地鐵列車乘客緊急報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 全文

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　　隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，乘客對(duì)列車的舒適度和安全性提出越來越高的要求。對(duì)于上海地鐵1、2號(hào)線舊型直流驅(qū)動(dòng)列車，當(dāng)列車車廂內(nèi)發(fā)生緊急情況(如火災(zāi)等)時(shí)，列車司機(jī)在封閉的駕駛室中無法得知災(zāi)難情況，而且乘客也沒有任何通信手段可以將車廂內(nèi)的災(zāi)情告知司機(jī)?；谶@種防災(zāi)需求，地鐵運(yùn)營單位要求改造列車，加裝地鐵列車乘客緊急報(bào)警系統(tǒng)。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　地鐵列車一般為6節(jié)編組(A1-B1-C1-B2-C2-A2)，每節(jié)車廂長24.5 m，司機(jī)駕駛室設(shè)在A1和A2，乘客車廂為全部6節(jié)車廂。本系統(tǒng)在兩端司機(jī)駕駛室各設(shè)1臺(tái)報(bào)警主機(jī)，每節(jié)車廂安裝2個(gè)報(bào)警分機(jī)(車門上方)。當(dāng)乘客按下車廂內(nèi)的報(bào)警按鈕后，按鈕上的指示燈會(huì)點(diǎn)亮，并伴有報(bào)警聲音提示。報(bào)警分機(jī)在監(jiān)測到按鈕動(dòng)作后，會(huì)將該信息通過列車線發(fā)送到駕駛室的報(bào)警主機(jī)。主機(jī)接收并處理信息后，點(diǎn)亮主機(jī)面板上對(duì)應(yīng)位置的LED指示燈，并利用聲音提示。此時(shí)，司機(jī)需要人工確認(rèn)報(bào)警燈對(duì)應(yīng)按鈕，主機(jī)監(jiān)測到確認(rèn)動(dòng)作后關(guān)閉報(bào)警燈和報(bào)警聲音，并將該信息發(fā)送回對(duì)應(yīng)的報(bào)警分機(jī)。分機(jī)接收并處理信息后，關(guān)閉報(bào)警燈和報(bào)警聲音。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　報(bào)警主機(jī)的硬件設(shè)計(jì)按照模塊化原則，可分為如下幾個(gè)功能模塊：主邏輯控制模塊、基于MT8888的DTMF通信模塊、LED數(shù)碼管控制模塊、LED燈控制模塊、蜂鳴器控制模塊、鍵盤掃描模塊、時(shí)鐘控制模塊、存儲(chǔ)控制模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

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　　報(bào)警分機(jī)相對(duì)簡單，提供了乘客報(bào)警的人機(jī)界面。報(bào)警主機(jī)和分機(jī)之間使用基于MT8888芯片的DTMF通信技術(shù)，并附加軟件CRC8校驗(yàn)機(jī)制，確保通信的高可靠性和安全性。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　報(bào)警主機(jī)和分機(jī)均使用Atmel公司的AT89C52作為主邏輯控制單元，與MCS-51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。分機(jī)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡單，主機(jī)用到了單片機(jī)提供的大部分資源，包括定時(shí)器中斷、外部中斷和串行中斷，各個(gè)功能模塊依靠各自中斷入口和優(yōu)先級(jí)依次運(yùn)行。定時(shí)器和

　　中斷資源分配如表1所列。

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　　對(duì)于中斷優(yōu)先級(jí)的考慮：

　?、倥c人機(jī)接口有關(guān)的中斷，其優(yōu)先級(jí)為高;

　?、跒榱吮ＷC串行通信的質(zhì)量，其優(yōu)先級(jí)為高;

　?、弁獠恐袛嗖捎幂^低級(jí)的中斷，其優(yōu)先級(jí)為低(外部中斷0，每秒2次;外部中斷1，每秒1次)。

　　3.1 基于MT8888的DTMF通信

　　由于涉及已運(yùn)營線路的列車改造，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性是至關(guān)重要的，所以該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)報(bào)警主機(jī)和分機(jī)之間采用了基于MT8888的DTMF通信，并在列車上使用低煙、無鹵的線纜構(gòu)架系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，做到與列車原有廣播系統(tǒng)的語音信號(hào)相互獨(dú)立，互不干擾。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是總線型結(jié)構(gòu)，最遠(yuǎn)分機(jī)和主機(jī)的距離長達(dá)150 m。

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　　DTMF通信每次收發(fā)只能處理4位數(shù)據(jù)，但是對(duì)于實(shí)際通信數(shù)據(jù)，就需要設(shè)置較大的緩沖區(qū)，循環(huán)發(fā)送多字節(jié)數(shù)據(jù)。下面詳細(xì)描述主機(jī)和分機(jī)的通信協(xié)議。

　　3.2 基于CRC8的安全通信協(xié)議

　　根據(jù)系統(tǒng)的功能，報(bào)警主機(jī)和分機(jī)的消息類型包括：系統(tǒng)上電自檢、分機(jī)報(bào)警、主機(jī)報(bào)警回復(fù)。系統(tǒng)上電自檢是指在系統(tǒng)全部上電后，列車車廂內(nèi)的分機(jī)會(huì)自動(dòng)向主機(jī)發(fā)送健康信息，主機(jī)收到該信息后會(huì)在界面上點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)分機(jī)的指示燈;分機(jī)報(bào)警是指乘客按下報(bào)警按鈕后，分機(jī)向主機(jī)發(fā)送的報(bào)警信息;主機(jī)報(bào)警回復(fù)是指司機(jī)確認(rèn)報(bào)警后，主機(jī)向分機(jī)發(fā)送的報(bào)警確認(rèn)信息。為了保證通信的安全性，采用CRC8標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，多項(xiàng)式為

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　　，簡記為0x31。

　　通信協(xié)議的詳細(xì)定義如下：

　?、偕想娮詸z信息格式(3字節(jié))

　　報(bào)頭(1字節(jié))：FB

　　報(bào)文：車廂號(hào)(半字節(jié))+分機(jī)號(hào)(半字節(jié))

　　CRC(1字節(jié))：CRC8

　?、趫?bào)警信息格式(3字節(jié))

　　報(bào)頭(1字節(jié))：EA

　　報(bào)文：車廂號(hào)(半字節(jié))+分機(jī)號(hào)(半字節(jié))

　　CRC(1字節(jié))：CRC8

　?、蹐?bào)警回復(fù)信息格式(3字節(jié))

　　報(bào)頭(1字節(jié))：EC

　　報(bào)文：車廂號(hào)(半字節(jié))+分機(jī)號(hào)(半字節(jié))

　　CRC(1字節(jié))：CRC8

　　在報(bào)警主機(jī)和報(bào)警分機(jī)的DTMF編解碼結(jié)束后，使用Altera公司的EPM1270芯片進(jìn)行CRC8的生成和校驗(yàn)，基于以下VHDL代碼實(shí)現(xiàn)了8位CRC碼生成電路。代碼中，InputData為輸入數(shù)據(jù)，ResultCRC為輸出CRC碼，midCRC為當(dāng)前CRC碼。

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　　CRC8校驗(yàn)算法的使用，從軟件上為報(bào)警主機(jī)和分機(jī)的通信提供了一定的安全保障;CPLD硬件的實(shí)現(xiàn)方式，減輕了單片機(jī)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，使其專注于主控制邏輯的調(diào)度。

　　3.3 基于X25045的存儲(chǔ)管理

　　存儲(chǔ)芯片使用的是X25045，這個(gè)芯片具有看門狗和EEPROM兩種功能。使用時(shí)，看門狗的復(fù)位在定時(shí)器T0中實(shí)現(xiàn)。EEPROM的容量為512字節(jié)，分上下兩個(gè)半?yún)^(qū)，每半?yún)^(qū)地址為00H～0FFH。記錄的格式如表2所列。

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　　基于以上提供的記錄格式，存儲(chǔ)空間做如下劃分：

　　◆000H，存儲(chǔ)待寫入記錄的上下半?yún)^(qū)地址;

　　◆001H，存儲(chǔ)待寫入記錄的半?yún)^(qū)內(nèi)地址;

　　◆002H～007H，預(yù)留;

　　◆008H～1FFH，存儲(chǔ)報(bào)警信息記錄。

　　所以，存儲(chǔ)器能夠存儲(chǔ)的報(bào)警信息的總數(shù)為(512-8)/7=72條。當(dāng)存儲(chǔ)器存滿之后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)覆蓋最早的一條記錄，從而循環(huán)利用存儲(chǔ)器空間。之所以會(huì)這樣考慮，主要是因?yàn)榈罔F緊急報(bào)警系統(tǒng)是在極個(gè)別情況下才會(huì)使用的，所以真正使用的頻率可能會(huì)比較低。

　　存儲(chǔ)器的使用保證了系統(tǒng)在斷電之后，報(bào)警信息仍然可以保存下來。但是，這使得在系統(tǒng)初始化時(shí)，存在一個(gè)問題;系統(tǒng)斷電后，所有的其他信息都會(huì)丟失(包括存儲(chǔ)器的使用情況)，當(dāng)系統(tǒng)再次上電復(fù)位后，系統(tǒng)就無法知道從存儲(chǔ)器的哪個(gè)字節(jié)開始存儲(chǔ)信息。所以，需要把存儲(chǔ)器的使用情況存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上(000H，001H)。這樣，當(dāng)系統(tǒng)上電復(fù)位的時(shí)候就可以讀取這個(gè)信息，從而正確使用存儲(chǔ)器。但是，在這種情況下，需要在使用系統(tǒng)前對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行格式化，就好像安裝PC機(jī)的操作系統(tǒng)需要格式化 硬盤一樣。本設(shè)計(jì)方案是利用已有的小鍵盤，通過

　　輸入簡單的密碼來格式化存儲(chǔ)器。

　　格式化命令：

　?、侔聪碌谝恍凶髷?shù)最后一個(gè)鍵，A2-1;

　?、诎聪碌诙凶髷?shù)第一個(gè)鍵，A1-2;

　?、郯础盎剀嚒辨I。

　　這時(shí)，LED屏?xí)@示“-F-F-F”，這表示報(bào)警主機(jī)正在對(duì)X25045進(jìn)行格式化。當(dāng)格式化結(jié)束后，LED屏?xí)詣?dòng)跳回到時(shí)間顯示狀態(tài)。

　　結(jié)語

　　地鐵列車乘客緊急報(bào)警系統(tǒng)是上海地鐵列車安防系統(tǒng)國產(chǎn)化改造的重要成果，解決了既有線路維護(hù)工作中的實(shí)際問題，是國內(nèi)企業(yè)參與城市軌道交通建設(shè)的良好實(shí)踐。