基于A(yíng)Tmega1280的列車(chē)臨時(shí)限速手持巡檢設備設計

摘要：近年來(lái)為提高列車(chē)安全運行，列車(chē)臨時(shí)限速技術(shù)被應用到鐵路系統，手持巡檢設備是臨時(shí)限速系統的重要組成部分。列車(chē)臨時(shí)限速是指鐵道線(xiàn)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ATmega1280處理器的列車(chē)臨時(shí)限速手持巡檢設備的工作原理及主要功能。該設備通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，準確及時(shí)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(luò )及時(shí)將標簽數據傳輸給后臺系統，以便在出現緊急情況時(shí)，快速反應，及時(shí)處理危機，最大限度減少損失。

0 引言

自1994年中國鐵路實(shí)施大面積提速以來(lái)，鐵路列車(chē)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)節和安全隱患。技術(shù)裝備的落后，人為對安全問(wèn)題的疏忽等都不能適應鐵路系統現代化的需要，鐵路行車(chē)安全正越來(lái)越受到人們的關(guān)注。列車(chē)臨時(shí)限速手持巡檢設備是列車(chē)臨時(shí)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、設定和數據傳送主要依靠此設備。鐵路巡檢對鐵路運輸的安全保障有很重要的作用，但是過(guò)去對列車(chē)如車(chē)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(shí)費力!并且容易留下重大安全隱患。新興電子巡檢系統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，是現今科技進(jìn)步的產(chǎn)物，它的出現極大地降低了管理成本。

1 系統概述

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。其系統框圖如圖1所示。核心控制模塊是AVR單片機Atmega1280芯片，它協(xié)調著(zhù)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(gè)設備系統正常穩定地運作。傳輸通信模塊包括ZigBee無(wú)線(xiàn)射頻、GSM單元：手持巡檢設備上的無(wú)線(xiàn)射頻與RFID電子標簽無(wú)線(xiàn)部分構成無(wú)線(xiàn)數據傳輸通道;GSM單元則能通過(guò)中國通信網(wǎng)絡(luò )GSM傳送巡檢設備獲取到和將要設定的電子標簽數據給后臺管理系統，該網(wǎng)絡(luò )可靠安全。人機交互操作簡(jiǎn)單，支持鍵盤(pán)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字節在線(xiàn)可重復編程Flash(擦寫(xiě)次數為10000次)。4k字節EEPROM(擦寫(xiě)次數為100000次);8k字節SRAM;54個(gè)通用I/O口;32個(gè)通用寄存器;實(shí)時(shí)計數器(RTC);6個(gè)具有比較模式和PWM的定時(shí)器/計數器;4個(gè)UART接口，一個(gè)兩線(xiàn)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轉化器，一個(gè)帶有內部振蕩器的可編程看門(mén)口定時(shí)器;一個(gè)SPI口;一個(gè)符合IEEE std.1149.1標準的JTAG測試接口，也可用訪(fǎng)問(wèn)片內Debug系統編程;6種可通過(guò)軟件選擇的省電模式;帶有執行時(shí)間為兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器。Atmega1280已經(jīng)內置RC振蕩線(xiàn)路，考慮通信波特率的問(wèn)題，手持巡檢設備使用外接晶振線(xiàn)路。

2.2 射頻電源模塊的設計

手持巡檢設備用兩節可充電蓄電池(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(mǎn)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降壓兩種，并且它的降壓輸出穩定、電壓轉換效率高、電流輸出驅動(dòng)能力比較強，內部有過(guò)流與過(guò)熱保護設計等優(yōu)點(diǎn)。西門(mén)子公司的TC35i模塊正常工作電壓有比較獨特的需求：供電電壓需穩定地高于3.3V，否則會(huì )自動(dòng)關(guān)機;模塊在發(fā)射時(shí)，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(guò)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穩定的直流電壓，電路如圖2所示。

根據LM2576芯片管腳的特性，對其工作時(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。根據常見(jiàn)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(shí)際的輸入電壓、可調輸出電壓以及開(kāi)關(guān)頻率參數可以定性電壓微妙常數(E*T)，此常數結合LM2576的負載電流曲線(xiàn)能確定所需的電感值。

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

(3)比例調節電阻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電子標簽數據獲取、設定的最關(guān)鍵部分;無(wú)線(xiàn)數據能否可靠安全的傳輸，將直接關(guān)系手持巡檢設備能否正確及時(shí)獲取電子標簽的數據。