基于ZigBee技术的HXD1B型机车数据传输系统设计

2012-11-29宋亚岚

铁路计算机应用 2012年3期

李鑫，宋亚岚

（1.武汉铁路局江岸机务段，武汉 430014；2.中国地质大学江城学院，武汉 430200）

HXD1B型交流传动电力机车是新型大功率交流传动8轴货运机车，具有功率大、恒功率速度范围宽、粘着性能好、效率高和能源消耗低等特点。该机车采用SIBAS32控制系统和列车通讯网络（TCN），多功能车辆总线（MVB）连接机车内部所有的网络设备。

传输介质采用专用的4芯屏蔽线, 传输速率达1.5 Mbit／s，在机车检修时，通常需要下载中央控制单元（CCU）和牵引控制单元（TCU）的数据信息，对每台机车建立数据库，进行信息化管理和故障分析，通过检修人员上传机车转储数据，费时费力。

基于以上原因，设计了一种基于ZigBee技术的HXD1B机车数据传输系统，实现MVB总线和ZigBee总线之间可靠的数据连接，可以方便数据的获取与分析，以及软件的更新。

1 系统体系架构

机车数据传输系统由MVB总线传输、ZigBee无线传输和电源管理等部分组成。

（1）MVB总线传输部分负责接收MVB总线上的命令和数据，发送由微控制器传输给总线的数据信息。（2）ZigBee无线传输通过ZigBee控制器交换微控制器与上位机的信息。（3）电源系统采用专用模块，将110 V转变成系统所需的5 V和3.3 V电源。在机车上，电源起伏在±30% 范围内，系统应该正常工作。使用victor电源模块vijto-mz，允许输入电压范围为66 V～160 V，输出电压5 V，输出功率25 W。

系统体系架构见图1。

2 硬件设计

2.1 硬件选型

图1 系统体系构架

2.1.1 LM3S5749单片机

LM3S5749是具有ARM Cortex-M3 v7M架构的32 bit单片机，可用于远程监控、电子贩售机、测试和测量设备、网络设备和交换机以及工厂自动化等。

LM3S5749单片机的外设资源丰富：拥有时钟复位系统控制器、DMA控制器、通用输入输出端口、温度传感器、通用异步收发器、同步串行接口、I2C接口、模拟比较器、模数转换器、脉宽调制器、正交编码器、通用定时器、系统定时器、看门狗定时器、USB、控制器局域网及32 bit地址总线和数据总线[1]。

2.1.2 MVB控制器

多功能车辆总线控制器MVBC是MVB总线上的新一代接口器件，它独立于物理层和功能设备并执行物理层驱动，可通过配置应用在符合IEC TCN标准的1、2、3、4类设备中。

MVBC01专用芯片的主要特点：

（1）数据速率达1.5 Mbps；

（2）采用曼彻斯特编码；

（3）信号质量检测；

（4）支持16 bit数据传输；

（5）具有最大4 095个端口的逻辑地址报文；

（6）超时机制；16 kbyte～1 Mbyte的通信存储器；

（7）可用软件修改设备地址；

（8）最大可拥有4 095个逻辑地址报文端口；

（9）自动报文分析和评估；

（10）错误和冲突检测；

（11）与控制微处理器的接口配置容易[2]。

2.1.3 CC2420射频芯片

CC2420是一款符合IEEE 802.15.4规范的2.4 GHz射频芯片，用来开发工业无线传感及家庭组网等PAN网络的ZigBee设备和产品。

芯片主要性能特点：

（1）工作频带范围为2.400 GHz～2.483 5 GHz；

（2）采用IEEE802.15.4规范要求的直接序列扩频方式；

（3）数据速率达250 kbps；

（4）采用O-QPSK调制方式；

（5）超低电流消耗（RX：19.7 mA，TX：17.4 mA）高接收灵敏度（-99 dBm）；

（6）抗邻频道干扰能力强（39 dB）；

（7）输出功率编程可控；

（8）与控制微处理器的接口配置容易[3]。

2.2 硬件电路设计

MVBC01内部集成（TMC）模块，负责控制通信存储器的访问模式和对ARM处理器和MVBC同时访问通信存储器所产生的访问冲突做出仲裁。

通信存储器分别通过数据线，地址线和ARM处理器以及MVBC01相连，从而实现数据交换和地址寻址。

微控制器接收来自MVBC的中断信号，以此接收MVB总线上的数据。

MVBC端口ICA和ICB分别为MVB输入数据通道A和输入数据通道B，接收来自物理层收发器MAX3086的MVB信号，将数据送入MVB通信控制器MVBC01中。MVBC端口OC是MVB数据输出端口，数据经由此端口将发送至MAX3086；MVBC端口SF（Send Frame）为输出端口，输出信号可作为MAX3068的使能信号。

CPU与MVB接口原理见图2。

图2 CPU与MVB接口原理图

CC2420可以通过4线SPI总线（SI/SO/SCLK/CSn）设置芯片的工作模式，实现读/写缓存数据、状态寄存器等。通过控制FIFO和FIFOP管脚接口的状态可设置发射/接收缓存器。通过CCA管脚状态的设置可以控制清除通道估计。通过SFD管脚状态的设置可以控制时钟/定时信息的输入。CC2420借助管脚（RFP/SWITCH/RFN）与CC2591的（RFP/RXTX/RFN）相连，CC2591集成了可将输出功率提高＋22 dBm的功率放大器以及可将接收机灵敏度提高＋6 dB的低噪声放大器，从而能够显著增加无线系统的覆盖范围。

CPU与ZigBee接口原理见图3。

图3 CPU与ZigBee接口原理图

3 软件设计

软件设计主要包括：MVBC初始化、CC2420初始化和MVB与ZigBee的数据交换3部分，程序流程见图4。

图4 系统软件流程图

3.1 MVBC初始化

3.1.1 MVBC01硬件复位后

MVBC01硬件复位后，此时复位模式IL=0，存储区配置模式为0(MCM=0)。初始化步骤如下：

（1）设置IL=1以允许MVBC01的配置。（2）修改内存配置寄存器（MCR）中MCM、QO、MO的值。（3）初始化定义状态控制寄存器（SCR），配置和激活异步定时器。（4）格式化LA-PIT和DA-PIT，清除的端口和控制寄存器PCS的所有物理端口，读最初的设备地址或者修改。（5）设置解码器寄存器的SLM位为1和中断控制器设置。

3.1.2 通信存储器和端口初始化

（1）初始化所有的过程数据端口、消息数据端口和监视数据端口。（2）对于总线管理器，建立主帧表。（3）设置全操作模式IL=3。（4）检查并激活总线管理器[2]。

3.2 CC2420初始化

在使用CC2420进行无线数据传输之前，必须根据需要进行一些配置。由微控制器通过SPI接口发送命令给CC2420，以此达到初始化CC2420。初始化步骤如下：

（1）VREGEN引脚置高等待稳压器开启。（2）RST拉低引脚复位CC2420。（3）等待晶振起振。（4）设置配置寄存器，可以选择是否使用地址认证、安全认证等功能，同时还需要设置好发送和接收的频道。

3.3 MVB与ZigBee的数据交换

主程序对系统进行初始化后开放MVBC接收中断和CC2420接收中断，在中断服务程序中对事件进行分析和处理，并设置相应的变量标志和数据缓冲区。主程序查询标志，如果命令来自于MVB总线，控制MVBC和通讯存储器TM解析协议接收数据，并开启CC2420无线发送命令，发送数据。如果命令来自于CC2420，解析ZigBee命令接收数据，并将数据存于缓冲区，通知MVBC发送数据到MVB总线。