列车智能上水系统遥控模块设计

刘良斌, 吴新开, 濮振华, 谈晓成

湖南科技大学 信息与电气工程学院, 湖南 湘潭 411201

列车智能上水系统遥控模块设计

刘良斌, 吴新开, 濮振华, 谈晓成

湖南科技大学 信息与电气工程学院, 湖南 湘潭 411201

针对列车上水系统的被控对象多、遥控距离远、控制实时性要求高等特点，设计了一套由MSP430F149单片机、SI4432无线通信模块组成的遥控系统。该系统采用EZMAC PRO协议进行无线通信。无线接收部分通过RS485总线与股道管理机（上位机）通信。经测试，该系统实现了对股道各从站的监测与控制，具有可靠性高、低延时、成本低的特点。

列车上水系统；MSP430F149单片机；遥控系统；节能

目前，铁路车站和客车整备所的上水设备大多过于简陋[1]，控制方式一般为点对点控制[2]，即每一台上水栓由一个独立的无线接收模块控制。传统控制方案无线接收模块较多，维修成本较高；采用射频模拟电路，电能消耗大[3]；同时，由于各个上水栓都是独立存在的，不能通过电脑对上水栓进行实时监控，增大了系统的维护难度。为了改变这种情况，作者采用MSP430F149单片机与SI4432无线通信模块结合[4,5]，构成上水系统的遥控器和遥控器接收板[6]，并通过股道管理机统一对遥控信号进行处理，实现对上水栓的测控。该方案无线站点少、维护难度小、控制方便，很好地解决了铁路旅客列车上水中出现的诸多问题。

1 上水系统的构成

水系统中每个股道由30个上水栓、2个水压表、1个遥控器接收板、2个流量计和1台股道管理机组成。股道管理机与各从站之间通过RS-485双绞线进行通信。

1.1 股道管理机的构成及硬件选型

根据厂家要求，股道管理机与从站之间的通信必须采用Mobus-RTU协议，又由于每个股道上接入的从站较多，综合考虑，文中采用S7-200（股道管理控制器）、S7-300（股道监控设备）、EM277（S7-200与S7-300的通信设备）相结合构成股道管理机的方案。其中S7-200系列PLC（型号为CPU 226CN AC/DC/RLY）作为与各从站之间的数据收发设备，在S7-200系列PLC中，相对于其他型号其处理能力较强，它带2个RS-485接口，符合国际上通用的Modbus-RTU协议[7]。又因为每个股道上接入的从站较多，直接采用CPU 226作为主站，上水系统会有很大的延时，故采用S7-300系列PLC（型号为CPU315-2PN/DP）对接收到的数据进行处理，并通过Profinet接口与监控电脑通信，以实现对各个从站状态的监控。CPU 226 和CPU315之间通过EM277进行数据交换，其最高通信速率可以达到12 Mbps。因此，作为控制核心的股道管理机由S7-300、S7-200、EM277组成，在满足系统的控制要求的前提下，很好地控制了整个系统的成本。系统结构框图如图1所示。

图1 上水系统结构框图

每个上水系统根据车站规模，自由配置股道数量，由于篇幅所限，文中只将第二股道的组成列出。

1.2 遥控器与接收板设计与选型

遥控器和接收板均采用MSP430F149作为主控制芯片，该芯片是TI公司生产的新型信号处理器，采用3.3 V电源，集成了60K Flash ROM和2K RAM，共有6组I/O口，完全能满足遥控器和接收板的设计需要。MSP430F149常被用作移动设备的控制芯片，其主要优势是节能。MSP430单片机共有5种节能工作模式（LPM0～LPM4）和1种正常工作模式（AM模式），芯片通过设置状态寄存器SR的低功耗控制位来切换工作模式，达到节能目的。其中，AM模式下，芯片电流为340μA；LPM1～LPM3模式下的工作电流分别为70μA、17μA、2μA、0.1μA，LPM3模式是芯片能被唤醒的最低消耗模式[2]。本设计中，单片机默认工作于LPM3模式，当遥控器有按键按下时，立刻切换至AM模式。这样的设计方案大大减少了遥控器电能的消耗[8]。

无线通信采用SI4432模块实现。SI4432是由SILICON公司生产的高性能无线通信模块。它具有成本低、集成度高、外围电路设计简单的特点。该模块最大发射功率可达+20 dBm，灵敏度为-116 dBm。当SI4432模块发射功率为+20 dBm时，模块工作电流为80 mA[8]。因为该模块接收数据时的电流为18.5 mA，是空闲等待状态（Idle status）下电流的41倍，由于遥控器只有在发送数据给接收板以后，才需要接收一次返回数据。因此，将遥控器的SI4432模块设置为空闲等待状态，当遥控器需要发出接收指令时，才将SI4432转换为接收/发送状态，这样的控制方案最大限度的减少了电能的消耗[9-10]。

考虑到部分上水工人年龄较大，遥控器只设置了8个按键和一个电源开关，按键分别定义为“设定”、“+”、“-”、“开水”、“关水”、“查询”、“总停”、“设定”。通过按下“设定”按键可以设置被遥控的股道号、上水栓号和定时上水的时间，操作简便。总停按钮是为了应对紧急情况设定的：如果列车准备开动，而上水栓仍在加水，上水工人可以按下总停键，将本股道的上水栓全部停掉，避免事故的发生。

本设计中，采用ADM2587E将RS485总线上的信号转换为单片机能识别的TTL信号。该芯片是由ADI公司生产的隔离型RS485收发器，集成DC-DC隔离电源，最大隔离电压可达2 500 V，外围电路仅需要4个匹配电容和2个匹配电阻，省去了复杂的光耦隔离电路，可靠性和集成度非常高。ADM2587E和SI4432模块与单片机的连接如图2所示。

图2 ADM2587E和SI4432模块与单片机的连接

2 通信协议与通信原理

股道管理机通过接收来自遥控器的控制信号实现对上水栓的控制，每个股道只放置一个遥控接收板。由于每2个上水栓之间相距25 m，要保证上水工人在所有上水栓处都能正常遥控上水，将接收板放在15号上水栓出，可大大提高通信的可靠性，遥控器与接收板之间的可靠通信距离至少应保证400 m。考虑到火车站电磁干扰较大，遥控器与接收板各配有一个SI4432无线通信模块，为降低丢包率，保证通信的可靠性，本设计该模块载波频率置为433 MHz，波特率9 600。同时，将发送功率设置为+20 dBm。在该配置下，理论最远通信距离可以达到1 200 m，完全能满足设计需要。

接收板与股道管理机之间通过485双绞线进行通信，485总线通信方式在工业控制中很常用，是一种简单、可靠、成熟的工业总线结构。每个股道中，有40个左右的从站，股道管理机与最远处从站的距离可能达到700 m以上。从通信距离、从站个数等方面综合考虑，采用485通信方式最为合适。

图3 遥控器、接收板的组成

在一个单独的股道中，股道管理机作为485通信的主站，负责485总线的管理和使用。由于485总线属于半双工总线，从站与主站均并连在总线上，任何一个站发出的信号总线上的所有站均能接收到。所以，485通信协议规定同一时刻只能有一个站发送信息。为了保证485通信线的正常使用，所有的命令均只能以股道管理机查询或写入，从站响应的形式进行通信。

系统节点上电后会自行组网，当向网络接入新节点或移除某个节点时系统会重新组网，且不会对系统通信产生毁坏性影响[6,8]。

SI4432模块使用的是EZMacPro通信协议，使用前需要进行配置，将前导码、同步字、包头等配置好。配置好以后，该模块在每次发送数据时，会自动加上前导码、同步字等部分；在接收数据时，也会自动将接收到的数据去掉前导码、同步字等，只将净荷部分传送给MSP430。遥控器与接收板之间的通信包的结构如表1所示[8]。

表1 遥控器与接收板之间的数据格式

其中前导码是一串1、0相间隔的数据，数据长度是8的倍数位，这里采用8×6位的前导码。前导码可以确定收发设备的接收和发送时间。接收模块一旦检测到了与设置相同的同步码，就开始接收数据，本设计中净荷只有6个字节。最后的2个字节的CRC校验是模块自动加上的，减轻了处理器的负担。

S7-200系列PLC采用的MODBUS RTU协议，本设计只使用该协议有2种格式：查询指令和写入指令，它们的命令字为03H和10H[7]，格式分别为表2、3所示。

表2 股道管理机向从站发出的查询指令格式

表3 接收板收到股道管理机的查询指令后的返回数据格式

上水工人会不定期查询两端的水压与流量值，在遥控器发出查询命令后，股道管理机需要向遥控器接收板写入数据。此时，需要用到10H指令。其格式如表4所示。

表4 股道管理机向遥控器接收板发出的写入指令

遥控器发出的指令具有随机性，接收板在任意时刻都可能接收到遥控器发出的指令。本设计将接收板设置为接收模式，以便及时响应遥控器发出的指令。

股道管理机需要实时获取各个从站的状态值，主站一直处于查询各从站状态的工况中，每间隔500 ms，它通过RS485总线查询一个从站的状态。为了能让上水栓及时执行遥控器发出的指令，每查询一个上水栓的状态值，均查询一次遥控器接收板的状态。

3 软件流程

由于遥控器采用电池供电，需要考虑到节能、人机交互等需要，程序较为复杂。本设计中，MSP430单片机一般工作在LPM3模式下，只有在按键按下时，才被唤醒；SI4432模块初始化以后，处于Idle模式，只有在发送与接收时才临时改变状态；由于采用了5506光敏电阻对背光进行控制，大大降低了遥控器的充电频率。

遥控器接收板采用MSP430与SI4432搭配的方式，将SI4432设置为接收模式。在接收485总线上的数据时，如果在前一个帧接收完以后，延时3.125 ms（3个字节接收时间）仍未接收到数据时，自动认为指令接收完毕，处理指令。

遥控器与接收板的软件流程图分别如图4、5。

图4 遥控器软件流程

图5 接收板软件流程

4 测试结果及分析

依据上文的设计方案，制作了1套遥控模块，并与股道管理机进行了联机调试。分别对无线遥控距离在400、500 m进行了测试，接收板放置于15号上水栓的箱体内，它与股道管理机距离为350 m，实验结果如表5。

表5 遥控器与接收板通信实验结果

遥控器与接收板距离400 m时，丢包率能保持在1.5%左右，在500 m时，丢包率约为3.5%，能够满足控制要求。本测试在广西某火车站进行，由于火车站暂未运营，并且环境条件良好，丢包率较低。丢包主要发生在遥控器与接收板之间有障碍物阻隔的情况下，在实际使用过程中，遥控器与接收板之间一般不存在障碍物，能保证无线通信的可靠性。

实验中，通过串口调试软件对接收板与股道管理机的数据进行了检测，接收板在接收到遥控器的信号以后，股道管理机均能扫描到接收板的遥控指令，丢包率为0，保证了遥控器指令的可靠执行。实物连接图如图6所示.

图6 遥控模块与股道管理机的连接

5 结束语

文中设计了一套基于西门子PLC的火车站上水控制系统的远程控制模块。该模块采用SI4432与MSP430搭配，作为遥控器和遥控器接收板，能够与股道管理机可靠通信；系统采用西门子PLC通过一路485总线控制从站，大大简化了现场布线，在保证系统可靠运行的前提下，既节约了成本，又降低了系统的维护难度。目前，该系统已在广西某火车站成功运行，股道管理机采用PLC进行控制，可靠性非常高。

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Remote control module design of the train intelligent water supply system

LIU Liangbin, WU Xinkai, PU Zhenhua, TAN Xiaocheng

College of Information & Electrical Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China

In view of the characteristics of various controlled objects, remote control distance and high real-time requirement of the train water supply system, this paper designs a train intelligent water supply system, which is composed of MSP430F149 MCU and SI4432 wireless communication module. This system adopts the EZMAC PRO protocol to achieve wireless communication. Wireless receiving part communicates with track management machine (PC) through the RS485 bus. It is verified by test that the system can monitor and control the stock road, and also the system has the characteristics of high reliability, low latency and low cost.

train water supply system; MSP430F149 MCU; remote control system; energy saving

TN876.3

A

1009-671X（2014）01-0035-04

10.3969/j.issn.1009-671X.201309008

2013-09-08.

湖南科技大学科技项目（D11302）.

刘良斌（1988-），男，硕士；吴新开（1956-），男，教授.

刘良斌, E-mail: liuliangbin@126.com.