列车车载GPS智能里程表的网络化设计

摘 要：本文提出了采用基于GPS的行驶里程数据采集和通过网络通信控制器WebChip进行网络化数据管理的智能里程表设计,并给出了具体设计方案。
关键词：车辆管理；GPS；WebChip；CPLD

引言
在铁路列车车辆管理过程中，对列车每一节车厢行驶里程的统计，是对车厢进行管理和维护的一个重要依据。因此，获取精确的行驶里程对于铁路系统的高效、安全运营无疑是非常重要的。
计算行驶里程的传统方法：一种是靠人工估计，费时费力且不够准确；另一种是通过计算列车车轮行驶的距离，这种方法操作复杂，并且测量数据也不精确。针对传统统计列车里程方法效率低、数据不准确的弱点，本文提出了采用基于GPS的行驶里程数据采集和通过网络通信控制器WebChip进行网络化数据管理的智能里程表设计方案。实现了对铁路列车车辆行驶里程的高速、高效管理与维护，提高了列车运营安全系数。

系统网络化设计
具体设计框架如图1所示。首先，GPS接收机接收GPS卫星发送的报文信息，并传递给车载GPS智能里程表，里程表系统对其进行报文解析，从中取出相关信息，计算出行驶里程。然后由网络通信控制器WebChip将列车行驶里程及检修状态等数据通过RS-485总线传递到网关服务器mBeded Server。网关服务器通常是一台处于列车内的PC机，而指挥控制中心处于列车外特定的地点，这就要求网关服务器和指挥控制中心以某种方式进行通信。如果列车处于站内，由于其传输距离比较短，可以用无线Modem或有线方式将其接入Internet/Intranet网络和指挥控制中心。如果列车处于站外，由于其传输距离比较长，因此必须采用无线方式接入。无线方式有电台方式或现在流行的短信方式，通过GSM/GPRS通信网完成数据传输。

图1 列车车载GPS智能里程表的网络化设计示意图

图2 车载GPS智能里程表组成框图

图３ 主控制器MCU软件流程图

车载GPS智能里程表
硬件系统的设计
车载GPS智能里程表是整个系统的数据终端，是设计的核心，其组成框图如图2所示。
主控制器MCU
MCU选用高性能单片机W78E58，主要完成下列功能: 通过串口通信口能够接收GPS接收机信号并算出行驶里程；通过键盘能够设定或修改行驶里程初值；通过LCD液晶屏能够显示时间、速度、经度、纬度等观测量；行驶到达一定里程可以通过LED状态指示，蜂鸣器自动报警；通过SPI方式将数据传送至RS-485总线；通过I2C方式或并行口存储数据等。
GPS接收机
GPS接收机选用GN80，这一款接收机的优点是功耗低，跟踪时电流为58mA；体积小，仅为33×20×5mm3；定位精确度高，速度的精确度<0.1Km/h。其输出均采用NMEA01832.0格式(ASCII字符型)，数据接口的比特率可由软件设置(1200~9600bps)。GN80接收机电源要求5 V和3.3V，信号电平为3.3V，因此其输入/输出信号必须通过CPLD模块连接到MCU串行口，图２中略。
WebChip模块
WebChip模块选用PS2000A。PS2000A是连接MCU与网关服务器mBeded Server的桥梁。
PS2000A与MCU之间的通信基于MCUnet协议。WebChip与MCU之间的物理连接方式选用SPI方式。PS2000A与MCU之间的通信共有5条命令：W_INIT、W_CNTL、W_READ、W_RDEV和W_WRIT。
PS2000A与网关服务器之间的通信遵循MCUap协议。开发人员无需关心MCUap协议。已经有公司开发了网关服务器mBeded Server，只需开发基于mBeded Server的客户端应用软件，或者使用其默认的表格形式的客户端。PS2000A与网关服务器之间的物理连接可以是RS-232 、RS-485或Modem。考虑到列车的实际情况，选用多个电子设备可共用一条总线，通信距离可达1200m的RS-485通信方式。因网关服务器一般选用PC机，只有RS-232接口，故需为其配备一个RS-232/ RS-485转换器，可选用ADAM-4520隔离变换器。
CPLD模块
CPLD模块选用EPM7064。主要完成获取4×5键盘键值、编解码电路及电平转换等数字电路功能。其时钟信号选用MCU的ALE信号分频得到。下载程序时，时钟信号最好选用CPLD的43脚。另外，CPLD的输出根据具体情况需加不同阻值的上拉电阻。
存储模块
存储模块选用DS1302或非易失性存储器(NVS)DS12C887。DS1302使用I2C方式与MCU连接，需另设电池供电；DS12C887则使用8位数据并行方式，通过P0口、rd、wr、/cs与MCU连接。存储模块可以有效地保存里程数据、密码和设备对象属性表中的变量标识号等信息。
电源模块
电源模块为智能里程表系统提供系统所需的两种电源：+5V和+3.3V。在列车上，一般供给电源通常是直流48V或交流220V，必须进行电源变换。如果是直流+48V，可选用DC-DC模块或LT1074HV电源转换芯片变换为+5V；如果是交流220V，则可选用开关电源、变压器或AC-DC模块等方式变换为+5V。然后通过LM1117电源转换芯片变换为+3.3V。另外，模块中还设计了可充电后备电源，防止意外掉电。

车载GPS智能里程表
软件系统的设计
车载GPS智能里程表软件系统包括主控制器MCU软件的设计、MCU应用系统对象属性表设计和CPLD模块软件的设计。
主控制器MCU软件的设计
主控制器MCU程序的流程如图３所示，主程序包括三个部分： GPS接收处理子程序、WebChip通信处理子程序和其它处理程序。
GPS接收处理子程序
在系统开始运行时，首先要对整个MCU系统和GPS初始化，设定其通信速率和GPS报文头。针对本系统，通信速率可默认为4800bps;报文头可设定为包含瞬时速度信息的$GPRMC或$GPVTG。在GPS初始化完成后，接收机每秒收到一次数据，包括经度、纬度、时间、瞬时速度等信息。为防止通信的阻塞，主程序通过中断接收GPS数据，并将其放入相应的循环缓冲区中，然后在GPS接收处理子程序中完成报文解析并进行里程运算。运算过程如下：根据GPS接收机得到的瞬时速度算出每秒的行驶里程，然后对每秒的行驶里程进行累积，累积若干秒后，总和就会超过一公里，表明已行驶一公里，则行驶里程累加一公里。子程序最后将运算完成后的数据返回主程序。
WebChip通信处理子程序
MCUnet1.0协议所建立的是一个主从关系的通信。在通信过程中，WebChip是主，MCU是从。当MCU检测到WebChip请求通信的中断信号时，MCU就进入通信处理子程序：MCU先接收来自WebChip的信息包，然后对信息包中的命令进行解释，最后MCU把处理结果返回给WebChip。
其它处理程序
包括键值处理子程序和显示程序等。为防止无关人员篡改数据，键值处理子程序中设定了密码，只有正确输入密码才能对系统进行操作，从而提高了系统的安全性。显示程序完成数据的显示输出，LCD模块选用带字库的YM12864，这样就简化了显示程序的编程。
MCU应用系统对象属性表设计
在进行网络系统设计时，只需考虑那些需要通过网络来进行远程监视和控制的对象，而对本地进行控制的对象则不予考虑，这一过程即为对象属性表的设计。对象属性表是一个WebChip电子设备所有可远程监视和控制对象的属性描述的集合。 WebChip只处理对象属性表中所列的设备对象。根据MCUnet1.0协议，设备对象可分为常量(Constant)、变量(Variable)、事件(Event)、函数(Function)和文件(File)等5种对象类型来定义。
本系统有3个对象需要通过网络来实现远程监视与控制，它们是里程(Mileage)、检修状态(OverhaulState)和检修命令(OverhaulCommand)。这三个对象均定义成“事件”，当“事件”被触发时，及时反馈给服务器和客户端，自动更新当前“事件”的状态。另外，还需要增加MCUnet1.0协议规定的特殊变量($TrainNumber)和特殊常量($TrainName)，即对每一个设备分配一个地址编号和名称。对象属性表定义完成后，运行P&S DataCom 公司的属性表，生成和下载工具可方便地生成设备对象属性表并将它下载到WebChip模块中。
CPLD模块软件的设计
CPLD能接收+3.3V的信号，而MCU一般接收TTL电平，设计中可以将GPS接收信号+3.3V通过CPLD变换成TTL电平连接到MCU，节省了其中的电平变换电路。VHDL采用的是并行工作方式，其软件