李芝宏，王昕煜，常媛媛

?

基于北斗的通信鐵塔監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測終端電路設(shè)計

李芝宏，王昕煜，常媛媛

基于北斗實時高精度動態(tài)相位差分定位技術(shù)，研究應(yīng)用于GSM-R通信鐵塔安全監(jiān)測的遠(yuǎn)程在線健康診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(huán)境實時風(fēng)速風(fēng)向的監(jiān)測。該系統(tǒng)電路設(shè)計簡單，可靠性高，可滿足鐵塔監(jiān)測功能。

北斗定位；鐵塔監(jiān)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(tǒng)（GSM-R）的重要基礎(chǔ)設(shè)施，隨著我國高速鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，鐵路無線通信鐵塔的數(shù)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(jié)構(gòu)塔，在露天無遮擋的野外環(huán)境中長期使用，易發(fā)生傾斜倒塌危險，嚴(yán)重影響鐵路正常運營，威脅周邊人群、設(shè)備和行車安全。

1 系統(tǒng)簡介及組成

基于北斗的通信鐵塔健康遠(yuǎn)程監(jiān)測與主動探測系統(tǒng)，以北斗RTK高精度差分定位技術(shù)為基礎(chǔ)，與待監(jiān)測鐵塔一體的北斗衛(wèi)星定位測量天線實時與北斗衛(wèi)星進(jìn)行通信。測量天線接收機接收衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)的同時，接收地面基準(zhǔn)站定位數(shù)據(jù)校準(zhǔn)值，實時解算天線精確位置；監(jiān)測終端根據(jù)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(tǒng)通過有線或無線通信系統(tǒng)獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)，完成報警提示、數(shù)據(jù)存儲、查詢等功能。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

基于北斗的鐵路通信鐵塔遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其硬件系統(tǒng)主要由地面CORS站、塔上監(jiān)測終端、定位天線和風(fēng)速風(fēng)向計組成。鐵塔遠(yuǎn)程監(jiān)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(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)上電運行后，ARM向7100C發(fā)出注冊4G鏈路命令，通信模塊與基準(zhǔn)站服務(wù)器建立穩(wěn)定連接后，7100C模塊進(jìn)入透傳工作模式，通信模塊將其從服務(wù)器獲取的差分信息直接發(fā)送給BD930接收機。經(jīng)解算，接收機將高精度定位信息發(fā)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(shù)據(jù)輸出。

監(jiān)測終端硬件組成如圖2所示。

圖2 監(jiān)測終端系統(tǒng)模塊硬件組成

2 電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

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

本系統(tǒng)電路所需功率及輸入輸出電壓差較大，因此選用開關(guān)電源模塊。整套系統(tǒng)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(guān)電壓調(diào)節(jié)器LM2596對輸入電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

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

圖3 5 V供電電路

3 ARM-Linux系統(tǒng)電路設(shè)計

ARM-Linux系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著整個電路的主要控制和數(shù)據(jù)解算任務(wù)，其主控制芯片的高性能可以增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，使系統(tǒng)功能更強大。該系統(tǒng)的硬件部分主要包括電源模塊、復(fù)位電路、RS232及RS485通信接口等電路模塊。

系統(tǒng)采用核心板加擴展板的設(shè)計思想，利用核心板提供的接口擴展系統(tǒng)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(shù)據(jù)線、讀寫線、片選線、中斷線、各外設(shè)接口線、IO信號線等。Tiny210核心板主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 Tiny210核心板主要技術(shù)指標(biāo)

3.1 復(fù)位電路

為提高系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性，設(shè)計復(fù)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(tǒng)進(jìn)行，因此必須保證ARM-Linux系統(tǒng)與4G通信模塊同時復(fù)位，該復(fù)位信號同時與4G通信模塊的復(fù)位引腳相連，確保2個模塊可同時復(fù)位。

圖4 復(fù)位電路

3.2 RS232及RS485通信接口

串行通信使用電子工業(yè)協(xié)會（EIA）推薦的RS232標(biāo)準(zhǔn)，為一種常用串行數(shù)據(jù)傳輸總線標(biāo)準(zhǔn)，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(shù)據(jù)接收）、TXD（數(shù)據(jù)發(fā)送）、GND接通。由于RS232標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)邏輯“1”對應(yīng)2～3.3 V電平，標(biāo)準(zhǔn)邏輯“0”對應(yīng)0～0.4 V電平，而RS232標(biāo)準(zhǔn)采用負(fù)邏輯方式，標(biāo)準(zhǔn)邏輯“1”對應(yīng)-5～-15 V電平，標(biāo)準(zhǔn)邏輯“0”對應(yīng)+5～+15 V電平，兩者之間進(jìn)行通信必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換。通常電平轉(zhuǎn)換使用分離元件設(shè)計制作，但分離元件設(shè)計的電路復(fù)雜，抗干擾能力差，本系統(tǒng)使用專用電平轉(zhuǎn)換芯片，利用其體積小、連接簡單、抗靜電能力強等特點。系統(tǒng)電路設(shè)計采用MAXIM公司的專用集成芯片MAX3232作為電平轉(zhuǎn)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(nèi)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(tǒng)軟件調(diào)試用接口，XuRXD1/XuTXD1是與BD930進(jìn)行差分?jǐn)?shù)據(jù)通信的串口，XuRXD2/XuTXD2是用于連接系統(tǒng)與上位機的串口，XuRXD3/XuTXD3是將系統(tǒng)與4G通信模塊建立連接的串口。系統(tǒng)串口連接結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)串口連接示意圖

鐵塔監(jiān)測系統(tǒng)下位機與上位機之間的通信屬于長距離通信，如果繼續(xù)采用RS232進(jìn)行通信，無法保證信號質(zhì)量，因此下位機設(shè)備與上位機之間的通信采用RS485。RS485的通信距離可以達(dá)到 1 200 m，完全滿足實際應(yīng)用需求。同時RS485采用半雙工通信方式，可在同一時刻進(jìn)行接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，因此利用Tiny210的一個IO口（XuCTSn1）對其進(jìn)行控制：XuCTSn1置高電平時，處于發(fā)送狀態(tài)；XuCTSn1置低電平時，處于接收狀態(tài)。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(yè)模塊芯片，是工業(yè)控制中GSM/GPRS的核心部件，幾乎可以實現(xiàn)手機的所有功能，能夠滿足鐵塔監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)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(tǒng)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(tǒng)提供電源，對于VBAT，由于紋波GSM/GPRS發(fā)射可能導(dǎo)致電壓下降，且電流消耗上升通常會達(dá)到2 A的峰值，因此電源提供高達(dá) 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(xié)議與數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議一致，設(shè)計中使用RS232電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232連接SIM7100的RS232接口。SIM7100C作為DCE（數(shù)據(jù)通信設(shè)備），ARM-Linux作為DTE（數(shù)據(jù)終端設(shè)備），通過UART接口執(zhí)行串行通信，并通過輸入AT命令對SIM7100C進(jìn)行操作。SIM7100C與RS232接口電路設(shè)計如圖7所示。

為保證SIM卡可穩(wěn)定接收信號，SIM外圍電路靠近SIM卡槽采用ESD保護(hù)組件，保護(hù)SIM卡。

圖7 SIM7100C與RS232接口電路

5 北斗衛(wèi)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(tǒng)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(nèi)置卡爾曼濾波PVT引擎，能迅速實現(xiàn)1～2 cm的定位精度。BD930主要用于接收來自衛(wèi)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(fā)送給ARM-Linux系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)通信，BD930輸出的定位GGA信息通過標(biāo)準(zhǔn)RS232協(xié)議輸出。BD930接收機同時接收北斗天線的基礎(chǔ)定位信息和來自CORS站的誤差信息，經(jīng)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(wǎng)口

BD930接收機通過以太網(wǎng)口登錄WEB界面對接收機進(jìn)行配置。以太網(wǎng)由RJ45接口、HX1188網(wǎng)絡(luò)濾波器及SLVU2.8-4 TVS陣列管組成。BD930的以太網(wǎng)接口電路如圖8所示。

圖8 BD930的以太網(wǎng)接口電路

6 結(jié)語

基于北斗的通信鐵塔監(jiān)測系統(tǒng)采用北斗定位技術(shù)，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(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定報警策略。系統(tǒng)集成風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測，預(yù)留振動監(jiān)測接口。在電路設(shè)計中，充分利用核心板的接口群，將多個傳感器監(jiān)測信息接入數(shù)據(jù)處理和傳輸箱，數(shù)據(jù)處理單元對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)解算和輸出。各傳感器與數(shù)據(jù)處理單元之間采用RS485通信模式，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_性。電路設(shè)計簡單，可靠性高，數(shù)據(jù)傳輸和處理不經(jīng)過復(fù)雜電路，保證了數(shù)據(jù)傳輸效率，能夠滿足鐵塔監(jiān)測系統(tǒng)功能需求。該電路的設(shè)計在電磁兼容、電路板抗干擾能力、自我監(jiān)視能力等方面還有待進(jìn)一步細(xì)化提高。

[1] 趙龍. 北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 西安電子科技大學(xué)，2014.

[2] 石衛(wèi)平. 國外衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J]. 航天控制，2004，22（4）：30-35.

[3] 屈克文，石奮蘇. 基于ARM_Linux的旋轉(zhuǎn)編碼器接口與驅(qū)動程序的設(shè)計[J]. 計算機應(yīng)用，2011，31（s2）：156-158.

[4] 曹慶年，趙博，孟開元. 基于ARM9的嵌入式Linux網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 西北大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，39（1）：47-50.

[5] 龐春穎，趙春華，金陽. 基于ARM的多通信方式的監(jiān)護(hù)儀設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報，2013，32（1）：7-13.

[6] 白永強，劉志勇，孫常勝，等. 基于ARM和Linux的嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計核心技術(shù)[J]. 火炮發(fā)射與控制學(xué)報，2006（1）：65-68.

[7] 閆廣續(xù)，袁縱橫，周小林，等. 基于ARM嵌入式Linux的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J]. 計算機測量與控制，2015，23（5）：1724-1727.

[8] 張婉明，李琦，李金海，等. 基于ARM與FPGA的便攜式GNSS信號采集回放系統(tǒng)設(shè)計[J]. 嵌入式技術(shù)，2016，42（10）：58-61.

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