基于北斗的通信鐵塔監測系統監測終端電路設計

李芝宏，王昕煜，常媛媛

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基于北斗的通信鐵塔監測系統監測終端電路設計

李芝宏，王昕煜，常媛媛

基于北斗實時高精度動態相位差分定位技術，研究應用于GSM-R通信鐵塔安全監測的遠程在線健康診斷系統。該系統通過北斗定位可獲得鐵塔實時位置，通過傾斜算法算出鐵塔實時位移、傾斜角和垂直度，并集成對鐵塔所在環境實時風速風向的監測。該系統電路設計簡單，可靠性高，可滿足鐵塔監測功能。

北斗定位；鐵塔監測；接口電路；供電電路；通信模塊電路

0 引言

鐵路通信塔是鐵路沿線無線通信系統（GSM-R）的重要基礎設施，隨著我國高速鐵路建設的快速發展，鐵路無線通信鐵塔的數量大幅增加，其無故障運行對保證鐵路沿線無線信號覆蓋、車地通信暢通以及保障鐵路運輸安全均具有重要意義。鐵路通信塔多為大型鋼結構塔，在露天無遮擋的野外環境中長期使用，易發生傾斜倒塌危險，嚴重影響鐵路正常運營，威脅周邊人群、設備和行車安全。

1 系統簡介及組成

基于北斗的通信鐵塔健康遠程監測與主動探測系統，以北斗RTK高精度差分定位技術為基礎，與待監測鐵塔一體的北斗衛星定位測量天線實時與北斗衛星進行通信。測量天線接收機接收衛星定位數據的同時，接收地面基準站定位數據校準值，實時解算天線精確位置；監測終端根據天線精確位置計算測量天線實時位移、傾斜角和垂直度；上位機系統通過有線或無線通信系統獲得監測數據，完成報警提示、數據存儲、查詢等功能。系統總體結構如圖1所示。

基于北斗的鐵路通信鐵塔遠程監測系統，其硬件系統主要由地面CORS站、塔上監測終端、定位天線和風速風向計組成。鐵塔遠程監測終端板卡主要由ARM核心板、RS485/232芯片、BD930高精度定位芯片和7100C無線通信芯片組成。

圖1 系統總體結構

系統上電運行后，ARM向7100C發出注冊4G鏈路命令，通信模塊與基準站服務器建立穩定連接后，7100C模塊進入透傳工作模式，通信模塊將其從服務器獲取的差分信息直接發送給BD930接收機。經解算，接收機將高精度定位信息發送給ARM的傾角解算核心程序，由核心程序完成傾角解算和數據輸出。

監測終端硬件組成如圖2所示。

圖2 監測終端系統模塊硬件組成

2 電源轉換電路設計

電源模塊有線性穩壓器和開關電源模塊2種。線性穩壓器的特點是輸出品質好，外電路簡單，但當輸入輸出電壓差較大時，其輸出功率將受到很大影響；開關電源模塊輸出功率受輸入輸出電壓差影響較小，但品質稍差，外部電路也較復雜。

本系統電路所需功率及輸入輸出電壓差較大，因此選用開關電源模塊。整套系統所需電壓為3.3、3.8及5 V，且對電流輸入有一定要求，因此選擇開關電壓調節器LM2596對輸入電壓進行轉換。

LM2596開關電壓調節器采用降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3 A的驅動電流，同時具有很好的線性和負載調節特性。固定輸出版本有3.3、5、12 V及可調ADJ（可以輸出小于37 V的各種電壓）。設計選取3.3、5 V及ADJ（輸出 3.8 V）3個版本的LM2596，該器件內部集成頻率補償和固定頻率發生器，開關頻率為150 kHz。與低頻開關調節器相比較，使用更小規格的濾波元件及通用的標準電感優化LM2596，極大地簡化了開關電源電路的設計，在特定輸入電壓和輸出負載條件下，輸出電壓的誤差可保證在±4%范圍內，振蕩頻率誤差在±15%范圍內。5 V供電電路設計如圖3所示。

圖3 5 V供電電路

3 ARM-Linux系統電路設計

ARM-Linux系統擔負著整個電路的主要控制和數據解算任務，其主控制芯片的高性能可以增強系統的穩定性、可靠性，使系統功能更強大。該系統的硬件部分主要包括電源模塊、復位電路、RS232及RS485通信接口等電路模塊。

系統采用核心板加擴展板的設計思想，利用核心板提供的接口擴展系統所需的其他模塊。核心板采用友善之臂的Tiny210。Tiny210核心板集成了S5PV210、SDRAM、Nand Flash以及晶振模塊，通過引腳的插卡式連接器與擴展板相連。核心板共有150條接口線，其中包含電源線、地線、用戶擴展可能需要使用的地址線、數據線、讀寫線、片選線、中斷線、各外設接口線、IO信號線等。Tiny210核心板主要技術指標如表1所示。

表1 Tiny210核心板主要技術指標

3.1 復位電路

為提高系統的可靠性及穩定性，設計復位電路，如圖4所示。

4G模塊的一系列操作指令均通過ARM-Linux系統進行，因此必須保證ARM-Linux系統與4G通信模塊同時復位，該復位信號同時與4G通信模塊的復位引腳相連，確保2個模塊可同時復位。

圖4 復位電路

3.2 RS232及RS485通信接口

串行通信使用電子工業協會（EIA）推薦的RS232標準，為一種常用串行數據傳輸總線標準，幾乎所有微控制器PC機都提供串行接口。完成最基本的串行通信功能，只需將RXD（數據接收）、TXD（數據發送）、GND接通。由于RS232標準所定義的高、低電平信號與S5PV210芯片的TTL電路所定義的高、低電平信號完全不同，TTL的標準邏輯“1”對應2～3.3 V電平，標準邏輯“0”對應0～0.4 V電平，而RS232標準采用負邏輯方式，標準邏輯“1”對應-5～-15 V電平，標準邏輯“0”對應+5～+15 V電平，兩者之間進行通信必須經過電平轉換。通常電平轉換使用分離元件設計制作，但分離元件設計的電路復雜，抗干擾能力差，本系統使用專用電平轉換芯片，利用其體積小、連接簡單、抗靜電能力強等特點。系統電路設計采用MAXIM公司的專用集成芯片MAX3232作為電平轉換的接口電路，該芯片兼容3～5.5 V的電平，可直接與3.3 V的Tiny210連接。

Tiny210內置4個異步串口，分別為XuRXD0/ XuTXD0、XuRXD1/XuTXD1、XuRXD2/ XuTXD2、XuRXD3/XuTXD3，其中XuRXD0/XuTXD0是系統軟件調試用接口，XuRXD1/XuTXD1是與BD930進行差分數據通信的串口，XuRXD2/XuTXD2是用于連接系統與上位機的串口，XuRXD3/XuTXD3是將系統與4G通信模塊建立連接的串口。系統串口連接結構如圖5所示。

圖5 系統串口連接示意圖

鐵塔監測系統下位機與上位機之間的通信屬于長距離通信，如果繼續采用RS232進行通信，無法保證信號質量，因此下位機設備與上位機之間的通信采用RS485。RS485的通信距離可以達到 1 200 m，完全滿足實際應用需求。同時RS485采用半雙工通信方式，可在同一時刻進行接收和發送數據，因此利用Tiny210的一個IO口（XuCTSn1）對其進行控制：XuCTSn1置高電平時，處于發送狀態；XuCTSn1置低電平時，處于接收狀態。RS485接口電路如圖6所示。

圖6 Tiny210 RS485接口電路

4 通信模塊

4G通信模塊采用SIMCOM公司的SIM7100C芯片。SIM7100C是一款工業模塊芯片，是工業控制中GSM/GPRS的核心部件，幾乎可以實現手機的所有功能，能夠滿足鐵塔監測系統的應用需求。

SIM7100C的接口包括：USB接口、UART接口、MMC/SD和SDIO接口、USIM接口、GPIO、ADC、LDO電源輸出、電流源、PCM接口、鍵盤接口、SPI接口、I2C接口等。本系統使用UART接口、USIM接口及GPIO接口。SIM7100的電源引腳包括4個VBAT引腳。VBAT直接為RF、PA和基帶系統提供電源，對于VBAT，由于紋波GSM/GPRS發射可能導致電壓下降，且電流消耗上升通常會達到2 A的峰值，因此電源提供高達 2 A以上的電流。

SIM7100提供了一個UART（通用異步串行傳輸）端，為了滿足RS232協議與數據傳輸協議一致，設計中使用RS232電平轉換芯片MAX3232連接SIM7100的RS232接口。SIM7100C作為DCE（數據通信設備），ARM-Linux作為DTE（數據終端設備），通過UART接口執行串行通信，并通過輸入AT命令對SIM7100C進行操作。SIM7100C與RS232接口電路設計如圖7所示。

為保證SIM卡可穩定接收信號，SIM外圍電路靠近SIM卡槽采用ESD保護組件，保護SIM卡。

圖7 SIM7100C與RS232接口電路

5 北斗衛星信號接收機匹配電路

基于北斗的鐵路通信鐵塔傾斜檢測系統采用天寶BD930高精度定位板卡，支持GPS、GLONASS、Galileo和北斗四星信號接收。BD930具有最快的RTK初始化速度，內置卡爾曼濾波PVT引擎，能迅速實現1～2 cm的定位精度。BD930主要用于接收來自衛星的信號，并通過SIM7100C的4G功能與CORS站建立通信獲取差分信息，發送給ARM-Linux系統進行傾角解算。

5.1 BD930接收機的RS232串口

BD930接收機的RTK_COM4與Tiny210核心板的RS232第一串口相連接，進行數據通信，BD930輸出的定位GGA信息通過標準RS232協議輸出。BD930接收機同時接收北斗天線的基礎定位信息和來自CORS站的誤差信息，經過解算得到精確定位信息并以RS232方式輸出至ARM核心板。

5.2 BD930接收機以太網口

BD930接收機通過以太網口登錄WEB界面對接收機進行配置。以太網由RJ45接口、HX1188網絡濾波器及SLVU2.8-4 TVS陣列管組成。BD930的以太網接口電路如圖8所示。

圖8 BD930的以太網接口電路

6 結語

基于北斗的通信鐵塔監測系統采用北斗定位技術，獲得鐵塔實時位置，通過傾斜算法解算鐵塔實時位移、傾斜角和垂直度，上位機結合相關標準制定報警策略。系統集成風速風向監測，預留振動監測接口。在電路設計中，充分利用核心板的接口群，將多個傳感器監測信息接入數據處理和傳輸箱，數據處理單元對監測數據進行相關解算和輸出。各傳感器與數據處理單元之間采用RS485通信模式，保證數據傳輸的抗干擾性。電路設計簡單，可靠性高，數據傳輸和處理不經過復雜電路，保證了數據傳輸效率，能夠滿足鐵塔監測系統功能需求。該電路的設計在電磁兼容、電路板抗干擾能力、自我監視能力等方面還有待進一步細化提高。

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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.中鐵電氣化局集團有限公司智能交通與安全技術公司，助理工程師；王昕煜，常媛媛.中鐵電氣化局集團有限公司智能交通與安全技術公司，高級工程師。