使其處于待機(jī)模式。當(dāng)nRF905需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，先設(shè)置nRF905處于待機(jī)模式，當(dāng)TRX_CE=1，TX_EN=0時，激活Shock Burst RX模式。延時650 μs后nRF905監(jiān)測載波信號，當(dāng)發(fā)現(xiàn)與接收頻率一致的載波時，接收數(shù)據(jù)，此時設(shè)置載波監(jiān)測標(biāo)志位CD=1。當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)包有效且地址匹配相同時，置AM=1。然后判斷CRC位校驗是否正確，若檢驗正確，則nRF905去掉前導(dǎo)碼、地址位以及校驗碼，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒后，置DR=1。再次置TRX_CE=0，使nRF905進(jìn)入待機(jī)模式，對微控制器STC12C5A60S2的數(shù)據(jù)接口速率進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)所有的數(shù)據(jù)被SPI接口有效讀出后，重新置AM=0和DR=0，數(shù)據(jù)接收完成。nRF905內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

終端節(jié)點工作時，首先對nRF905芯片的各個引腳以及狀態(tài)寄存器模式等進(jìn)行配置，然后選擇433 MHz的工作頻段和10 dBm的發(fā)射功率。當(dāng)收到路由節(jié)點發(fā)送的回傳數(shù)據(jù)指令時，終端節(jié)點讀取數(shù)據(jù)。若讀取的數(shù)據(jù)有效，則保存到TX_RXPLAYLOAD數(shù)組中打包發(fā)送至路由節(jié)點，發(fā)送結(jié)束后再次設(shè)置本節(jié)點處于接收狀態(tài)，為下一次的數(shù)據(jù)接收做準(zhǔn)備。

路由節(jié)點工作時，依次對nRF905芯片、SIM300模塊串口以及定時器等的各個參數(shù)進(jìn)行配置。當(dāng)路由節(jié)點進(jìn)入工作狀態(tài)時，首先發(fā)送AT+GREG指令檢測是否與服務(wù)商成功鏈接，隨后通過向模塊發(fā)送指定本地端口的指令并通過發(fā)送AT+CIPHEAD=1指令添加數(shù)據(jù)IP頭。接著，查詢flg_DNS，判斷服務(wù)器鏈接狀態(tài)，若判斷服務(wù)器鏈接成功，模塊可以檢測到“CONNECT OK”信息，微控制器的數(shù)據(jù)通信工作便可通過AT+CIPSEND指令完成。

4 ?結(jié) ?論

本文針對鐵道信號系統(tǒng)中的基礎(chǔ)設(shè)備LED信號燈設(shè)計了一種故障檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合單片機(jī)與GPRS無線傳輸技術(shù)，能夠自動檢測信號燈是否出現(xiàn)故障并將檢測數(shù)據(jù)無線發(fā)送給遠(yuǎn)端計算機(jī)，提高了故障檢測自動化水平，成本低且穩(wěn)定性能好，實際應(yīng)用價值很高。

注：本文通訊作者為劉伯鴻。

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