基于北斗的通信铁塔监测系统监测终端电路设计

李芝宏，王昕煜，常媛媛



基于北斗的通信铁塔监测系统监测终端电路设计

李芝宏，王昕煜，常媛媛

基于北斗实时高精度动态相位差分定位技术，研究应用于GSM-R通信铁塔安全监测的远程在线健康诊断系统。该系统通过北斗定位可获得铁塔实时位置，通过倾斜算法算出铁塔实时位移、倾斜角和垂直度，并集成对铁塔所在环境实时风速风向的监测。该系统电路设计简单，可靠性高，可满足铁塔监测功能。

北斗定位；铁塔监测；接口电路；供电电路；通信模块电路

0 引言

铁路通信塔是铁路沿线无线通信系统（GSM-R）的重要基础设施，随着我国高速铁路建设的快速发展，铁路无线通信铁塔的数量大幅增加，其无故障运行对保证铁路沿线无线信号覆盖、车地通信畅通以及保障铁路运输安全均具有重要意义。铁路通信塔多为大型钢结构塔，在露天无遮挡的野外环境中长期使用，易发生倾斜倒塌危险，严重影响铁路正常运营，威胁周边人群、设备和行车安全。

1 系统简介及组成

基于北斗的通信铁塔健康远程监测与主动探测系统，以北斗RTK高精度差分定位技术为基础，与待监测铁塔一体的北斗卫星定位测量天线实时与北斗卫星进行通信。测量天线接收机接收卫星定位数据的同时，接收地面基准站定位数据校准值，实时解算天线精确位置；监测终端根据天线精确位置计算测量天线实时位移、倾斜角和垂直度；上位机系统通过有线或无线通信系统获得监测数据，完成报警提示、数据存储、查询等功能。系统总体结构如图1所示。

基于北斗的铁路通信铁塔远程监测系统，其硬件系统主要由地面CORS站、塔上监测终端、定位天线和风速风向计组成。铁塔远程监测终端板卡主要由ARM核心板、RS485/232芯片、BD930高精度定位芯片和7100C无线通信芯片组成。

图1 系统总体结构

系统上电运行后，ARM向7100C发出注册4G链路命令，通信模块与基准站服务器建立稳定连接后，7100C模块进入透传工作模式，通信模块将其从服务器获取的差分信息直接发送给BD930接收机。经解算，接收机将高精度定位信息发送给ARM的倾角解算核心程序，由核心程序完成倾角解算和数据输出。

监测终端硬件组成如图2所示。

图2 监测终端系统模块硬件组成

2 电源转换电路设计

电源模块有线性稳压器和开关电源模块2种。线性稳压器的特点是输出品质好，外电路简单，但当输入输出电压差较大时，其输出功率将受到很大影响；开关电源模块输出功率受输入输出电压差影响较小，但品质稍差，外部电路也较复杂。

本系统电路所需功率及输入输出电压差较大，因此选用开关电源模块。整套系统所需电压为3.3、3.8及5 V，且对电流输入有一定要求，因此选择开关电压调节器LM2596对输入电压进行转换。

LM2596开关电压调节器采用降压型电源管理单片集成电路，能够输出3 A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。固定输出版本有3.3、5、12 V及可调ADJ（可以输出小于37 V的各种电压）。设计选取3.3、5 V及ADJ（输出 3.8 V）3个版本的LM2596，该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150 kHz。与低频开关调节器相比较，使用更小规格的滤波元件及通用的标准电感优化LM2596，极大地简化了开关电源电路的设计，在特定输入电压和输出负载条件下，输出电压的误差可保证在±4%范围内，振荡频率误差在±15%范围内。5 V供电电路设计如图3所示。

图3 5 V供电电路

3 ARM-Linux系统电路设计

ARM-Linux系统担负着整个电路的主要控制和数据解算任务，其主控制芯片的高性能可以增强系统的稳定性、可靠性，使系统功能更强大。该系统的硬件部分主要包括电源模块、复位电路、RS232及RS485通信接口等电路模块。

系统采用核心板加扩展板的设计思想，利用核心板提供的接口扩展系统所需的其他模块。核心板采用友善之臂的Tiny210。Tiny210核心板集成了S5PV210、SDRAM、Nand Flash以及晶振模块，通过引脚的插卡式连接器与扩展板相连。核心板共有150条接口线，其中包含电源线、地线、用户扩展可能需要使用的地址线、数据线、读写线、片选线、中断线、各外设接口线、IO信号线等。Tiny210核心板主要技术指标如表1所示。

表1 Tiny210核心板主要技术指标

3.1 复位电路

为提高系统的可靠性及稳定性，设计复位电路，如图4所示。

4G模块的一系列操作指令均通过ARM-Linux系统进行，因此必须保证ARM-Linux系统与4G通信模块同时复位，该复位信号同时与4G通信模块的复位引脚相连，确保2个模块可同时复位。

图4 复位电路

3.2 RS232及RS485通信接口

串行通信使用电子工业协会（EIA）推荐的RS232标准，为一种常用串行数据传输总线标准，几乎所有微控制器PC机都提供串行接口。完成最基本的串行通信功能，只需将RXD（数据接收）、TXD（数据发送）、GND接通。由于RS232标准所定义的高、低电平信号与S5PV210芯片的TTL电路所定义的高、低电平信号完全不同，TTL的标准逻辑“1”对应2～3.3 V电平，标准逻辑“0”对应0～0.4 V电平，而RS232标准采用负逻辑方式，标准逻辑“1”对应-5～-15 V电平，标准逻辑“0”对应+5～+15 V电平，两者之间进行通信必须经过电平转换。通常电平转换使用分离元件设计制作，但分离元件设计的电路复杂，抗干扰能力差，本系统使用专用电平转换芯片，利用其体积小、连接简单、抗静电能力强等特点。系统电路设计采用MAXIM公司的专用集成芯片MAX3232作为电平转换的接口电路，该芯片兼容3～5.5 V的电平，可直接与3.3 V的Tiny210连接。

Tiny210内置4个异步串口，分别为XuRXD0/ XuTXD0、XuRXD1/XuTXD1、XuRXD2/ XuTXD2、XuRXD3/XuTXD3，其中XuRXD0/XuTXD0是系统软件调试用接口，XuRXD1/XuTXD1是与BD930进行差分数据通信的串口，XuRXD2/XuTXD2是用于连接系统与上位机的串口，XuRXD3/XuTXD3是将系统与4G通信模块建立连接的串口。系统串口连接结构如图5所示。

图5 系统串口连接示意图

铁塔监测系统下位机与上位机之间的通信属于长距离通信，如果继续采用RS232进行通信，无法保证信号质量，因此下位机设备与上位机之间的通信采用RS485。RS485的通信距离可以达到 1 200 m，完全满足实际应用需求。同时RS485采用半双工通信方式，可在同一时刻进行接收和发送数据，因此利用Tiny210的一个IO口（XuCTSn1）对其进行控制：XuCTSn1置高电平时，处于发送状态；XuCTSn1置低电平时，处于接收状态。RS485接口电路如图6所示。

图6 Tiny210 RS485接口电路

4 通信模块

4G通信模块采用SIMCOM公司的SIM7100C芯片。SIM7100C是一款工业模块芯片，是工业控制中GSM/GPRS的核心部件，几乎可以实现手机的所有功能，能够满足铁塔监测系统的应用需求。

SIM7100C的接口包括：USB接口、UART接口、MMC/SD和SDIO接口、USIM接口、GPIO、ADC、LDO电源输出、电流源、PCM接口、键盘接口、SPI接口、I2C接口等。本系统使用UART接口、USIM接口及GPIO接口。SIM7100的电源引脚包括4个VBAT引脚。VBAT直接为RF、PA和基带系统提供电源，对于VBAT，由于纹波GSM/GPRS发射可能导致电压下降，且电流消耗上升通常会达到2 A的峰值，因此电源提供高达 2 A以上的电流。

SIM7100提供了一个UART（通用异步串行传输）端，为了满足RS232协议与数据传输协议一致，设计中使用RS232电平转换芯片MAX3232连接SIM7100的RS232接口。SIM7100C作为DCE（数据通信设备），ARM-Linux作为DTE（数据终端设备），通过UART接口执行串行通信，并通过输入AT命令对SIM7100C进行操作。SIM7100C与RS232接口电路设计如图7所示。

为保证SIM卡可稳定接收信号，SIM外围电路靠近SIM卡槽采用ESD保护组件，保护SIM卡。

图7 SIM7100C与RS232接口电路

5 北斗卫星信号接收机匹配电路

基于北斗的铁路通信铁塔倾斜检测系统采用天宝BD930高精度定位板卡，支持GPS、GLONASS、Galileo和北斗四星信号接收。BD930具有最快的RTK初始化速度，内置卡尔曼滤波PVT引擎，能迅速实现1～2 cm的定位精度。BD930主要用于接收来自卫星的信号，并通过SIM7100C的4G功能与CORS站建立通信获取差分信息，发送给ARM-Linux系统进行倾角解算。

5.1 BD930接收机的RS232串口

BD930接收机的RTK_COM4与Tiny210核心板的RS232第一串口相连接，进行数据通信，BD930输出的定位GGA信息通过标准RS232协议输出。BD930接收机同时接收北斗天线的基础定位信息和来自CORS站的误差信息，经过解算得到精确定位信息并以RS232方式输出至ARM核心板。

5.2 BD930接收机以太网口

BD930接收机通过以太网口登录WEB界面对接收机进行配置。以太网由RJ45接口、HX1188网络滤波器及SLVU2.8-4 TVS阵列管组成。BD930的以太网接口电路如图8所示。

图8 BD930的以太网接口电路

6 结语

基于北斗的通信铁塔监测系统采用北斗定位技术，获得铁塔实时位置，通过倾斜算法解算铁塔实时位移、倾斜角和垂直度，上位机结合相关标准制定报警策略。系统集成风速风向监测，预留振动监测接口。在电路设计中，充分利用核心板的接口群，将多个传感器监测信息接入数据处理和传输箱，数据处理单元对监测数据进行相关解算和输出。各传感器与数据处理单元之间采用RS485通信模式，保证数据传输的抗干扰性。电路设计简单，可靠性高，数据传输和处理不经过复杂电路，保证了数据传输效率，能够满足铁塔监测系统功能需求。该电路的设计在电磁兼容、电路板抗干扰能力、自我监视能力等方面还有待进一步细化提高。

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On the basis of the real time high precision dynamic phase differential positioning technology, researches are made on a remote online health diagnosis system adopted for monitoring of GSM-R communication safety. The system is able to obtain the real-time position of the tower through the BeiDou Navigation System, calculate the real-time displacement, inclination angle and verticality of the tower, and integrate the monitoring of the real-time wind speed and direction around the environment where the tower is locating. The system is simple for circuit design with higher reliability, and is able to meet the requirements for monitoring of communication towers.

BeiDou Positioning; Tower monitoring; interface circuit; power supply circuit; communication module circuit

U285.24

B

1007-936X(2018)02-0070-04

2017-07-07

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.02.019

李芝宏.中铁电气化局集团有限公司智能交通与安全技术公司，助理工程师；王昕煜，常媛媛.中铁电气化局集团有限公司智能交通与安全技术公司，高级工程师。