軌道交通數據采集系統設計研究范文

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【摘要】軌道交通在運行過程中出現安全事故的情況并不少見，其很大部分原因是由于軌道交通運行參數獲取不及時、不全面等原因造成的。本文設計了一種基于DSP的軌道交通綜合數據采集系統，實時采集并分析軌道交通運行中的多種參數并進行實時分析，保障了列車的安全運行。本文的研究具有一定的現實意義。

【關鍵詞】軌道交通；數據采集；DSP；串口通信

城市軌道交通的發展給市民的出行帶來了很大的便利，但由于軌道通道運營不當所造成的安全隱患也日益突出[1]。近年來，地鐵安全事件時有報道，這與軌道交通系統的數據采集不及時、不全面、不準確等原因是有很大關系的[2]。因此，在列車運行過程中，對車內外的關鍵設備及環境進行實時監控是十分必要的[3]。本文提出了一款基于DSP的軌道交通綜合數據采集系統，可以綜合采集溫度、濕度、氣壓、煙霧等參數，為列車運行提供可靠的保障。

1系統總體方案設計

1.1總體結構設計

本系統在設計過程中遵循了模塊化設計思想，按系統功能分為數據采集模塊、視頻監控模塊和上位機模塊。各模塊間采用Modbus協議完成軌道交通各類數據的傳輸，由上位機控制整個系統的協調運行。軌道交通綜合數據采集系統的總體架構如圖1所示。

1.2總體功能設計

根據系統的總體架構不難發現，模塊化的設計依據是系統的不同功能，本文將整個系統分為采集通信、數據顯示和數據處理三大功能。顯示功能主要在上位機中實現，通過在上位機中安裝視頻采集軟件和播放器將實時數據展示出來。視頻監控與接觸網安全巡檢裝置配合使用，可以實現對地鐵運行路線的視頻信號進行實時分析，對接觸網損壞、落石塌方、滲水等等妨礙交通運行的情況進行記錄。通信功能可以完成物理量、數字量和開關量的傳輸，為上位機和下位機之間的數據傳輸提供媒介。數據處理功能可以對系統采集的實時數據進行分析和后處理。

2系統硬件設計

本文設計的軌道交通綜合數據采集系統主要有各類傳感器、開關電源、DSP、顯示器等硬件組成。

2.1傳感器

軌道交通通常需要長時間連續運行，且持續處于黑暗、潮濕、封閉的惡劣環境中，因此對硬件的可靠性和穩定性要求非常高。根據軌道交通運行的環境特點，本文選擇了溫度、濕度、壓力、煙霧等四個物理量作為監測對象，相應地采用了DS18B20數字信號型溫度傳感器、MPX4115A壓阻式氣壓傳感器、AM2311數字式濕度傳感器以及非標定制的煙霧傳感器。

2.2數字信號處理器

數字信號處理器即DSP，采用了具有哈佛總線架構的TMS320F2812芯片，可以完成串行通信方式、A/D轉換、數據緩存、信號處理等功能。該芯片內部集成了一個高性能CPU，主頻150MHz，128KBFlash內存，12位高速A/D轉換器，增強的CAN模塊以及多通道緩沖串口，可以滿足本系統的綜合數據采集要求。

2.3開關電源

電源模塊不是本系統的核心，但其穩定性直接影響著整套系統的性能，因此設計高可靠的開關電源是十分必要的。根據系統硬件平臺各類電子元器件和傳感器的供電要求，開關電源需要提供5V和3.3V兩種不同幅值的直接電壓。根據該需求，本文采用了LM2576T-5.0集成穩壓電路，充分利用了其內部的自我保護電路，提高電源電路的穩定性。

2.4串口通信電路

串通通信電路是DSP和外界進行數據交換的通路，TMS320F2812型DSP自帶一對串行通信模塊SCIA和SCIB，還提供了GPIO引腳，接收口SCIA/BRXD和發送口SCIA/BTXD，同時具有獨立的使能端，支持全雙工通信。DSP與外部上位機單元通過RS-485接口通信，這主要是考慮到信號傳輸距離和穩定性的要求。

3系統軟件設計

本文采用CodeComposerStudio平臺進行系統軟件開發，采用了面向對象的、模塊化的編程方法，主要包括數據采集子程序、數據處理子程序、顯示與報警子程序、人機交互子程序，各子程序在主程序的調度下協調統一工作，完成軌道交通的綜合數據采集。

3.1數據采集程序設計

數據采集子程序是本系統的重點，只有合理地設計采集軟件，才能實現有序的數據采集。溫度采集程序首先對設備進行初始化，然后讀寫數據，并對數據的格式進行轉換，數據在微處理器的控制下通過總線傳輸出去。處理器首先發送讀取數據的指令，DS18B20在收到命令后立即進入溫度轉換狀態。處理器一旦檢測到480-960μs的低電平脈沖信號，就會通過通信接口讀取數據。氣壓采集程序首先通過DSP的A/D模塊對采集到的氣壓模擬信號進行數字化，然后根據線性變換公式得到氣壓值。濕度采集程序啟動后先等待2S，以避免傳感器在穩定之前傳出異常數據，然后通過控制傳感器的SDA引腳和DSP的GPIO接口完成數據的采集。煙霧報警程序由于只采集開關量，只要檢測到高電平即可啟動煙霧報警。

3.2串口通信程序設計

串口通信采用RS-485標準接口，MODBUS通信協議。協議由主機或從機地址、命令字、信息字和校驗碼等四大部分組成。地址是設備的唯一標識，每臺可通信的設備都具有唯一的地址。命令字即功能代碼，它代表了本條數據包中所執行的操作類型。信息字則是真正的數據內容，它由一系列的字節組成。校驗碼可以對通信數據的正確進行檢驗，采用CRC16循環冗余碼檢驗，占兩個字節。當下位機監測到首個地址碼時，DSP會自動啟動接收中斷程序，同時將數據放到緩沖區中。

4總結

隨著我國主要城市軌道交通運營線路的不斷增加，軌道交通運營安全問題將受到越來越多人的關注。綜合數據采集系統是軌道交通運營監控的重要組成部分。隨著技術的發展，各種基于光纖、以太網、現場總線、無線通信等新技術的監控系統也逐步走進地鐵運營技術體系，發揮著越來越重要的作用。因此，本文設計的軌道交通綜合數據采集系統具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1]劉志宏.地鐵綜合監控系統的數據備份與恢復系統研究[J].通訊世界，2018（5）：21-22.

[2]錢偉強.淺談城軌中信號系統的接口設計[J].通訊世界，2017（14）：155.

[3]陳思維，蘇國輝，于辰棟，等.地鐵列車車載信號設備數據采集及智能預警系統[J].輕型汽車技術，2018（Z4）：27-29.

作者：王亮 單位：南昌軌道交通集團有限公司