摘要：在地鐵列車乘客緊急報警系統的設計過程中，采用AT89C52實現主控制邏輯，報警主機和分機之間的通信使用基于MT8888" title="MT8888">MT8888的DTMF通信" title="DTMF通信">DTMF通信，并使用EPM1270" title="EPM1270">EPM1270實現CRC8算法" title="CRC8算法">CRC8算法，提高了通信的安全性和可靠性。該系統具有存儲功能，利用自行設計的鍵盤可實現格式化存儲器" title="格式化存儲器">格式化存儲器。
關鍵詞：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號線舊型直流驅動列車，當列車車廂內發生緊急情況(如火災等)時，列車司機在封閉的駕駛室中無法得知災難情況，而且乘客也沒有任何通信手段可以將車廂內的災情告知司機。基于這種防災需求，地鐵運營單位要求改造列車，加裝地鐵列車乘客緊急報警系統。

1 系統結構
    地鐵列車一般為6節編組(A1-B1-C1-B2-C2-A2)，每節車廂長24．5 m，司機駕駛室設在A1和A2，乘客車廂為全部6節車廂。本系統在兩端司機駕駛室各設1臺報警主機，每節車廂安裝2個報警分機(車門上方)。當乘客按下車廂內的報警按鈕后，按鈕上的指示燈會點亮，并伴有報警聲音提示。報警分機在監測到按鈕動作后，會將該信息通過列車線發送到駕駛室的報警主機。主機接收并處理信息后，點亮主機面板上對應位置的LED指示燈，并利用聲音提示。此時，司機需要人工確認報警燈對應按鈕，主機監測到確認動作后關閉報警燈和報警聲音，并將該信息發送回對應的報警分機。分機接收并處理信息后，關閉報警燈和報警聲音。

2 系統硬件設計
    報警主機的硬件設計按照模塊化原則，可分為如下幾個功能模塊：主邏輯控制模塊、基于MT8888的DTMF通信模塊、LED數碼管控制模塊、LED燈控制模塊、蜂鳴器控制模塊、鍵盤掃描模塊、時鐘控制模塊、存儲控制模塊、數據存儲模塊等。系統硬件結構框圖如圖1所示。

    報警分機相對簡單，提供了乘客報警的人機界面。報警主機和分機之間使用基于MT8888芯片的DTMF通信技術，并附加軟件CRC8校驗機制，確保通信的高可靠性和安全性。

3 系統軟件設計
    報警主機和分機均使用Atmel公司的AT89C52作為主邏輯控制單元，與MCS-51產品指令和引腳完全兼容。分機的設計和實現相對簡單，主機用到了單片機提供的大部分資源，包括定時器中斷、外部中斷和串行中斷，各個功能模塊依靠各自中斷入口和優先級依次運行。定時器和
中斷資源分配如表1所列。

    對于中斷優先級的考慮：
    ①與人機接口有關的中斷，其優先級為高；
    ②為了保證串行通信的質量，其優先級為高；
    ③外部中斷采用較低級的中斷，其優先級為低(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
    由于涉及已運營線路的列車改造，系統的穩定性和安全性是至關重要的，所以該系統在設計時報警主機和分機之間采用了基于MT8888的DTMF通信，并在列車上使用低煙、無鹵的線纜構架系統的通信網絡，做到與列車原有廣播系統的語音信號相互獨立，互不干擾。網絡拓撲結構是總線型結構，最遠分機和主機的距離長達150 m。
   
   
    DTMF通信每次收發只能處理4位數據，但是對于實際通信數據，就需要設置較大的緩沖區，循環發送多字節數據。下面詳細描述主機和分機的通信協議。
3．2 基于CRC8的安全通信協議
    根據系統的功能，報警主機和分機的消息類型包括：系統上電自檢、分機報警、主機報警回復。系統上電自檢是指在系統全部上電后，列車車廂內的分機會自動向主機發送健康信息，主機收到該信息后會在界面上點亮對應分機的指示燈；分機報警是指乘客按下報警按鈕后，分機向主機發送的報警信息；主機報警回復是指司機確認報警后，主機向分機發送的報警確認信息。為了保證通信的安全性，采用CRC8標準進行數據校驗，多項式為，簡記為0x31。
    通信協議的詳細定義如下：
    ①上電自檢信息格式(3字節)
    報頭(1字節)：FB
    報文：車廂號(半字節)+分機號(半字節)
    CRC(1字節)：CRC8
    ②報警信息格式(3字節)
    報頭(1字節)：EA
    報文：車廂號(半字節)+分機號(半字節)
    CRC(1字節)：CRC8
    ③報警回復信息格式(3字節)
    報頭(1字節)：EC
    報文：車廂號(半字節)+分機號(半字節)
    CRC(1字節)：CRC8
    在報警主機和報警分機的DTMF編解碼結束后，使用Altera公司的EPM1270芯片進行CRC8的生成和校驗，基于以下VHDL代碼實現了8位CRC碼生成電路。代碼中，InputData為輸入數據，ResultCRC為輸出CRC碼，midCRC為當前CRC碼。
   
   
    CRC8校驗算法的使用，從軟件上為報警主機和分機的通信提供了一定的安全保障；CPLD硬件的實現方式，減輕了單片機的運算負擔，使其專注于主控制邏輯的調度。
3．3 基于X25045的存儲管理
    存儲芯片使用的是X25045，這個芯片具有看門狗和EEPROM兩種功能。使用時，看門狗的復位在定時器T0中實現。EEPROM的容量為512字節，分上下兩個半區，每半區地址為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區地址；
    ◆001H，存儲待寫入記錄的半區內地址；
    ◆002H～007H，預留；
    ◆008H～1FFH，存儲報警信息記錄。
    所以，存儲器能夠存儲的報警信息的總數為(512-8)／7=72條。當存儲器存滿之后，系統會自動覆蓋最早的一條記錄，從而循環利用存儲器空間。之所以會這樣考慮，主要是因為地鐵緊急報警系統是在極個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在斷電之后，報警信息仍然可以保存下來。但是，這使得在系統初始化時，存在一個問題；系統斷電后，所有的其他信息都會丟失(包括存儲器的使用情況)，當系統再次上電復位后，系統就無法知道從存儲器的哪個字節開始存儲信息。所以，需要把存儲器的使用情況存儲在存儲器上(000H，001H)。這樣，當系統上電復位的時候就可以讀取這個信息，從而正確使用存儲器。但是，在這種情況下，需要在使用系統前對存儲器進行格式化，就好像安裝PC機的操作系統需要格式化 硬盤一樣。本設計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按下第一行左數最后一個鍵，A2-1；
    ②按下第二行左數第一個鍵，A1-2；
    ③按“回車”鍵。
    這時，LED屏會顯示“-F-F-F”，這表示報警主機正在對X25045進行格式化。當格式化結束后，LED屏會自動跳回到時間顯示狀態。

結語
    地鐵列車乘客緊急報警系統是上海地鐵列車安防系統國產化改造的重要成果，解決了既有線路維護工作中的實際問題，是國內企業參與城市軌道交通建設的良好實踐。
    地鐵項目的實施需要以高安全、高可靠的技術為基礎，本文描述的項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際安裝使用，司機和乘客均反映良好。