基于ATmega1280的列車臨時限速手持巡檢設(shè)備設(shè)計

摘要：近年來為提高列車安全運行，列車臨時限速技術(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(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)確及時獲取布置在鐵路上的RFID(射頻識別)標(biāo)簽信息，并結(jié)合GSM網(wǎng)絡(luò)及時將標(biāo)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(yīng)，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(wù)質(zhì)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(shù)裝備的落后，人為對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。列車臨時限速手持巡檢設(shè)備是列車臨時限速預(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。鐵路巡檢對鐵路運輸?shù)陌踩Ｕ嫌泻苤匾淖饔茫沁^去對列車如車號等信息全靠口念、筆記等人工方式進(jìn)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(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Atmega1280芯片，它協(xié)調(diào)著各模塊正常工作，其存儲單元儲存讀取的RFID電子標(biāo)簽信息。能量供給可保證整個設(shè)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(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單元則能通過中國通信網(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)給后臺管理系統(tǒng)，該網(wǎng)絡(luò)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(biāo)簽信息。

2 主要硬件系統(tǒng)設(shè)計

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。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(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)備使用外接晶振線路。

2.2 射頻電源模塊的設(shè)計

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)動能力比較強，內(nèi)部有過流與過熱保護(hù)設(shè)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(guān)機;模塊在發(fā)射時，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(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(fù)載芯片工作的可靠性和安全性。

2.3 通信模塊設(shè)計

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)備能否正確及時獲取電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)。