基于GPS/航跡推算組合導(dǎo)航的列車防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2 無線通信模塊

通信機(jī)制完成系統(tǒng)中各模塊間的通信功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。列車之間的互相通信是將實(shí)時(shí)的位置信息傳遞給臨近的列車，通過計(jì)算與相鄰列車的距離，并判斷是否存在碰撞的可能，根據(jù)判斷結(jié)果給出相應(yīng)的警告信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)列車的安全預(yù)警。

無線數(shù)據(jù)傳輸是利用無線電波作為傳輸?shù)拿浇?，將?shù)據(jù)信息進(jìn)行編碼調(diào)制到載波頻率上，送到射頻前端，通過天線發(fā)射出去或?qū)⒔邮盏降碾姴ㄐ盘?hào)進(jìn)行解碼調(diào)制還原出原始數(shù)據(jù)的過程。無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)具有不用預(yù)設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施及自主組網(wǎng)等特點(diǎn)，主要用于解決一些不易架設(shè)線纜，但又需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并傳輸?shù)男⌒蜔o線網(wǎng)絡(luò)的通信問題。由于鐵路沿線架設(shè)通訊線路不方便，而且架線工作量比較大，選擇無線數(shù)據(jù)傳輸作為各個(gè)列車防撞系統(tǒng)之間的通信方式，比較合理。

由于列車的慣性較大，所以其制動(dòng)距離較長(zhǎng)，可能達(dá)到幾千米，因此對(duì)列車之間的通信范圍有要求，本項(xiàng)目規(guī)定的最低要求是400m，但從安全系數(shù)上考慮，至少1km的安全距離比較合適。

通過綜合比較，系統(tǒng)通信模塊選擇YL-5001W中功率無線數(shù)傳模塊。YL-5001W是一款高穩(wěn)定性，低功耗，高性價(jià)比的采用GFSK調(diào)制方式的無線透明數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。該模塊相對(duì)其他通信模塊具有尺寸小，靈敏度高，傳輸距離遠(yuǎn)，通訊數(shù)率高，內(nèi)部自動(dòng)完成通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)收發(fā)控制等特點(diǎn)。能在不改變用戶的任何數(shù)據(jù)和協(xié)議，完成無線傳輸數(shù)據(jù)功能。工作頻率433MHz，串口波特率9.6kpbs，能滿足系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的通信要求。

3.3 控制器及其他電路

主控芯片選擇ST(意法半導(dǎo)體)公司的STM32系列ARM芯片，該系列芯片采用Cortex—M3內(nèi)核，采用8M晶振，通過鎖相環(huán)倍頻后時(shí)鐘頻率最高可達(dá)到72MHz。本系統(tǒng)選擇的32位的STM32F103RCT6是低功耗高速單片機(jī)，外設(shè)資源豐富，芯片集成了SPI，I2C，USB和A/D等硬件接。

本系統(tǒng)各模塊間采用串口通信，主要用了單片機(jī)的四個(gè)串口，串口一用來下載程序，串口二與導(dǎo)航系統(tǒng)通信獲取列車的定位信息，串口三與無線通信模塊交換數(shù)據(jù)，串口四與觸摸顯示屏相連，將需要的信息顯示在觸摸屏上。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用編程環(huán)境Keil設(shè)計(jì)，主要用C語言編寫。由主程序main()、軌跡推算處理子程序GuiJi—Calcaulate()、觸摸屏顯示子程序Show()、中斷處理子程序、通信子程序Communication()、誤差處理子程序Error-Processing()等組成。軟件各部分均按照結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思想進(jìn)行編程，易于調(diào)試和維護(hù)。主程序流圖如圖3所示。

5 系統(tǒng)測(cè)試

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，完成硬件各模塊連接，組裝好樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)中，我們采用電動(dòng)摩托車來模擬低速運(yùn)行的列車，通過拆除GPS天線來模擬列車進(jìn)入隧道、森林等GPS失鎖的情況，并讓兩樣機(jī)相距約500m的距離進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)界面如圖4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)GPS信號(hào)良好時(shí)，誤差小于等于10m，衛(wèi)星失鎖時(shí)，誤差不超過30m。

經(jīng)綜合分析，本系統(tǒng)達(dá)到項(xiàng)目要求，可以滿足列車實(shí)際運(yùn)行。

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)合理利用了GPS衛(wèi)星定位技術(shù)以及航跡推算導(dǎo)航算法，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定、可靠的低成本組合導(dǎo)航。采用大功率無線電臺(tái)，使無線數(shù)據(jù)傳輸距離大幅度提升，安全預(yù)警距離更大。觸摸屏顯示界面友好，能直接獲取列車實(shí)時(shí)位置、導(dǎo)航信息來源、航向、定位誤差等信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，在鐵路系統(tǒng)中具有一定的應(yīng)用前景與參考價(jià)值。