基于GPS的轨道检查系统的研究与设计

摘要

为保证高速列车快速、安全的运行，高速铁路轨道必须具有高平顺性。而轨道在长时间的轮对作用力下，几何形位不断发生变化，导致平顺性变差。轨道不平顺会引起列车剧烈振动，限制行车速度，甚至会引起列车脱轨、倾覆等恶性事故。所以高精度的轨道检查设备是保障列车安全运营的重要设备。通过对国内外动态和静态轨道检查系统的分析与研究，提出了基于GPS的轨道检查系统方案:在成熟轨道内部几何状态检查装备的基础上，结合GPS全球定位技术，通用分组无线技术，通过GPS布网，实现轨道的高精度、高效率的内部和外部几何状态的检测。论文主要完成了以下几个方面工作:
　　首先，分析了轨道内部几何状态和外部几何状态的测量原理，综合利用GPS全球定位技术、GPRS无线通信技术，提出了基于GPS的轨道检查系统总体设计方案。采用GPS-RTK动态检测技术，由布设在GPS控制网点的基站数据采集系统和轨检仪上的流动站数据采集系统组成轨道几何参数的测量系统。基站通过单片机接收到的GPS卫星信息数据通过GPRS无线通信方式，传输至流动站上位机，进行数据处理。
　　其次，重点围绕轨道检查系统的硬件和软件进行了详细的分析和设计。综合考虑系统可靠性、需求等因素，对轨道检查系统的各个功能模块进行具体的电路设计，主要包括:电源电路、单片机外围电路、GPS模块电路、GPRS模块电路、人机接口电路、CAN控制器电路等。软件设计主要包括:单片机主程序、GPS数据采集、GPS数据处理、GPRS无线数据传输。
　　最后，对整个轨道检查系统的各个功能模块进行模拟调试。实现了基于GPS的轨道检查系统的核心功能。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究课题背景

1．2 轨道检查系统的发展概况

1．2．1 动态检查系统的发展概况

1．2．2 静态检查系统的发展概况

1．3 我国高铁中精测网的构建概况

1．4 GPS全球定位系统及其铁路工程应用

1．4．1 GPS全球定位系统的组成

1．4．2 GPS全球定位系统在铁路工程中的应用

1．5 课题研究目的和意义

1．6 论文的主要研究工作

2 基于GPS的轨道几何状态检测原理及总体方案设计

2．1 基于GPS的轨道检查系统功能

2．2 轨道内部几何参数测量原理

2．3 轨道外部几何参数测量原理

2．3．1 GPS定位原理

2．3．2 GPRS无线数据传输原理

2．4 整体方案设计

2．5 本章小结

3 基于GPS的轨道检查系统的硬件设计

3．1 基于GPS的轨道检查系统的总体设计

3．2 基站数据采集系统的硬件设计

3．2．1 基站数据采集系统电源设计

3．2．2 MSP430F149单片机概述

3．2．3 MSP430F149单片机最小系统电路设计

3．2．4 人机交互接口电路设计

3．2．5 Flash存储器电路设计

3．2．6 BD970 GPS模块介绍及电路设计

3．2．7 SIM300C无线通讯模块介绍和电路设计

3．3 流动站数据采集系统的硬件设计

3．3．1 CAN总线概述

3．3．2 SJA1000控制器介绍

3．3．3 SJA1000控制器电路

3．3．4 隔离CAN收发器模块电路设计

3．3．5 上位机与GPRS模块接口设计

3．4 本章小结

4 基于GPS的轨道检查系统软件设计

4．1 基站数据采集系统软件设计

4．1．1 IAR Embedded Workbench编译开发环境

4．1．2 单片机主程序设计

4．1．3 GPS原始数据采集

4．1．4 GPS数据处理与数据传输

4．1．5 LCD液晶显示程序设计

4．1．6 按键程序设计

4．2 GPRS数据通信

4．2．1 SIM300C模块的AT指令介绍

4．2．2 SIM300C无线通讯模块数据传输

4．2．3 Socket编程

4．3 本章小结

5 基于GPS的轨道检查系统的调试

5．1 单片机采集GPS数据调试

5．2 服务器端调试

5．3 服务器端接收基站数据调试

5．4 GPRS模块与上位机串口连接调试

5．5 流动站接收服务器端数据调试

5．6 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间的主要研究成果

致谢