地铁列车乘客紧急报警系统设计

摘要：在地铁列车乘客紧急报警系统的设计过程中，采用AT89C52实现主控制逻辑，报警主机和分机之间的通信使用基于MT8888的DTMF通信，并使用EPM1270实现CRC8算法，提高了通信的安全性和可靠性。该系统具有存储功能，利用自行设计的键盘可实现格式化存储器。
关键词：MT8888；DTMF通信；CRC8算法；EPM1270；格式化存储器

引言
随着城市轨道交通的快速发展，乘客对列车的舒适度和安全性提出越来越高的要求。对于上海地铁1、2号线旧型直流驱动列车，当列车车厢内发生紧急情况(如火灾等)时，列车司机在封闭的驾驶室中无法得知灾难情况，而且乘客也没有任何通信手段可以将车厢内的灾情告知司机。基于这种防灾需求，地铁运营单位要求改造列车，加装地铁列车乘客紧急报警系统。

1 系统结构
地铁列车一般为6节编组(A1-B1-C1-B2-C2-A2)，每节车厢长24．5 m，司机驾驶室设在A1和A2，乘客车厢为全部6节车厢。本系统在两端司机驾驶室各设1台报警主机，每节车厢安装2个报警分机(车门上方)。当乘客按下车厢内的报警按钮后，按钮上的指示灯会点亮，并伴有报警声音提示。报警分机在监测到按钮动作后，会将该信息通过列车线发送到驾驶室的报警主机。主机接收并处理信息后，点亮主机面板上对应位置的LED指示灯，并利用声音提示。此时，司机需要人工确认报警灯对应按钮，主机监测到确认动作后关闭报警灯和报警声音，并将该信息发送回对应的报警分机。分机接收并处理信息后，关闭报警灯和报警声音。

2 系统硬件设计
报警主机的硬件设计按照模块化原则，可分为如下几个功能模块：主逻辑控制模块、基于MT8888的DTMF通信模块、LED数码管控制模块、LED灯控制模块、蜂鸣器控制模块、键盘扫描模块、时钟控制模块、存储控制模块、数据存储模块等。系统硬件结构框图如图1所示。

报警分机相对简单，提供了乘客报警的人机界面。报警主机和分机之间使用基于MT8888芯片的DTMF通信技术，并附加软件CRC8校验机制，确保通信的高可靠性和安全性。

3 系统软件设计
报警主机和分机均使用Atmel公司的AT89C52作为主逻辑控制单元，与MCS-51产品指令和引脚完全兼容。分机的设计和实现相对简单，主机用到了单片机提供的大部分资源，包括定时器中断、外部中断和串行中断，各个功能模块依靠各自中断入口和优先级依次运行。定时器和
中断资源分配如表1所列。

对于中断优先级的考虑：
①与人机接口有关的中断，其优先级为高；
②为了保证串行通信的质量，其优先级为高；
③外部中断采用较低级的中断，其优先级为低(外部中断0，每秒2次；外部中断1，每秒1次)。
3．1 基于MT8888的DTMF通信
由于涉及已运营线路的列车改造，系统的稳定性和安全性是至关重要的，所以该系统在设计时报警主机和分机之间采用了基于MT8888的DTMF通信，并在列车上使用低烟、无卤的线缆构架系统的通信网络，做到与列车原有广播系统的语音信号相互独立，互不干扰。网络拓扑结构是总线型结构，最远分机和主机的距离长达150 m。


DTMF通信每次收发只能处理4位数据，但是对于实际通信数据，就需要设置较大的缓冲区，循环发送多字节数据。下面详细描述主机和分机的通信协议。
3．2 基于CRC8的安全通信协议
根据系统的功能，报警主机和分机的消息类型包括：系统上电自检、分机报警、主机报警回复。系统上电自检是指在系统全部上电后，列车车厢内的分机会自动向主机发送健康信息，主机收到该信息后会在界面上点亮对应分机的指示灯；分机报警是指乘客按下报警按钮后，分机向主机发送的报警信息；主机报警回复是指司机确认报警后，主机向分机发送的报警确认信息。为了保证通信的安全性，采用CRC8标准进行数据校验，多项式为，简记为0x31。
通信协议的详细定义如下：
①上电自检信息格式(3字节)
报头(1字节)：FB
报文：车厢号(半字节)+分机号(半字节)
CRC(1字节)：CRC8
②报警信息格式(3字节)
报头(1字节)：EA
报文：车厢号(半字节)+分机号(半字节)
CRC(1字节)：CRC8
③报警回复信息格式(3字节)
报头(1字节)：EC
报文：车厢号(半字节)+分机号(半字节)
CRC(1字节)：CRC8
在报警主机和报警分机的DTMF编解码结束后，使用Altera公司的EPM1270芯片进行CRC8的生成和校验，基于以下VHDL代码实现了8位CRC码生成电路。代码中，InputData为输入数据，ResultCRC为输出CRC码，midCRC为当前CRC码。


CRC8校验算法的使用，从软件上为报警主机和分机的通信提供了一定的安全保障；CPLD硬件的实现方式，减轻了单片机的运算负担，使其专注于主控制逻辑的调度。
3．3 基于X25045的存储管理
存储芯片使用的是X25045，这个芯片具有看门狗和EEPROM两种功能。使用时，看门狗的复位在定时器T0中实现。EEPROM的容量为512字节，分上下两个半区，每半区地址为00H～0FFH。记录的格式如表2所列。