基于AVR單片機(jī)的列車臨時(shí)限速手持巡檢設(shè)備

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

0 引言

自1994年中國(guó)鐵路實(shí)施大面積提速以來，鐵路列車的硬件條件和服務(wù)質(zhì)量都有了極大的改善和提高，但同時(shí)也暴露出一些薄弱環(huán)節(jié)和安全隱患。技術(shù)裝備的落后，人為對(duì)安全問題的疏忽等都不能適應(yīng)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(guān)注。列車臨時(shí)限速手持巡檢設(shè)備是列車臨時(shí)限速預(yù)警裝置中重要的輔助設(shè)備。地面限速RFID電子標(biāo)簽信息的提取、設(shè)定和數(shù)據(jù)傳送主要依靠此設(shè)備。鐵路巡檢對(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩Ｕ嫌泻苤匾淖饔?，但是過去對(duì)列車如車號(hào)等信息全靠口念、筆記等人工方式進(jìn)行，效率低、錯(cuò)漏多、耗時(shí)費(fèi)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(tái)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信等高新技術(shù)完美地融為一體，是現(xiàn)今科技進(jìn)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(jī)交互模塊構(gòu)成了手持巡檢設(shè)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(jī)Atmega1280芯片，它協(xié)調(diào)著各模塊正常工作，其存儲(chǔ)單元儲(chǔ)存讀取的RFID電子標(biāo)簽信息。能量供給可保證整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)正常穩(wěn)定地運(yùn)作。傳輸通信模塊包括ZigBee無線射頻、GSM單元：手持巡檢設(shè)備上的無線射頻與RFID電子標(biāo)簽無線部分構(gòu)成無線數(shù)據(jù)傳輸通道;GSM單元?jiǎng)t能通過中國(guó)通信網(wǎng)絡(luò)GSM傳送巡檢設(shè)備獲取到和將要設(shè)定的電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)給后臺(tái)管理系統(tǒng)，該網(wǎng)絡(luò)可靠安全。人機(jī)交互操作簡(jiǎn)單，支持鍵盤輸入，256色的TFT-LCD顯示屏便捷清晰地顯示RFID標(biāo)簽信息。

2 主要硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主控制模塊選擇

Atmega1280是一款基于AVR RSIC結(jié)構(gòu)的低功耗CMOS 8位單片機(jī)。它具有128k字節(jié)在線可重復(fù)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(gè)通用I/O口;32個(gè)通用寄存器;實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器(RTC);6個(gè)具有比較模式和PWM的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器;4個(gè)UART接口，一個(gè)兩線串行(IIC)接口;一個(gè)16通道10位具有可選增益查分輸入的A/D轉(zhuǎn)化器，一個(gè)帶有內(nèi)部振蕩器的可編程看門口定時(shí)器;一個(gè)SPI口;一個(gè)符合IEEE std.1149.1標(biāo)準(zhǔn)的JTAG測(cè)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(shí)間為兩個(gè)時(shí)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(shè)備使用外接晶振線路。

2.2 射頻電源模塊的設(shè)計(jì)

手持巡檢設(shè)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(diào)節(jié)降壓兩種，并且它的降壓輸出穩(wěn)定、電壓轉(zhuǎn)換效率高、電流輸出驅(qū)動(dòng)能力比較強(qiáng)，內(nèi)部有過流與過熱保護(hù)設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。西門子公司的TC35i模塊正常工作電壓有比較獨(dú)特的需求：供電電壓需穩(wěn)定地高于3.3V，否則會(huì)自動(dòng)關(guān)機(jī);模塊在發(fā)射時(shí)，其電流峰值高達(dá)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(shè)備采用LM2576可調(diào)降壓方式獨(dú)立對(duì)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(duì)其工作時(shí)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(shí)不被擊穿。根據(jù)常見電容值，采用100 μF/25V鋁電解電容。

(2)儲(chǔ)能電感L1。從式(1)可知LM2576芯片實(shí)際的輸入電壓、可調(diào)輸出電壓以及開關(guān)頻率參數(shù)可以定性電壓微妙常數(shù)(E*T)，此常數(shù)結(jié)合LM2576的負(fù)載電流曲線能確定所需的電感值。

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

(3)比例調(diào)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(shí)減少電路對(duì)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(dòng)干擾，提升了負(fù)載芯片工作的可靠性和安全性。

2.3 通信模塊設(shè)計(jì)

2.3.1 閱讀器單元

手持巡檢設(shè)備的閱讀器單元是該設(shè)備能否對(duì)RFID電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)獲取、設(shè)定的最關(guān)鍵部分;無線數(shù)據(jù)能否可靠安全的傳輸，將直接關(guān)系手持巡檢設(shè)備能否正確及時(shí)獲取電子標(biāo)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(qiáng)型8051單片機(jī)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(zhì)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(shè)集、2個(gè)UART串口、MAC定時(shí)器(T2)、5通道DMA、32kHz休眠定時(shí)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(gè)16位定時(shí)器(T1)、2個(gè)8位定時(shí)器(T3和T4)等。這些豐富的硬件資源對(duì)巡檢設(shè)備閱讀單元的設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)。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(diào)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(shí)不斷地進(jìn)入復(fù)位模式。第22、23腳接外部晶振32M(高頻時(shí)鐘)和32k(低頻時(shí)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(diào)試時(shí)鐘)和第35腳DD(調(diào)試數(shù)據(jù))接JTAG調(diào)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(jìn)行數(shù)據(jù)交互的傳輸腳，在RFID電子標(biāo)簽中則是普通IO管腳。

2.3.2 GSM單元

手持巡檢設(shè)備中的GSM單元主要是以短信的方式實(shí)時(shí)地將標(biāo)簽信息發(fā)給后臺(tái)系統(tǒng)。西門子TC35i工作在EGSM900和GSM1800雙頻段，該模塊是一個(gè)支持中文短信息的工業(yè)級(jí)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(shí)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(shí)平均能達(dá)300mA，最高時(shí)有2.5A。Atmega1280通過UART接口向TC35i模塊發(fā)送AT指令來關(guān)斷信號(hào)、故障恢復(fù)，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(shè)備中作為TC35i的核心基帶處理器主要處理RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)信號(hào)。

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(dòng)腳IGT，手持巡檢設(shè)備上電后必須給IGT引腳加一個(gè)大于100ms的低脈沖，且電平下降持續(xù)時(shí)間不可超過1ms：只用這樣才能使TC35i進(jìn)入工作狀態(tài)。18腳RxD0、19腳TxD0和Atmega1280相應(yīng)管腳通信。

24～29管腳連接SIM卡專用讀卡器。CCIN引腳可以檢測(cè)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(shè)備該模塊的工作狀態(tài)：當(dāng)紅色LED熄滅時(shí)，表明TC35i處于關(guān)閉或睡眠狀態(tài);當(dāng)LED為600ms亮/600ms熄時(shí)，表明SIM卡沒有插入或TC35i正在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)登錄，需等待SIM卡注冊(cè)完畢才能進(jìn)行下一步操作;當(dāng)LED為75ms亮/3s熄時(shí)，說明模塊處于待機(jī)狀態(tài)，此時(shí)可以發(fā)送標(biāo)簽數(shù)據(jù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

手持巡檢設(shè)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(shí)現(xiàn)是在ZigBee協(xié)議的基礎(chǔ)上，與同樣是ZigBee協(xié)議為基礎(chǔ)的電子標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互;

(2)每次對(duì)標(biāo)簽信息進(jìn)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(tái);后臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)以短信的方式接收電子標(biāo)簽的信息，并解析;

(3)“清除標(biāo)簽”在得到確認(rèn)后會(huì)刪除主控芯片存儲(chǔ)單元中的所有數(shù)據(jù)。

4 總結(jié)

本文介紹的列車臨時(shí)限速手持巡檢設(shè)備能完善對(duì)鐵路工區(qū)巡道工的管理。它的廣泛應(yīng)用可以極大地提高鐵路管理系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的實(shí)時(shí)化、自動(dòng)化，降低管理成本。手持巡檢設(shè)備操作簡(jiǎn)單、攜帶方便、記錄準(zhǔn)確且數(shù)據(jù)可以永久保存，它為提升鐵道安全巡檢機(jī)制提供了又一個(gè)可行性手段。當(dāng)然，本文介紹的手持巡檢設(shè)備還可進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化。