基于ATmega1280的列车临时限速手持巡检设备设计

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 自1994年中国铁路实施大面积提速以来,铁路列车的硬件条件和服务质量都有了极大的改善和提高,但同时也暴露出一些薄弱环节和安全隐患。技术装备的落后,人为对安全问题的疏忽等都不能适应铁路系统现代化的需要,铁路行车安全正越来越受到人们的关注。列车临时限速手持巡检设备是列车临时限速预警装置中重要的辅助设备。地面限速RFID电子标签信息的提取、设定和数据传送主要依靠此设备。铁路巡检对铁路运输的安全保障有很重要的作用,但是过去对列车如车号等信息全靠口念、笔记等人工方式进行,效率低、错漏多、耗时费力!并且容易留下重大安全隐患。新兴电子巡检系统将电脑硬件软件平台、ZigBee网络通信等高新技术完美地融为一体,是现今科技进步的产物,它的出现极大地降低了管理成本。

 
1 系统概述
 
核心控制模块、能量供给电源模块、传输通信模块、人机交互模块构成了手持巡检设备的硬件系统。其系统框图如图1所示。核心控制模块是AVR单片机Atmega1280芯片,它协调着各模块正常工作,其存储单元储存读取的RFID电子标签信息。能量供给可保证整个设备系统正常稳定地运作。传输通信模块包括ZigBee无线射频、GSM单元:手持巡检设备上的无线射频与RFID电子标签无线部分构成无线数据传输通道;GSM单元则能通过中国通信网络GSM传送巡检设备获取到和将要设定的电子标签数据给后台管理系统,该网络可靠安全。人机交互操作简单,支持键盘输入,256色的TFT-LCD显示屏便捷清晰地显示RFID标签信息。
 
 
 
 
2.1 主控制模块选择
 
Atmega1280是一款基于AVR RSIC结构的低功耗CMOS 8位单片机。它具有128k字节在线可重复编程Flash(擦写次数为10000次)。4k字节EEPROM(擦写次数为100000次);8k字节SRAM;54个通用I/O口;32个通用寄存器;实时计数器(RTC);6个具有比较模式和PWM的定时器/计数器;4个UART接口,一个两线串行(IIC)接口;一个16通道10位具有可选增益查分输入的A/D转化器,一个带有内部振荡器的可编程看门口定时器;一个SPI口;一个符合IEEE std.1149.1标准的JTAG测试接口,也可用访问片内Debug系统编程;6种可通过软件选择的省电模式;带有执行时间为两个时钟周期的硬件乘法器。Atmega1280已经内置RC振荡线路,考虑通信波特率的问题,手持巡检设备使用外接晶振线路。
 
2.2 射频电源模块的设计
 
手持巡检设备用两节可充电蓄电池(8.2V)作为电源,采用芯片LM2576和LD1117—3.3作为5V和3.3V降压芯片,以满足不同芯片的不同电压需求。LM2576电压控制芯片的降压方式有固定降压和可调节降压两种,并且它的降压输出稳定、电压转换效率高、电流输出驱动能力比较强,内部有过流与过热保护设计等优点。西门子公司的TC35i模块正常工作电压有比较独特的需求:供电电压需稳定地高于3.3V,否则会自动关机;模块在发射时,其电流峰值高达2A,且在此电流峰值送入模块的电压下降值要确保不能超过0.4V。鉴于此模块较高的电源要求,手持巡检设备采用LM2576可调降压方式独立对该模块提供4.2V稳定的直流电压,电路如图2所示。
 
 
 
 
 
根据LM2576芯片管脚的特性,对其工作时主要外围器件的选择:
 
(1)输入电容C1、C2。选择ESR低、电容值大的铝电容C1、C2作为旁路电容能有效防止输入端出现大瞬态电压和高输出电流。一般电容的耐压值大于输入电压的1.5倍可以保证电容在工作时不被击穿。根据常见电容值,采用100 μF/25V铝电解电容。
 
(2)储能电感L1。从式(1)可知LM2576芯片实际的输入电压、可调输出电压以及开关频率参数可以定性电压微妙常数(E*T),此常数结合LM2576的负载电流曲线能确定所需的电感值。
 
 
 
 
 
手持巡检设备供电VIN为两节蓄电池8.2V,可调输出Vout需4.2V,由LM2576芯片手册得到该芯片的开关频率是52kHz:电压微妙常数E*T=40V*μs,LM2576的最大负载电流为3A;图3中,在两线的交点附近,L1选为47μs。
 
 
 
 
 
(3)比例调节电阻R2、R1。由公式
 
 
 
 
 
总之,选择LM2576电压芯片能在降低电压损耗的同时减少电路对芯片的热伤害,更为重要的是,LM2576降压还可以很大程度地降低外界的高频干扰和交流、电压等浮动干扰,提升了负载芯片工作的可靠性和安全性。
 
2.3 通信模块设计
 
2.3.1 阅读器单元
手持巡检设备的阅读器单元是该设备能否对RFID电子标签数据获取、设定的最关键部分;无线数据能否可靠安全的传输,将直接关系手持巡检设备能否正确及时获取电子标签的数据。
CC2530是德州仪器公司提供的第二代ZigBee/IEEE802.15.4片上系统(SoC)解决方案的核心芯片,它拥有增强型8051单片机内核和性能优良的RF收发器。它具有256k字节flash记忆体,支持一般的低功率无线通信,支持在系统编程。CC2530提供了101dB的链路质量,具有很高的灵敏度和抗干扰能力。四种供电模式,以及一套广泛的外设集、2个UART串口、MAC定时器(T2)、5通道DMA、32kHz休眠定时器、电源监控器、温度传感器、12位的ADC、AES安全协处理器、一个16位定时器(T1)、2个8位定时器(T3和T4)等。这些丰富的硬件资源对巡检设备阅读单元的设计提供了坚实的物理基础。CC2530模块主要的连接原理图见图4。
 
 
 
 
上图中C1和C2为电压引入部分的滤波电容,D1和D2作为射频模块调试指示灯,指示芯片的工作状态。第20管脚接上拉电阻,防止芯片工作时不断地进入复位模式。第22、23脚接外部晶振32M(高频时钟)和32k(低频时钟)。射频收发的匹配电路接在第25脚和第26脚,第34脚DC(调试时钟)和第35脚DD(调试数据)接JTAG调试接口。射频电路中第16脚(TX)和第17脚(RX)是与主控Atmega1280芯片进行数据交互的传输脚,在RFID电子标签中则是普通IO管脚。
 
2.3.2 GSM单元
 
手持巡检设备中的GSM单元主要是以短信的方式实时地将标签信息发给后台系统。西门子TC35i工作在EGSM900和GSM1800双频段,该模块是一个支持中文短信息的工业级GSM模块,4.2V直流电压可以让其正常工作。TC35i的电流消耗在不同的时刻有着不同的值-休眠状态只有3.5 mA,一般空闲状态有25mA,发射时平均能达300mA,最高时有2.5A。Atmega1280通过UART接口向TC35i模块发送AT指令来关断信号、故障恢复,以及发送数据。它支持Text和PDU格式的SMS(短消息)。手持巡检设备中作为TC35i的核心基带处理器主要处理RFID标签数据信号。
 
如图5所示,TC35i的第1~5引脚接电源正极,第6~10引脚是电源地。15脚是启动脚IGT,手持巡检设备上电后必须给IGT引脚加一个大于100ms的低脉冲,且电平下降持续时间不可超过1ms:只用这样才能使TC35i进入工作状态。18脚RxD0、19脚TxD0和Atmega1280相应管脚通信。
 
 24~29管脚连接SIM卡专用读卡器。CCIN引脚可以检测SIM卡是否良好接触:连接正确,CCIN引脚输出高电平;如输出低电平,需重新校正SIM卡。
 
TC35i的第32脚SYNC引脚指示设备该模块的工作状态:当红色LED熄灭时,表明TC35i处于关闭或睡眠状态;当LED为600ms亮/600ms熄时,表明SIM卡没有插入或TC35i正在进行网络登录,需等待SIM卡注册完毕才能进行下一步操作;当LED为75ms亮/3s熄时,说明模块处于待机状态,此时可以发送标签数据。
 
3 软件设计
 
手持巡检设备的系统软件流程图如图6所示。
 
 
 
 
 
(1)阅读器单元的软件实现是在ZigBee协议的基础上,与同样是ZigBee协议为基础的电子标签进行数据的交互;
 
(2)每次对标签信息进行编辑后都需按既定的帧格式通过TC35i模块发送信息给后台;后台服务系统以短信的方式接收电子标签的信息,并解析;
 
(3)“清除标签”在得到确认后会删除主控芯片存储单元中的所有数据。
 
4 总结
 
本文介绍的列车临时限速手持巡检设备能完善对铁路工区巡道工的管理。它的广泛应用可以极大地提高铁路管理系统统计的实时化、自动化,降低管理成本。手持巡检设备操作简单、携带方便、记录准确且数据可以永久保存,它为提升铁道安全巡检机制提供了又一个可行性手段。当然,本文介绍的手持巡检设备还可进一步改进优化。
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