城轨实验室2号线ATC系统规划与设计机车控制系统设计Word文档格式.docx
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对于铁路运输指挥手段及铁路信号技术方面，是铁路院校教育教学的重点部分。
在于实际各大铁路院校教学中，学生在进行实际操作和常见故障处理方面。
均有着教育教学效果及质量差等等的缺陷。
所以对于城市轨道交通技术的研究教学方面运用铁路信号沙盘系统则是一个有效的解决办法，本设计在沙盘上运行模拟仿真系统进行教育教学则是行之有效的解决方案[1]。
1.2国内外研究现状
对于国外方面，因为计算机技术的广泛运用，对于轨道交通管理与控制方面，对于列车运行自动控制，信号管理，仿真界面设计都有成熟的技术与产品。
例如俄罗斯的圣彼得堡国立交通大学、土尔曼交通大学等教学科研单位，都有相关的铁路信号沙盘实物。
在国内，北京交大，中南大学，西南交大峨眉校区均有相应的与教学适应的沙盘。
对于国内各大铁路局、例如成都铁路局、上海铁路局、北京地铁等等也在积极开发相关的沙盘控制仿真系统。
并从上层软件设计与仿真逐渐过渡到下层沙盘系统控制与使用[2]。
从这些介绍可以看到，无论是国内，还是国外的轨道交通技术教学培训方面，现在都具有一定的技术实现与相关实际设备。
而我校新建的城市轨道交通实验室的沙盘系统，则是一个实际运用的典范。
1.3本文研究的内容
西南交大峨眉校区铁路沙盘控制部分由车站自动控制部分、微机连锁部分、区间自动控制部分、模拟机车部分等组成。
其中模拟机车部分则是相当重要的部分之一，机车担负着在线路上运行、演示等的工作。
该部分要实现沙盘现场对机车的实时控制，运行以及读取线路上相关信息等等的功能。
而本文则针对沙盘系统中的机车控制部分进行了相关研究与设计。
并着重对机车与现场通信模块部分进行了相关探讨与改进。
最终实现了机车控制部分与数据无线传输部分的组网与改进工作。
因此，本文研究的主要内容如下：
1、研究城轨沙盘系统机车控制的需求信息。
2、研究城轨沙盘系统机车控制部分的硬件需求与搭建。
3、制作沙盘系统的机车控制部分及无线通信及信息传输部分。
4、对之前的无线通信模块部分进行研究与改进。
并对列车运行进行监控。
第2章机车控制部分需求分析
2.1机车控制部分综述
对于铁路沙盘控制系统而言，机车控制部分是一个很重要的部分。
其担负着机车运行，速度控制，线路信息采集，无限信息收发等相关功能。
是实际沙盘控制的核心之一。
其对于信息控制采集以及实际模型的运行有着很高的要求。
其主要要求实现的控制功能如图2-1所示。
图2-1机车控制部分示意图
如图2-1涉及到四个部分，MCU部分、无线收发部分、读卡部分、车速控制部分。
其中MCU部分为主控部分：
负责对无线信息进行监测与执行，对线路上的定位卡片进行采集，对于车速进行控制。
并对信息读取速度等方面都有一定的要求。
2.1.1MCU部分综述
对于主控置部分，本设计采用的控制芯片是STC89系列的控制芯片，以该芯片作为本设计控制部分的核心部件，以实现数据读取、采样以及控制等相关功能。
STC单片机简介[3]：
STC12C5A60S2单片机是北京海淀区宏晶科技公司出品的高性能单片机，具有快速、低耗能、抗干扰极强的8051单片机。
其运行速度是普通市面的C51单片机的8至12倍。
其内部核心部分集成了MAX810专用复位电路，8路高速10位的A/D转换，以及2路PWM等等超级厉害的功能。
其单片机内部结构如图2-2所示。
图2-2STC89C5A60S2系列内部框图
可以看到图2-2中STC89C5A60S2的资源是相当丰富的，具有足够的寄存器资源以及A/D采样转换资源，对于机车控制与信息采集，完全能满足本设计的需求。
2.1.2读卡设备部分综述
MF522-AN射频识别模块简介[4]：
MF522-AN是应用于13.56MHz非接触式通信中有着高集成度的读写卡芯片，是恩智浦公司为应对“三表”应用技术而开发的的一款低电压、低成本、体积小、非接触式的读写卡芯片，是智能仪表技术和便携式手持设备研发领域的优秀选择之一。
MFRC522模块中运用了前沿的调制技术与解调技术的相关概念，在13.56MHz频段下集成了几乎所有类型的被动型非接触式通信手段与相关协议。
并且支持14443A兼容应答器信号。
数字部分处理ISO14443A帧与错误检测等。
此外，还能够支持快速CRYPTO1加密算法，以及用语验证MIFARE系列产品等等。
MFRC522支持MIFARE系列的更高速非接触式通信方式，双工传输速率高达424kbit/s。
其为13.56MHz高集成度读写卡系列芯片的新产品，MFRC522与MFRC500及MFRC530等有不少相似，并且也具备很多的特点和差异。
它与主机间的通信采用连线较少的串行通信方式，并且可根据不同用户的需求，可以选取SPI、IIC或串行UART模式三者其中之一，有利于减少连线，缩小PCB板体积，降低成本等的顺利实现。
并且，还能够支持快速CRYPTO1加密算法，以及用语验证MIFARE的系列产品。
产品相关参数如下表2-1所示。
表2-1MF522-AN射频识别模块参数表
产品型号
MF522-AN型
工作电流
13—26毫安/直流3.3伏
空闲电流
10-13毫安/直流3.3伏
休眠电流
<
80uA
峰值电流
30mA
工作频率
13.56MHz
读卡距离
0～60mm（mifare1卡）
接口
SPI
数据传输速率
最大10Mbit/s
物理特性
尺寸：
40mm×
60mm
工作温度
摄氏-20—80度
储存温度
摄氏-40—85度
而MF522-AN射频识别模块实物图片如图2-3所示。
图2-3MF522-AN射频识别模块实物图片
模块基本工作流程如图2-4所示。
图2-4读卡设备示意图
机车在行驶过程中，如图2-4，通过MF522-AN射频识别模块实现对线路经过的IC卡进行读取计数，并且将数据反回至主控芯片STC2C5A60S2.实现对机车所处位置的实时监测。
2.1.3无线传输部分综述
由于要实现实际沙盘系统中的模拟驾驶控制台对运行中的机车进行实时控制，所以本设计在此处考虑使用无线传输模块作为硬件搭载，以此来实现模拟驾驶控制台对运行的机车实时控制的要求，如图2-5。
图2-5机车于控制台实际信息传输组合示意图
并且最关键的一点，就是因为线路上有可能有多辆机车同时运行的情况存在，在此时本设计要做到控制台对几辆机车的同时监控，所以需要本设计对模块进行组网通信与信息之间的传输。
在此之前，由于市面上存在着多种无线模块，所以本设计务必要对无线模块进行选择。
市面上一般存在着这几种无线模块：
1.NRF24L01模块[5]
NRF24L01是一款2.4GHz的单片高速2Mbps无线功能的收发芯片，其具有GFSK单片式收发功能，并且在其内部置有硬件链路层，同时该模块无线信息传输速率可达到1或2Mbps，而其SPI接口速率达8Mbps，并有多达125个可选工作频道，能够在很短的时间内实现跳频等相关功能，并且广泛运用于无线信息传输、遥控等多个领域。
是一款性能优良的无线数据收发芯片，如图2-6所示。
图2-6NRF24L01模块
2.APC220模块[6]
APC220模块是高度集成了半双工微功率的一款无线信息收发模块，并且在其中嵌入了高速运行的单片机和极其高性能射频功能芯片ADF7020-1。
独树一帜地采用了一种高质量极为有效的循环交织纠检错编码方式，大大地提高了芯片的抗干扰和灵敏度能力，可以达到纠24bits连续突发错误的性能。
APC220-43模块开启了多个频道的选择功能，可以在线修改串口，发射功率，射频等各种参数。
APC220-43模块能够透明传输任意长度的数据，并且用户无须编写复杂的设置或者传输程序，同时运行在小体积、宽电压的状态，传输距离可达1km-1.2km，并且有着丰富便捷的软件编程与设置功能，具有无比广泛的应用领域，如图2-7所示。
图2-7APC220无线通信模块
3.Zigbee无线通信模块[7]
Zigbee是一个由多无线数传模块组成的无线数传网络平台，与现有的移动通信的CDMA网或GSM网十分类似，对于任意一个Zigbee网络数传模块，其可以与移动网络的一个基站相对应，并且在整个网络范围内，相互之间可以进行相互数据传输与通信；
每个网络节点间的距离可以从75米直至扩展后的几百米，甚至几公里的距离；
另外整个Zigbee网络还可以实现与其它的各种网络相互连接。
而Zigbee模块最大的特点就是能够实现组网的功能，如图2-8所示。
图2-8Zigbee模块示意图
4.Wifi无线传输部分[8]
WiFi是目前应用最广泛的WLAN（无线局域网）标准，符合IEEE802.11b无线局域网络规范。
Wifi技术下工作的产品都使用IEEE802.11协议标准，其一个基本服务单元由分配系统（DS）、接入点（AP）、扩展服务单元（ESS）、关口（Portal）等组成。
wifi技术也是一种优良的无线通信方式。
而运用wifi标准制作的无线通信模块具有良好的无线通信传输功能。
并且wifi模块能够实现组网功能，如图2-9所示。
图2-9WIFI无线模块
针对以上四种模块的各自特点，本设计结合组网功能、传输速率、抗干扰性能、价格等方面考虑，本设计在前期选择了APC220模块作为本设计的无线传输模块，在后期改进工作中选择了wifi模块作为本设计的无线传输模块来使用。
第3章系统硬件设计
3.1系统整体方案设计
对于机车控制部分，需要本设计对于整体控制系统进行相关的硬件设计与制作，并将各个单独模块进行组合与搭载，并在之后进行相关的软件连调连试，再做出相关的改进，最后将产品成型。
硬件部分由电源电路，射频读写，电机驱动与语音报站和单片机控制部分等组成，系统的结构框图如图3-1所示。
图3-1机车车载控制系统结构框图
对于整个系统，MCU就是一个协调和控制的核心。
负责系统资源的使用和分配，实现对射频卡的读写完成、以无线收发数据、驱动电机、控制语音模块实现语音报站等相关功能的实现[9]。
3.2电源电路
由于本系统供电部分是使用的12V大容量铅蓄电池，而且一共需要三种电源：
12V、5V、3.3V（整个电源电路见图3-4），分别的用途如表3-1所示。
表31三种电源的用途
电源类型
电源用途
12V
电机驱动
5V
STC12C5616AD
3.3V
MFC522射频卡读写模块
74HC00和74HC04
WTV020-SD
APC250
LM1117
其中，12V转5V采用的是三端正电源直插式的稳压芯片7805，其电路图如图3-2。
由于3.3V电源要供读卡器和语音模块使用两者最大电流不到60mA故用贴片式的三端正电源稳压芯片LM1117即可，这样不仅可以加强电路板的紧凑感，而且还可以减少整个电路板的体积，也有助于电路的布线，具体电路图见图3-3。
图3-27805电源电路
图3-3LM1117电源电路
3.3电机驱动部分
电机驱动部分由两个BTS7960半桥式电机驱动芯片构成一个H桥电路用于电机的驱动，可允许最大至43A的电流。
电路具有故障输出端口可供微控制器使用，实现过流，欠压保护等功能，电路输出可驱动两路同步电机，电路图3-4见下面所示。
图3-4BTS7960电机驱动电路
3.4MFRC522射频卡读写部分
MFRC522是高度集成的非接触式（13.56MHz）读写卡芯片。
此发送模块利用调制和解调的原理，并将它们完全集成到各种非接触式通信方法和协议中。
对于该读写器，支持ISO14443A/MIFARE。
MFRC522的内部发送器部分可驱动读卡器天线于ISO14443A/MIFARE卡和应答器的通信，而无需其它的电路辅助。
接收器部分提供一个功能强大和高效的解调、译码电路，以用来处理兼容ISO14443A/MIFARE的卡和应答器的信号。
数字电路部分而言，能够处理完整的ISO14443A/MIFARE帧和错误检测。
MFRC522支持MIFARE系列器件。
MFRC522支持MIFARE更高的非接触式通信，双向数据传输率可以高达424kbit/s。
3.4.1MFRC522特性
●64字节的发送和接收FIFO缓冲区；
●支持低功耗硬件复位、软件掉电、内部自测试和自由编程的I/O管脚；
●支持ISO14443A/MIFARE系列加密；
●高度集成模拟电路，解调和译码响应；
●输出驱动器具有一定的缓冲能力，并且天线的连接使用最少的外部元件；
●读写器与ISO14443A/MIFARE的通信距离可以长至50mm（但是要取决于天线的长度与调谐功能）；
●支持ISO14443A/MIFARE；
●支持SPI接口，I2C接口，异步串行接口。
3.4.2MFRC522射频卡读写模块电路
MFRC522射频卡读写模块是实现机车定位和追踪的关键，其提供的接口方式占用的I/O数量都是比较少的，但考虑软件编写的复杂性和串口资源有限所以考虑用SPI接口方式，具体电路见图3-5。
图3-5射频卡读写电路
3.5无线模块电路
3.5.1APC220模块
对于无线模块电路，本设计在前期采用的是APC220模块。
APC220模块采用的是高度集成的半双工微功率无线数据收发模块，其嵌入了高速单片机和高性能射频芯片。
并使用了高效循环交织检错编码技术，将抗干扰和灵敏度都大大提高，最大可以纠错连续24bit突发错误，具体参数见表3-2。
表3-2APC250主要参数
最大通信距离
1800m@1200bps
工作方式
异步串行口
频率范围（-3dB）
230-960MHz
接收灵敏度
-121dBm@1200bps
通信速率
1.2Kbps-57.6Kbps
发射电流
≦100mA
调制方式
GFSK
接收电流
≦20mA
FIFO大小
双256Bytes
发射功率
7级可调
工作湿度
10%~90%（无冷凝）
校验方式
高效循环交织码
≦3uA
工作温度范围
-30～+85℃
电源电压范围
DC：
+3.4～+5.5V
抗冲击
2000g
APC220无线模块是整个机车车载系统与控制系统的通信通道。
起着上下连接的作用，接收上位机程序的各项控制命令，并在需要时及时返回相关数据，具体的电路图见图3-6所示。
图3-6APC220电路
但是对于APC220模块而言存在一个缺陷，就是无法完成组网的功能要求，并且对于处于两路信息同时传输的状态之时，会发生相互之间的干扰，导致信号失真。
3.5.2USR-WIFI232-T模块
对于无线传输模块的选择，本设计在后期采用了wifi模块，因为基于该模块能够支持wifi协议及配置，以及802.11b\g\n的组网协议栈。
在购置模块时，本设计选择了一款USR-WIFI232-T的wifi模块作为本设计的无线传输模块来使用。
该款WIFI模块具有如下优点：
●支持802.11b\g\n协议标准；
●低功耗；
●支持STA/AP/STA+AP共存工作模式
●支持多至五路的TCPClient连接；
●超小尺寸
USR-WIFI232-T系列产品可以用于实现串口到WIFI数据包的双向透明转发，用户无需关心具体细节，模块内部完成协议转换，串口一侧串口数据透明传输，WIFI网络一侧是TCPIP数据包，通过简单设置即可指定工作细节，设置可以通过模块内部的网页进行，也可以通过串口使用AT指令进行，也可以使用本设计配套提供的设置软件，一次设置永久保存。
3.5.3Wifi模块转接板设计
因为在之前本设计使用的是APC220模块，而之后选用的是能够组网的wifi模块，两者的VCC、GND，RXD，TXD接口位置互不相同，如下表3-3所示。
表3-3wifi模块转接版端子对应表
模块
各端接口
VCC
GND
RXD
TXD
APC220管脚号
2
1
4
5
USR-WIFI232-T
6
所以本设计需要对APC220的RXD与TXD的管脚与USR-WIFI232-T模块的RXD与TXD位置进行一定的转换。
并且APC220是5V供电，而USR-WIFI232-T是3.3V供电，这是值得注意的一个地方。
如下图3-7、3-8、3-9所示。
图3-7转换对应引脚图
图3-8转换板设计的原理图
图3-9转换板设计的PCB图
3.6单片机最小系统
1.STC12C56XXAD简介
STC（宏晶科技）是深圳一个从事专业8051单片机设计和生产的高新科技公司。
STC系列单片机在中国目前的51型单片机市场取得了较大比例的占有率，并已成为全球最大的专业从事8051单片机设计、高性能的SRAM，并获得相关国际测试机构的多项权威认证。
STC12C5616AD就是其最新推出的一款28Pin的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是超强抗干扰/低功耗/高速的新一代8051单片机，其运行时钟速度是传统8051单片机的8-12倍，并且指令代码与传统8051单片机兼容良好。
并在其系统内部集成MAX810专用的复位电路，存在8路高速的A/D转换通道，与4路PWM，并且针对电机的控制，强干扰的场合。
STC12C5616AD具有以下特性：
●丰富的接口：
9路外部中断，4路PWM，10位精度ADC有8路，全双工异步串口具有2路，SPI同步通信接口1路
●单机器/时钟周期，并且与传统8051单片机指令兼容良好
●工作电压：
3.5V-5.5V（5V单片机）
●工作频率范围：
0～35MHz
●用户可使用的程序空间：
16K字节，并集成了768字节RAM
●通用I/O口23个，供有四种模式可设置：
强推挽、弱上拉、开漏、高阻，每个I/O口可单独驱动20mA的外部器件，但整个芯片不能超过55mA
●具有PCA功能
2.单片机的最小系统
单片机的最小系统包括复位电路，时钟电路和单片机几个部分组成。
并且本设计为了提高单片机的工作速率，采用了22.1184MHz的外部晶振，并采用上电自动复位电路，详细电路图见下图3-11。
图3-10STC12C5616AD单片机最小系统
第4章无线通信方式设计
4.1无线通信技术概述
因为本设计需要完成对线路上运行的机车实现实时监控，并且在多辆列车运
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