基于AVR單片機的列車臨時限速手持巡檢設備

摘要：近年來為提高列車安全運行，列車臨時限速技術被應用到鐵路系統(tǒng)，手持巡檢設備是臨時限速系統(tǒng)的重要組成部分。列車臨時限速是指鐵道線路固定限速之外的、具有時效性的限速。本文介紹了一種基于AVR單片機ATmega1280處理器的列車臨時限速手持巡檢設備的工作原理及主要功能。該設備通過ZigBee無線通信技術，準確及時獲取布置在鐵路上的RFID(射頻識別)標簽信息，并結合GSM網(wǎng)絡及時將標簽數(shù)據(jù)傳輸給后臺系統(tǒng)，以便在出現(xiàn)緊急情況時，快速反應，及時處理危機，最大限度減少損失。

0 引言

自1994年中國鐵路實施大面積提速以來，鐵路列車的硬件條件和服務質量都有了極大的改善和提高，但同時也暴露出一些薄弱環(huán)節(jié)和安全隱患。技術裝備的落后，人為對安全問題的疏忽等都不能適應鐵路系統(tǒng)現(xiàn)代化的需要，鐵路行車安全正越來越受到人們的關注。列車臨時限速手持巡檢設備是列車臨時限速預警裝置中重要的輔助設備。地面限速RFID電子標簽信息的提取、設定和數(shù)據(jù)傳送主要依靠此設備。鐵路巡檢對鐵路運輸?shù)陌踩Ｕ嫌泻苤匾淖饔?，但是過去對列車如車號等信息全靠口念、筆記等人工方式進行，效率低、錯漏多、耗時費力!并且容易留下重大安全隱患。新興電子巡檢系統(tǒng)將電腦硬件軟件平臺、ZigBee網(wǎng)絡通信等高新技術完美地融為一體，是現(xiàn)今科技進步的產(chǎn)物，它的出現(xiàn)極大地降低了管理成本。

1 系統(tǒng)概述

核心控制模塊、能量供給電源模塊、傳輸通信模塊、人機交互模塊構成了手持巡檢設備的硬件系統(tǒng)。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。核心控制模塊是AVR單片機Atmega1280芯片，它協(xié)調著各模塊正常工作，其存儲單元儲存讀取的RFID電子標簽信息。能量供給可保證整個設備系統(tǒng)正常穩(wěn)定地運作。傳輸通信模塊包括ZigBee無線射頻、GSM單元：手持巡檢設備上的無線射頻與RFID電子標簽無線部分構成無線數(shù)據(jù)傳輸通道;GSM單元則能通過中國通信網(wǎng)絡GSM傳送巡檢設備獲取到和將要設定的電子標簽數(shù)據(jù)給后臺管理系統(tǒng)，該網(wǎng)絡可靠安全。人機交互操作簡單，支持鍵盤輸入，256色的TFT-LCD顯示屏便捷清晰地顯示RFID標簽信息。

2 主要硬件系統(tǒng)設計

2.1 主控制模塊選擇

Atmega1280是一款基于AVR RSIC結構的低功耗CMOS 8位單片機。它具有128k字節(jié)在線可重復編程Flash(擦寫次數(shù)為10000次)。4k字節(jié)EEPROM(擦寫次數(shù)為100000次);8k字節(jié)SRAM;54個通用I/O口;32個通用寄存器;實時計數(shù)器(RTC);6個具有比較模式和PWM的定時器/計數(shù)器;4個UART接口，一個兩線串行(IIC)接口;一個16通道10位具有可選增益查分輸入的A/D轉化器，一個帶有內(nèi)部振蕩器的可編程看門口定時器;一個SPI口;一個符合IEEE std.1149.1標準的JTAG測試接口，也可用訪問片內(nèi)Debug系統(tǒng)編程;6種可通過軟件選擇的省電模式;帶有執(zhí)行時間為兩個時鐘周期的硬件乘法器。Atmega1280已經(jīng)內(nèi)置RC振蕩線路，考慮通信波特率的問題，手持巡檢設備使用外接晶振線路。

2.2 射頻電源模塊的設計

手持巡檢設備用兩節(jié)可充電蓄電池(8.2V)作為電源，采用芯片LM2576和LD1117—3.3作為5V和3.3V降壓芯片，以滿足不同芯片的不同電壓需求。LM2576電壓控制芯片的降壓方式有固定降壓和可調節(jié)降壓兩種，并且它的降壓輸出穩(wěn)定、電壓轉換效率高、電流輸出驅動能力比較強，內(nèi)部有過流與過熱保護設計等優(yōu)點。西門子公司的TC35i模塊正常工作電壓有比較獨特的需求：供電電壓需穩(wěn)定地高于3.3V，否則會自動關機;模塊在發(fā)射時，其電流峰值高達2A，且在此電流峰值送入模塊的電壓下降值要確保不能超過0.4V。鑒于此模塊較高的電源要求，手持巡檢設備采用LM2576可調降壓方式獨立對該模塊提供4.2V穩(wěn)定的直流電壓，電路如圖2所示。

根據(jù)LM2576芯片管腳的特性，對其工作時主要外圍器件的選擇：

(1)輸入電容C1、C2。選擇ESR低、電容值大的鋁電容C1、C2作為旁路電容能有效防止輸入端出現(xiàn)大瞬態(tài)電壓和高輸出電流。一般電容的耐壓值大于輸入電壓的1.5倍可以保證電容在工作時不被擊穿。根據(jù)常見電容值，采用100 μF/25V鋁電解電容。

(2)儲能電感L1。從式(1)可知LM2576芯片實際的輸入電壓、可調輸出電壓以及開關頻率參數(shù)可以定性電壓微妙常數(shù)(E*T)，此常數(shù)結合LM2576的負載電流曲線能確定所需的電感值。

手持巡檢設備供電VIN為兩節(jié)蓄電池8.2V，可調輸出Vout需4.2V，由LM2576芯片手冊得到該芯片的開關頻率是52kHz：電壓微妙常數(shù)E*T=40V*μs，LM2576的最大負載電流為3A;圖3中，在兩線的交點附近，L1選為47μs。

(3)比例調節(jié)電阻R2、R1。由公式

總之，選擇LM2576電壓芯片能在降低電壓損耗的同時減少電路對芯片的熱傷害，更為重要的是，LM2576降壓還可以很大程度地降低外界的高頻干擾和交流、電壓等浮動干擾，提升了負載芯片工作的可靠性和安全性。

2.3 通信模塊設計

2.3.1 閱讀器單元

手持巡檢設備的閱讀器單元是該設備能否對RFID電子標簽數(shù)據(jù)獲取、設定的最關鍵部分;無線數(shù)據(jù)能否可靠安全的傳輸，將直接關系手持巡檢設備能否正確及時獲取電子標簽的數(shù)據(jù)。

CC2530是德州儀器公司提供的第二代ZigBee/IEEE802.15.4片上系統(tǒng)(SoC)解決方案的核心芯片，它擁有增強型8051單片機內(nèi)核和性能優(yōu)良的RF收發(fā)器。它具有256k字節(jié)flash記憶體，支持一般的低功率無線通信，支持在系統(tǒng)編程。CC2530提供了101dB的鏈路質量，具有很高的靈敏度和抗干擾能力。四種供電模式，以及一套廣泛的外設集、2個UART串口、MAC定時器(T2)、5通道DMA、32kHz休眠定時器、電源監(jiān)控器、溫度傳感器、12位的ADC、AES安全協(xié)處理器、一個16位定時器(T1)、2個8位定時器(T3和T4)等。這些豐富的硬件資源對巡檢設備閱讀單元的設計提供了堅實的物理基礎。CC2530模塊主要的連接原理圖見圖4。

上圖中C1和C2為電壓引入部分的濾波電容，D1和D2作為射頻模塊調試指示燈，指示芯片的工作狀態(tài)。第20管腳接上拉電阻，防止芯片工作時不斷地進入復位模式。第22、23腳接外部晶振32M(高頻時鐘)和32k(低頻時鐘)。射頻收發(fā)的匹配電路接在第25腳和第26腳，第34腳DC(調試時鐘)和第35腳DD(調試數(shù)據(jù))接JTAG調試接口。射頻電路中第16腳(TX)和第17腳(RX)是與主控Atmega1280芯片進行數(shù)據(jù)交互的傳輸腳，在RFID電子標簽中則是普通IO管腳。

2.3.2 GSM單元

手持巡檢設備中的GSM單元主要是以短信的方式實時地將標簽信息發(fā)給后臺系統(tǒng)。西門子TC35i工作在EGSM900和GSM1800雙頻段，該模塊是一個支持中文短信息的工業(yè)級GSM模塊，4.2V直流電壓可以讓其正常工作。TC35i的電流消耗在不同的時刻有著不同的值-休眠狀態(tài)只有3.5 mA，一般空閑狀態(tài)有25mA，發(fā)射時平均能達300mA，最高時有2.5A。Atmega1280通過UART接口向TC35i模塊發(fā)送AT指令來關斷信號、故障恢復，以及發(fā)送數(shù)據(jù)。它支持Text和PDU格式的SMS(短消息)。手持巡檢設備中作為TC35i的核心基帶處理器主要處理RFID標簽數(shù)據(jù)信號。

如圖5所示，TC35i的第1～5引腳接電源正極，第6～10引腳是電源地。15腳是啟動腳IGT，手持巡檢設備上電后必須給IGT引腳加一個大于100ms的低脈沖，且電平下降持續(xù)時間不可超過1ms：只用這樣才能使TC35i進入工作狀態(tài)。18腳RxD0、19腳TxD0和Atmega1280相應管腳通信。

24～29管腳連接SIM卡專用讀卡器。CCIN引腳可以檢測SIM卡是否良好接觸：連接正確，CCIN引腳輸出高電平;如輸出低電平，需重新校正SIM卡。

TC35i的第32腳SYNC引腳指示設備該模塊的工作狀態(tài)：當紅色LED熄滅時，表明TC35i處于關閉或睡眠狀態(tài);當LED為600ms亮/600ms熄時，表明SIM卡沒有插入或TC35i正在進行網(wǎng)絡登錄，需等待SIM卡注冊完畢才能進行下一步操作;當LED為75ms亮/3s熄時，說明模塊處于待機狀態(tài)，此時可以發(fā)送標簽數(shù)據(jù)。

3 軟件設計

手持巡檢設備的系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

(1)閱讀器單元的軟件實現(xiàn)是在ZigBee協(xié)議的基礎上，與同樣是ZigBee協(xié)議為基礎的電子標簽進行數(shù)據(jù)的交互;

(2)每次對標簽信息進行編輯后都需按既定的幀格式通過TC35i模塊發(fā)送信息給后臺;后臺服務系統(tǒng)以短信的方式接收電子標簽的信息，并解析;

(3)“清除標簽”在得到確認后會刪除主控芯片存儲單元中的所有數(shù)據(jù)。

4 總結

本文介紹的列車臨時限速手持巡檢設備能完善對鐵路工區(qū)巡道工的管理。它的廣泛應用可以極大地提高鐵路管理系統(tǒng)統(tǒng)計的實時化、自動化，降低管理成本。手持巡檢設備操作簡單、攜帶方便、記錄準確且數(shù)據(jù)可以永久保存，它為提升鐵道安全巡檢機制提供了又一個可行性手段。當然，本文介紹的手持巡檢設備還可進一步改進優(yōu)化。