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1 引言 礦區鐵路是銜接國家鐵路與礦區的中間環節，是鐵路運輸網的重要組成部分。據有關資料統計，目前國內礦區鐵路超過2萬公里且其沿線附近通常分布著多個道口。由于道口大多分布在遠離市區的礦山企業內部，并且其數量多、分散以及道口之間的距離長，加上礦區內各種運輸工具的交叉作業及車輛、人員的不固定的流動，使礦區鐵路道口的安全管理成為十分突出的問題。為使各級礦區管理部門能及時、準確掌握各個道口的的安全情況，本文以 Atmega128和MC55為核心，設計一套鐵路道口監測系統，實現對鐵路道口監測管理的自動化、數字化和網絡化。這對保證礦區正常生產、提高礦山企業經濟效益和通過道口車輛、行人安全具有重要意義。 2 系統組成 整個系統由道口監控中心組成。從功能上分，該系統可分為信號采集部分、道口部分、信號傳輸和發送部分以及道口監控中心５個部分。圖１以其中的一個道口為例，給出簡化后的系統總體框圖。 2.1 信號采集部分 信號采集部分主要用于采集列車接近及離去信號，為自動實現收放護欄提供決策信號。目前道口系統中有采用振動傳感器、射頻傳感器,GPS+ ARM+GPRS、視頻監控設備或踏板開關等幾種方式檢測來車信號，它們各有優缺點。本系統中信號采集部分由4個磁電傳感器組成，分別成對的放置在道口兩側的鋼軌內側。 當有列車經過該置時，磁電傳感器可檢測到來車信號，經放大電路和A/D轉換電路后，直接發送到單片機 Atmega128。 2.2 道口部分 道口部分設道口信號機、聲光報警器和欄木裝置各2套，分別用來指示火車即將到達信號、聲光報警和執行放桿操作。在道口設置自動控制箱，既可由礦區道口監控室中心的PC機遠程控制各裝置動作，也可由操作人員在現場手動操作。報警器由音響電路板、筒式揚聲器及回轉警示燈組成，用來提醒來往車輛司機及過往行人注意安全不要搶道。 2.3 信號傳輸和發送部分 磁電傳感器安裝在距道口500 m左右處，當它檢測到來車信號后，通過銅軸電纜將信號傳送至道口自動控制箱內的單片機Atmega128。MC55是信號發送的主要設備，它將單片機采集到的數據打包后通過GＰRS網絡傳輸到礦區道口監控中心，由道口監控中心對數據做進一步的分析處理。 2.４ 礦區道口監控中心部分 礦區道口監控中心設ＰＣ機1臺，主要用于接收各道口列車運行狀態的數據。該監控中心采用動態IP結合DNS域名解析組網方式來實現對道口的遠程監測。這種方式首先需要聯系DNS服務商，為監控中心申請1個域名，把這個域名寫入單片機Atmega128中。監控中心接入Internet后，與DNS服務器進行連接，將當前獲得的動態IP報告給DNS服務器，再由DNS服務器找到監控中心公網動態IP，這樣就可以在兩者之間建立通訊連接。 3 系統硬件設計 系統硬件設計主要是指道口控制部分硬件設計，按照信號流程大體可以分為三個硬件模塊，即傳感器信號放大和Ａ/Ｄ轉換電路設計、單片機Atmega128與MC55接口設計以及驅動 現場各種設備接口電路設計，其中Atmega128與MC55接口電路是該監測系統硬件設計的重點和特色。圖２給出以該接口電路為核心的監測站硬件系統電路圖。ATmega128L和MC55都有標準的RS232接口，因此硬件設計相對比較簡單，只需把Atmega128L的PE5與MC55的 IGT相連，用于啟動MC55模塊，Atmega128L的TX0/RX0與MC55的TX0/RX0相連，進行數據的輸入輸出；MC55的RING0接從ATmega128L的中斷線，作為數據傳輸的中斷信號。Atmega128是Atmel公司推出的８位高性能單片機，片內具有128KＢ的程序存儲器, 4KB的數據存儲器，4KB的EEPROM，有8個10位ADC通道、2個8位和2個16位硬件定時J計數器,8個PWM通道，具有可編程看門狗定時器和片上振蕩器、片上模擬比較器、JTAG、UART、SPI,和I2C總線等接口以及六種可以通過軟件選擇的省電模式。本設計中，ATmega128L是整個數據采集系統核心，主要完成信號的傳感器信號采集、軟件濾波、數據運算及各種控制功能。M C55是西門子公司生產的GPRS二頻模塊，它除了具有GSM模塊原有的功能外還支持分組業務功能，內嵌了TCP/IP協議；它的數據輸入/輸出接口實際上是一個串行異步收發器，符合RS232接口標準，且有固定的參數：8位數據位和1位停止位，無校驗位。它與 Atmega128協同工作，共同完成數據的遠程傳輸。 4 系統軟件設計 采用模塊化的軟件設計，將軟件分成若干相對的獨立的功能模塊，并為各模塊安排適當的入口和出口參數，使得模塊之間的相互連接,組合靈活方便。整個監測系統軟件設計主要由道口自動控制子系統和礦區監控中心子系統組成。 4.１ 道口自動控制軟件設計 道口自動控制子系統的整個程序采用C語言和匯編語言相結合編程，使用模塊化結構，其條理清楚、程序量精簡，使得Atrnega128的速度和編譯程序容量最優化。其主要的功能是根據磁電傳感器的輸出脈沖觸發，通過單片機驅動現場各種報警設備，同時將駛過該道口的列車運行狀態數據通過MC55發送給監測中心。該子系統軟件按照功能可以分為定時器初始化模塊、中斷管理初始化模塊、MC55初始化模塊、中斷信號濾波處理模塊、列車狀態數據計算模塊、與上位機數據通信模塊以及驅動現場各種設備模塊。其軟件設計主要包括主程序和中斷服務子程序兩大部份，其中中斷信號濾波處理模塊、驅動現場各種設備和列車狀態數據計算模塊在中斷服務子程序中實現，其余模塊在主程序中實現。圖3給自動控制子系統軟件的主流程圖。 4.２ 礦區監控中心軟件設計 礦區監控中心子系統主要功能是通過GPRS網絡實時接收、顯示和打印各個道口傳上來的當前速度、與道口接近距離等有關列車運行的數據。該子系統采用是用高級語言VC編程， 該軟件具有友好的用戶界面，可以把所有的采集數據存入數據庫，并可實現波形的顯示和分析。按照功能可以分為系統登錄模塊、系統管理模塊、與下位機數據通信模塊、列車數據實時顯示模塊、列車數據入庫模塊和列車歷史數據查詢模塊。 5 結束語 基于單片機和GPRS的礦區鐵路道口監測系統是傳感器技術、單片機技術與網絡通信技術相結合的結果，它真正實現了鐵路道口安全管理的自動化和信息化。它使得鐵路道口監測網與信息網融為體，實現了對列車速度、列車行進的方向和其離道口距離等列車運行狀態數據的實時采集、網絡傳輸、動態顯示、入庫保存以及歷史數據查詢等功能，并且同時驅動道口信號機、欄木和聲光報警信號；從而有效解決礦區鐵路道口的事故隱患，為確保鐵路道口行車安全提供保障。 本論文的創新點：針對礦區鐵路道口安全管理的需求，利用現有的GPRS網絡和單片機技術，設計了一套礦區鐵路道口監測系統，主要對其硬件和軟件進行了詳細的闡述，從而為我國鐵路運輸業提供一個良好的解決方案。 |
