基于碼分多址（CDMA）的地鐵維護用車載無線通信系統

王 磊 劉 正 閻 莉 沈 潔 黃鳳辰 李臣明

（1.中國中車浦鎮車輛有限公司，210031，南京；2.河海大學計算機信息學院，211100，南京∥第一作者，工程師）

現有地鐵車輛主要采用車載控制與管理裝置進行故障監測，列車維護時主要是基于車輛存儲的故障數據進行分析和診斷。近年來，為了提高對車輛故障診斷的實時性，采用遠程在線診斷方式成為一個重要的發展方向。

目前無線數據傳輸技術主要有GSM（全球移動通信）、GPRS（通用分組無線服務技術）、CDMA（碼分多址）2000、TD－SCDMA 等。與其他技術相比，CDMA2000有非常大的優勢，具體表現在以下各方面［5］：頻率規劃簡單，覆蓋半徑大，覆蓋相同區域所需基站數目更少。另外，CDMA2000網絡在室內覆蓋和高速移動中能保持穩定通信，更適合地鐵車輛通信的要求。因此本文選擇CDMA2000網絡，通過其分組數據業務完成與地面之間的信息傳輸。

本文設計了針對運行中地鐵車輛狀態記錄數據進行實時無線傳輸方案，將地鐵車輛設備實時信息（如車門系統、空調系統的狀態信息及事件信息等）通過CDMA2000網絡發送至地面，地面將對這些信息進行分析，診斷列車故障，并向列車終端發送操作信息或其他指令信息，指導司控人員對列車進行操作和維護，保障行車安全，為地鐵車輛維護工作提供支持。

1 系統總體介紹

基于CDMA的地鐵車輛維護用車載無線通信系統，主要由車載設備、CDMA2000網絡、地面監控中心三部分構成。系統將車載設備的狀態信息等按照實時性、優先級等要求通過CDMA2000網絡發送至地面接收單元進行處理，可提高實時信息的發送速率；同時，接收地面發來指令信息并在車輛終端設備顯示［6］。車載無線通信系統功能框圖如圖1所示。

圖1 車載無線通信系統圖

2 數據幀格式

車載數據種類多，信息量大［5］，主要包括實時故障數據、實時運行數據、實時故障通報數據、非實時運用數據、自診斷與日志數據等［8］。

基于CDMA 的地鐵車輛維護用車載無線通信系統發送數據至地面時所使用的數據幀格式如圖2所示。

圖2 車載信息數據幀格式

（1）電路板序列號32位。用硬件實現標識每一個電路板的標簽，標簽上有唯一的序列號。根據數據中的序列號和對應關系可以判斷接收數據的來源（城市、線號、車號等）。

（2）幀種類2位。“00”為車輛信息，“01”為地面請求信息反饋信息。

（3）總線上的車輛報文32－272位。該報文為從車輛總線上采集的每一個報文數據。

（4）優先級4位。根據TCMS（列車控制管理系統）的周期掃描表［9］，可針對不同重要性的報文確定不同的優先級，針對不同優先級的數據采用不同的處理方式。

（5）時間標記27位。為了地面可以按時間處理報文或事件，發送每一個報文數據必須給定時間標記。時間標記包括 h（5位）、min（6 位）、s（6 位）和 ms（10位）。

基于CDMA 的地鐵車輛維護用車載無線通信系統發送數據至地面時所使用的數據幀格式如圖3所示。

圖3 地面信息數據幀格式

（1）幀種類2位。“10”為地面指令信息，“11”為地面請求信息。

（2）報文12位。該報文為地面指令信息和地面請求端口號信息。

1825年，世界上第一條鐵路應運而生，時隔85年后的1910年滇越鐵路滇段正式通車運營，讓云南與世界聯通，成為我國最早擁有鐵路的地區之一。

（3）優先級4位。可針對不同重要性的報文確定不同的優先級，針對不同優先級的數據采用不同的處理方式。

（4）時間標記27位。時間標記包括h（5位）、min（6位）、s（6位）和 ms（10位）。

3 系統硬件設計

3.1 系統框圖

圖4是基于CDMA 的地鐵車輛維護用車載無線通信系統的原理框圖。總線控制器模塊主要負責從地鐵車輛總線上采集數據并對數據進行監控，若某些數據發生異常，通過SPI（中行外設接口）［10］與主處理器進行主從通信，立即將異常數據發送至地面控制中心。平板電腦的主要功能包括兩部分：一是存儲車輛的故障信息，方便車輛的維護和保養；二是作為人機交互模塊主要用來顯示地面指令信息，供駕駛員進行操作。主處理器作為中央處理單元，控制整個系統。接口轉換模塊將SPI接口轉換成UART（通用異步傳輸器）接口，為主處理器與CDMA 模塊之間建立通信通道。CDMA 模塊為車地間數據通信提供無線網絡，將車輛的實時運行狀態發送至地面處理中心，并可接收來自地面的指令信息。

圖4 系統原理框圖

3.2 電路設計

圖5是控制器接口電路原理圖。本文選用Atmel公司生產的 ATxmega384C3 型號 AVR 微處理器ATxmega384C3－AU控制實時信息發送與接收模塊，該型號的微處理器具有性能好、功耗低、外圍豐富等特點，在一個時鐘周期內，CPU 吞吐量可到達1 000 000 MIPS，并允許優化功耗和處理速度。由于微處理器部分接口為SPI接口，而CDMA 模塊是UART接口，因此，微處理器ATxmega384C3 通過接口轉換芯片XR20M1170G24 與 CDMA 模 塊 進 行 通 信，XR20M1170G24將SPI接口轉換成UART接口。

CDMA 模塊采用華為技術有限公司提供的HUAWEIMC703 芯片，該芯片支持 CDMA 800／1900頻段；支持天線分集接收；支持GPS（全球定位系統）；支持語音、短信、數據等業務；提供豐富的用戶信號接口；支持標準AT（自耦變壓器）指令集和HUAWEI擴展AT 指令集；符合RoHS環保認證要求。

圖5 控制器接口電路原理圖

微控制器ATXMEGA384C3－AU 一方面將已采集到的車輛信息根據優先級、實時性等要求，發送至接口轉換芯片XR20M11701G24，接口轉換芯片再通過UART 接口將數據發送至CDMA 芯片HUAWEIMC703，CDMA 芯片再將數據發送至公共移動網絡，以實現將實時性強且優先級高的數據發送出去。另一方面，CDMA 芯片接收來自公共移動網絡的數據，并發送到接口轉換芯片，接口轉換芯片再將數據發送至微控制器處理。

由于車載無線通信系統硬件電路中各個芯片的額定電源電壓不同，故電源電路采用電壓轉換芯片。如圖6所示，首先將交流電通過USB 接口供電，經過濾波后由電壓轉換芯片MAX1837EUT33－T 將電壓降至3.3 V（VCC－1）為微控制器和接口轉換芯片供電。另外，由電壓轉換芯片MAX1745EUB將電壓降至3.8 V（VCC－2），為CDMA 模塊供電。

圖6 車載無線通信系統硬件電源電路圖

4 數據發送與接收流程

圖7是車載無線通信系統數據發送流程圖。

圖7 車載無線通信系統數據發送流程圖

具體步驟如下：

（1）獲取待發送的車載信息。

（2）輪詢車載信息，按照數據優先級、實時性排列，存入暫存隊列。車輛總線上的某些信息會嚴重威脅行車安全（如火警信息），必須優先發送至地面，所以設置信息高優先級。系統對具有高優先級的數據按照其優先級的大小進行暫存，其中，具有相同優先級的數據，按照實時性進行排列，發送數據時，優先級高且實時性好的數據優先通過CDMA2000網絡發送至地面接收單元。

（3）使用CDMA2000網絡發送數據。

（4）判斷數據發送是否完成。若未完成，則繼續發送至完成；若發送完成，則轉步驟（5）。

（5）判斷暫存隊列中是否還有數據需要發送。若有數據需要發送，則返回步驟（2），再次輪詢車載信息；若無數據需要發送，則返回步驟（1）。

車載無線通信系統數據接收流程圖如圖8所示，具體步驟如下：

（1）判斷是否有來自地面的信息需要接收。

（2）使用CDMA2000網絡接收數據。

（3）判斷數據接收是否完成。若未完成，則繼續接收數據至完成；若完成，則轉步驟（4）。

圖8 車載無線通信系統數據流程圖

（4）判斷接收的數據是否是地面指令信息。若是，則在車輛終端平板電腦上進行顯示，供駕駛員進行操作；若不是，則說明為地面請求信息，轉步驟（5）。

（5）按照信息的優先級進行排列，發送至總線控制模塊進行處理。

5 試驗

為驗證車載無線通信系統的性能，在機車終端設備與地面系統之間進行數據收發測試試驗。首先，機車終端設備發送數據至通信板，通信板連接工程中心的數據庫存儲，再通過工程中心轉發數據至地面系統，形成車地通信系統數據收發的一個整體過程。測試過程中，發送一定數量的數據包，通過多次長時間的通信測試得到的測試結果，如表1所示。

表1 車載通信系統丟包率與時延

由表1 可知，基于CDMA 的車載無線通信系統的通信時延是相當小的，且丟包率為0，體現了該通信系統在實時性、準確性方面的優勢。

6 結語

本文設計了一種基于CDMA 的地鐵車輛維護用車載無線通信系統。本系統一方面可將采集到的機車運行時的故障和狀態信息，按照優先級、實時性等要求及時可靠地發送至地面進行分析處理；另一方面，可接收來自地面的指令信息及其他信息，并將指令信息在車輛智能終端顯示，以供駕駛員進行相應操作。通過測試試驗，體現了本系統在實時性和準確率方面的性能。基于CDMA 的車載無線通信系統有助于提高車地通信的可靠性，提高地鐵車輛維護工作的效率，保障行車安全。

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