基于码分多址（CDMA）的地铁维护用车载无线通信系统

王 磊 刘 正 阎 莉 沈 洁 黄凤辰 李臣明

（1.中国中车浦镇车辆有限公司，210031，南京；2.河海大学计算机信息学院，211100，南京∥第一作者，工程师）

现有地铁车辆主要采用车载控制与管理装置进行故障监测，列车维护时主要是基于车辆存储的故障数据进行分析和诊断。近年来，为了提高对车辆故障诊断的实时性，采用远程在线诊断方式成为一个重要的发展方向。

目前无线数据传输技术主要有GSM（全球移动通信）、GPRS（通用分组无线服务技术）、CDMA（码分多址）2000、TD－SCDMA 等。与其他技术相比，CDMA2000有非常大的优势，具体表现在以下各方面［5］：频率规划简单，覆盖半径大，覆盖相同区域所需基站数目更少。另外，CDMA2000网络在室内覆盖和高速移动中能保持稳定通信，更适合地铁车辆通信的要求。因此本文选择CDMA2000网络，通过其分组数据业务完成与地面之间的信息传输。

本文设计了针对运行中地铁车辆状态记录数据进行实时无线传输方案，将地铁车辆设备实时信息（如车门系统、空调系统的状态信息及事件信息等）通过CDMA2000网络发送至地面，地面将对这些信息进行分析，诊断列车故障，并向列车终端发送操作信息或其他指令信息，指导司控人员对列车进行操作和维护，保障行车安全，为地铁车辆维护工作提供支持。

1 系统总体介绍

基于CDMA的地铁车辆维护用车载无线通信系统，主要由车载设备、CDMA2000网络、地面监控中心三部分构成。系统将车载设备的状态信息等按照实时性、优先级等要求通过CDMA2000网络发送至地面接收单元进行处理，可提高实时信息的发送速率；同时，接收地面发来指令信息并在车辆终端设备显示［6］。车载无线通信系统功能框图如图1所示。

图1 车载无线通信系统图

2 数据帧格式

车载数据种类多，信息量大［5］，主要包括实时故障数据、实时运行数据、实时故障通报数据、非实时运用数据、自诊断与日志数据等［8］。

基于CDMA 的地铁车辆维护用车载无线通信系统发送数据至地面时所使用的数据帧格式如图2所示。

图2 车载信息数据帧格式

（1）电路板序列号32位。用硬件实现标识每一个电路板的标签，标签上有唯一的序列号。根据数据中的序列号和对应关系可以判断接收数据的来源（城市、线号、车号等）。

（2）帧种类2位。“00”为车辆信息，“01”为地面请求信息反馈信息。

（3）总线上的车辆报文32－272位。该报文为从车辆总线上采集的每一个报文数据。

（4）优先级4位。根据TCMS（列车控制管理系统）的周期扫描表［9］，可针对不同重要性的报文确定不同的优先级，针对不同优先级的数据采用不同的处理方式。

（5）时间标记27位。为了地面可以按时间处理报文或事件，发送每一个报文数据必须给定时间标记。时间标记包括 h（5位）、min（6 位）、s（6 位）和 ms（10位）。

基于CDMA 的地铁车辆维护用车载无线通信系统发送数据至地面时所使用的数据帧格式如图3所示。

图3 地面信息数据帧格式

（1）帧种类2位。“10”为地面指令信息，“11”为地面请求信息。

（2）报文12位。该报文为地面指令信息和地面请求端口号信息。

1825年，世界上第一条铁路应运而生，时隔85年后的1910年滇越铁路滇段正式通车运营，让云南与世界联通，成为我国最早拥有铁路的地区之一。

（3）优先级4位。可针对不同重要性的报文确定不同的优先级，针对不同优先级的数据采用不同的处理方式。

（4）时间标记27位。时间标记包括h（5位）、min（6位）、s（6位）和 ms（10位）。

3 系统硬件设计

3.1 系统框图

图4是基于CDMA 的地铁车辆维护用车载无线通信系统的原理框图。总线控制器模块主要负责从地铁车辆总线上采集数据并对数据进行监控，若某些数据发生异常，通过SPI（中行外设接口）［10］与主处理器进行主从通信，立即将异常数据发送至地面控制中心。平板电脑的主要功能包括两部分：一是存储车辆的故障信息，方便车辆的维护和保养；二是作为人机交互模块主要用来显示地面指令信息，供驾驶员进行操作。主处理器作为中央处理单元，控制整个系统。接口转换模块将SPI接口转换成UART（通用异步传输器）接口，为主处理器与CDMA 模块之间建立通信通道。CDMA 模块为车地间数据通信提供无线网络，将车辆的实时运行状态发送至地面处理中心，并可接收来自地面的指令信息。

图4 系统原理框图

3.2 电路设计

图5是控制器接口电路原理图。本文选用Atmel公司生产的 ATxmega384C3 型号 AVR 微处理器ATxmega384C3－AU控制实时信息发送与接收模块，该型号的微处理器具有性能好、功耗低、外围丰富等特点，在一个时钟周期内，CPU 吞吐量可到达1 000 000 MIPS，并允许优化功耗和处理速度。由于微处理器部分接口为SPI接口，而CDMA 模块是UART接口，因此，微处理器ATxmega384C3 通过接口转换芯片XR20M1170G24 与 CDMA 模 块 进 行 通 信，XR20M1170G24将SPI接口转换成UART接口。

CDMA 模块采用华为技术有限公司提供的HUAWEIMC703 芯片，该芯片支持 CDMA 800／1900频段；支持天线分集接收；支持GPS（全球定位系统）；支持语音、短信、数据等业务；提供丰富的用户信号接口；支持标准AT（自耦变压器）指令集和HUAWEI扩展AT 指令集；符合RoHS环保认证要求。

图5 控制器接口电路原理图

微控制器ATXMEGA384C3－AU 一方面将已采集到的车辆信息根据优先级、实时性等要求，发送至接口转换芯片XR20M11701G24，接口转换芯片再通过UART 接口将数据发送至CDMA 芯片HUAWEIMC703，CDMA 芯片再将数据发送至公共移动网络，以实现将实时性强且优先级高的数据发送出去。另一方面，CDMA 芯片接收来自公共移动网络的数据，并发送到接口转换芯片，接口转换芯片再将数据发送至微控制器处理。

由于车载无线通信系统硬件电路中各个芯片的额定电源电压不同，故电源电路采用电压转换芯片。如图6所示，首先将交流电通过USB 接口供电，经过滤波后由电压转换芯片MAX1837EUT33－T 将电压降至3.3 V（VCC－1）为微控制器和接口转换芯片供电。另外，由电压转换芯片MAX1745EUB将电压降至3.8 V（VCC－2），为CDMA 模块供电。

图6 车载无线通信系统硬件电源电路图

4 数据发送与接收流程

图7是车载无线通信系统数据发送流程图。

图7 车载无线通信系统数据发送流程图

具体步骤如下：

（1）获取待发送的车载信息。

（2）轮询车载信息，按照数据优先级、实时性排列，存入暂存队列。车辆总线上的某些信息会严重威胁行车安全（如火警信息），必须优先发送至地面，所以设置信息高优先级。系统对具有高优先级的数据按照其优先级的大小进行暂存，其中，具有相同优先级的数据，按照实时性进行排列，发送数据时，优先级高且实时性好的数据优先通过CDMA2000网络发送至地面接收单元。

（3）使用CDMA2000网络发送数据。

（4）判断数据发送是否完成。若未完成，则继续发送至完成；若发送完成，则转步骤（5）。

（5）判断暂存队列中是否还有数据需要发送。若有数据需要发送，则返回步骤（2），再次轮询车载信息；若无数据需要发送，则返回步骤（1）。

车载无线通信系统数据接收流程图如图8所示，具体步骤如下：

（1）判断是否有来自地面的信息需要接收。

（2）使用CDMA2000网络接收数据。

（3）判断数据接收是否完成。若未完成，则继续接收数据至完成；若完成，则转步骤（4）。

图8 车载无线通信系统数据流程图

（4）判断接收的数据是否是地面指令信息。若是，则在车辆终端平板电脑上进行显示，供驾驶员进行操作；若不是，则说明为地面请求信息，转步骤（5）。

（5）按照信息的优先级进行排列，发送至总线控制模块进行处理。

5 试验

为验证车载无线通信系统的性能，在机车终端设备与地面系统之间进行数据收发测试试验。首先，机车终端设备发送数据至通信板，通信板连接工程中心的数据库存储，再通过工程中心转发数据至地面系统，形成车地通信系统数据收发的一个整体过程。测试过程中，发送一定数量的数据包，通过多次长时间的通信测试得到的测试结果，如表1所示。

表1 车载通信系统丢包率与时延

由表1 可知，基于CDMA 的车载无线通信系统的通信时延是相当小的，且丢包率为0，体现了该通信系统在实时性、准确性方面的优势。

6 结语

本文设计了一种基于CDMA 的地铁车辆维护用车载无线通信系统。本系统一方面可将采集到的机车运行时的故障和状态信息，按照优先级、实时性等要求及时可靠地发送至地面进行分析处理；另一方面，可接收来自地面的指令信息及其他信息，并将指令信息在车辆智能终端显示，以供驾驶员进行相应操作。通过测试试验，体现了本系统在实时性和准确率方面的性能。基于CDMA 的车载无线通信系统有助于提高车地通信的可靠性，提高地铁车辆维护工作的效率，保障行车安全。

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