地鐵列車乘客緊急報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：在地鐵列車乘客緊急報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，采用AT89C52實(shí)現(xiàn)主控制邏輯，報(bào)警主機(jī)和分機(jī)之間的通信使用基于MT8888的DTMF通信，并使用EPM1270實(shí)現(xiàn)CRC8算法，提高了通信的安全性和可靠性。該系統(tǒng)具有存儲功能，利用自行設(shè)計(jì)的鍵盤可實(shí)現(xiàn)格式化存儲器。
關(guān)鍵詞：MT8888；DTMF通信；CRC8算法；EPM1270；格式化存儲器

引言
    隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，乘客對列車的舒適度和安全性提出越來越高的要求。對于上海地鐵1、2號線舊型直流驅(qū)動列車，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)。基于這種防災(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)測到按鈕動作后，會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)警燈對應(yīng)按鈕，主機(jī)監(jiān)測到確認(rèn)動作后關(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、存儲控制模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊等。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    報(bào)警分機(jī)相對簡單，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)先級依次運(yùn)行。定時(shí)器和
中斷資源分配如表1所列。

    對于中斷優(yōu)先級的考慮：
    ①與人機(jī)接口有關(guān)的中斷，其優(yōu)先級為高；
    ②為了保證串行通信的質(zhì)量，其優(yōu)先級為高；
    ③外部中斷采用較低級的中斷，其優(yōu)先級為低(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。
   
   
    DTMF通信每次收發(fā)只能處理4位數(shù)據(jù)，但是對于實(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)會自動向主機(jī)發(fā)送健康信息，主機(jī)收到該信息后會在界面上點(diǎn)亮對應(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，簡記為0x31。
    通信協(xié)議的詳細(xì)定義如下：
    ①上電自檢信息格式(3字節(jié))
    報(bào)頭(1字節(jié))：FB
    報(bào)文：車廂號(半字節(jié))+分機(jī)號(半字節(jié))
    CRC(1字節(jié))：CRC8
    ②報(bào)警信息格式(3字節(jié))
    報(bào)頭(1字節(jié))：EA
    報(bào)文：車廂號(半字節(jié))+分機(jī)號(半字節(jié))
    CRC(1字節(jié))：CRC8
    ③報(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(半字節(jié))+分機(jī)號(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。
   
   
    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的存儲管理
    存儲芯片使用的是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。

    基于以上提供的記錄格式，存儲空間做如下劃分：
    ◆000H，存儲待寫入記錄的上下半?yún)^(qū)地址；
    ◆001H，存儲待寫入記錄的半?yún)^(qū)內(nèi)地址；
    ◆002H～007H，預(yù)留；
    ◆008H～1FFH，存儲報(bào)警信息記錄。
    所以，存儲器能夠存儲的報(bào)警信息的總數(shù)為(512-8)／7=72條。當(dāng)存儲器存滿之后，系統(tǒng)會自動覆蓋最早的一條記錄，從而循環(huán)利用存儲器空間。之所以會這樣考慮，主要是因?yàn)榈罔F緊急報(bào)警系統(tǒng)是在極個(gè)別情況下才會使用的，所以真正使用的頻率可能會比較低。
    存儲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丟失(包括存儲器的使用情況)，當(dāng)系統(tǒng)再次上電復(fù)位后，系統(tǒng)就無法知道從存儲器的哪個(gè)字節(jié)開始存儲信息。所以，需要把存儲器的使用情況存儲在存儲器上(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，從而正確使用存儲器。但是，在這種情況下，需要在使用系統(tǒng)前對存儲器進(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器。
    格式化命令：
    ①按下第一行左數(shù)最后一個(gè)鍵，A2-1；
    ②按下第二行左數(shù)第一個(gè)鍵，A1-2；
    ③按“回車”鍵。
    這時(shí)，LED屏?xí)@示“-F-F-F”，這表示報(bào)警主機(jī)正在對X25045進(jìn)行格式化。當(dāng)格式化結(jié)束后，LED屏?xí)詣犹氐綍r(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。
    地鐵項(xiàng)目的實(shí)施需要以高安全、高可靠的技術(shù)為基礎(chǔ)，本文描述的項(xiàng)目從硬件和軟件兩方面著重考慮安全因素，并在幾十列列車上實(shí)際安裝使用，司機(jī)和乘客均反映良好。