基于ATmega1280的列车临时限速手持巡检设备设计

摘要：近年来为提高列车安全运行，列车临时限速技术被应用到铁路系统，手持巡检设备是临时限速系统的重要组成部分。列车临时限速是指铁道线路固定限速之外的、具有时效性的限速。本文介绍了一种基于AVR单片机ATmega1280处理器的列车临时限速手持巡检设备的工作原理及主要功能。该设备通过ZigBee无线通信技术，准确及时获取布置在铁路上的RFID(射频识别)标签信息，并结合GSM网络及时将标签数据传输给后台系统，以便在出现紧急情况时，快速反应，及时处理危机，最大限度减少损失。

0 引言

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 主要硬件系统设计

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。