基于ZigBee技術的HXD1B型機車數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設計

李 鑫，宋亞嵐

（1.武漢鐵路局 江岸機務段，武漢 430014；2.中國地質(zhì)大學 江城學院，武漢 430200）

HXD1B型交流傳動電力機車是新型大功率交流傳動8軸貨運機車，具有功率大、恒功率速度范圍寬、粘著性能好、效率高和能源消耗低等特點。該機車采用SIBAS32控制系統(tǒng)和列車通訊網(wǎng)絡（TCN），多功能車輛總線（MVB）連接機車內(nèi)部所有的網(wǎng)絡設備。

傳輸介質(zhì)采用專用的4芯屏蔽線, 傳輸速率達1.5 Mbit／s，在機車檢修時，通常需要下載中央控制單元（CCU）和牽引控制單元（TCU）的數(shù)據(jù)信息，對每臺機車建立數(shù)據(jù)庫，進行信息化管理和故障分析，通過檢修人員上傳機車轉(zhuǎn)儲數(shù)據(jù)，費時費力。

基于以上原因，設計了一種基于ZigBee技術的HXD1B機車數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)MVB總線和ZigBee總線之間可靠的數(shù)據(jù)連接，可以方便數(shù)據(jù)的獲取與分析，以及軟件的更新。

1 系統(tǒng)體系架構(gòu)

機車數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由MVB總線傳輸、ZigBee無線傳輸和電源管理等部分組成。

（1）MVB總線傳輸部分負責接收MVB總線上的命令和數(shù)據(jù)，發(fā)送由微控制器傳輸給總線的數(shù)據(jù)信息。（2）ZigBee無線傳輸通過ZigBee控制器交換微控制器與上位機的信息。（3）電源系統(tǒng)采用專用模塊，將110 V轉(zhuǎn)變成系統(tǒng)所需的5 V和3.3 V電源。在機車上，電源起伏在±30% 范圍內(nèi)，系統(tǒng)應該正常工作。使用victor電源模塊vijto-mz，允許輸入電壓范圍為66 V～160 V，輸出電壓5 V，輸出功率25 W。

系統(tǒng)體系架構(gòu)見圖1。

2 硬件設計

2.1 硬件選型

圖1 系統(tǒng)體系構(gòu)架

2.1.1 LM3S5749單片機

LM3S5749是具有ARM Cortex-M3 v7M架構(gòu)的32 bit單片機，可用于遠程監(jiān)控、電子販售機、測試和測量設備、網(wǎng)絡設備和交換機以及工廠自動化等。

LM3S5749單片機的外設資源豐富：擁有時鐘復位系統(tǒng)控制器、DMA控制器、通用輸入輸出端口、溫度傳感器、通用異步收發(fā)器、同步串行接口、I2C接口、模擬比較器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、脈寬調(diào)制器、正交編碼器、通用定時器、系統(tǒng)定時器、看門狗定時器、USB、控制器局域網(wǎng)及32 bit地址總線和數(shù)據(jù)總線[1]。

2.1.2 MVB控制器

多功能車輛總線控制器MVBC是MVB總線上的新一代接口器件，它獨立于物理層和功能設備并執(zhí)行物理層驅(qū)動，可通過配置應用在符合IEC TCN標準的1、2、3、4類設備中。

MVBC01專用芯片的主要特點：

（1）數(shù)據(jù)速率達1.5 Mbps；

（2）采用曼徹斯特編碼；

（3）信號質(zhì)量檢測；

（4）支持16 bit數(shù)據(jù)傳輸；

（5）具有最大4 095個端口的邏輯地址報文；

（6）超時機制；16 kbyte～1 Mbyte的通信存儲器；

（7）可用軟件修改設備地址；

（8）最大可擁有4 095個邏輯地址報文端口；

（9）自動報文分析和評估；

（10）錯誤和沖突檢測；

（11）與控制微處理器的接口配置容易[2]。

2.1.3 CC2420射頻芯片

CC2420是一款符合IEEE 802.15.4規(guī)范的2.4 GHz射頻芯片，用來開發(fā)工業(yè)無線傳感及家庭組網(wǎng)等PAN網(wǎng)絡的ZigBee設備和產(chǎn)品。

芯片主要性能特點：

（1）工作頻帶范圍為2.400 GHz～2.483 5 GHz；

（2）采用IEEE802.15.4規(guī)范要求的直接序列擴頻方式；

（3）數(shù)據(jù)速率達250 kbps；

（4）采用O-QPSK調(diào)制方式；

（5）超低電流消耗（RX：19.7 mA，TX：17.4 mA）高接收靈敏度（-99 dBm）；

（6）抗鄰頻道干擾能力強（39 dB）；

（7）輸出功率編程可控；

（8）與控制微處理器的接口配置容易[3]。

2.2 硬件電路設計

MVBC01內(nèi)部集成（TMC）模塊，負責控制通信存儲器的訪問模式和對ARM處理器和MVBC同時訪問通信存儲器所產(chǎn)生的訪問沖突做出仲裁。

通信存儲器分別通過數(shù)據(jù)線，地址線和ARM處理器以及MVBC01相連，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和地址尋址。

微控制器接收來自MVBC的中斷信號，以此接收MVB總線上的數(shù)據(jù)。

MVBC端口ICA和ICB分別為MVB輸入數(shù)據(jù)通道A和輸入數(shù)據(jù)通道B，接收來自物理層收發(fā)器MAX3086的MVB信號，將數(shù)據(jù)送入MVB通信控制器MVBC01中。MVBC端口OC是MVB數(shù)據(jù)輸出端口，數(shù)據(jù)經(jīng)由此端口將發(fā)送至MAX3086；MVBC端口SF（Send Frame）為輸出端口，輸出信號可作為MAX3068的使能信號。

CPU與MVB接口原理見圖2。

圖2 CPU與MVB接口原理圖

CC2420可以通過4線SPI總線（SI/SO/SCLK/CSn）設置芯片的工作模式，實現(xiàn)讀/寫緩存數(shù)據(jù)、狀態(tài)寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設置發(fā)射/接收緩存器。通過CCA管腳狀態(tài)的設置可以控制清除通道估計。通過SFD管腳狀態(tài)的設置可以控制時鐘/定時信息的輸入。CC2420借助管腳（RFP/SWITCH/RFN）與CC2591的（RFP/RXTX/RFN）相連，CC2591集成了可將輸出功率提高＋22 dBm的功率放大器以及可將接收機靈敏度提高＋6 dB的低噪聲放大器，從而能夠顯著增加無線系統(tǒng)的覆蓋范圍。

CPU與ZigBee接口原理見圖3。

圖3 CPU與ZigBee接口原理圖

3 軟件設計

軟件設計主要包括：MVBC初始化、CC2420初始化和MVB與ZigBee的數(shù)據(jù)交換3部分，程序流程見圖4。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

3.1 MVBC初始化

3.1.1 MVBC01硬件復位后

MVBC01硬件復位后，此時復位模式IL=0，存儲區(qū)配置模式為0(MCM=0)。初始化步驟如下：

（1）設置IL=1以允許MVBC01的配置。（2）修改內(nèi)存配置寄存器（MCR）中MCM、QO、MO的值。（3）初始化定義狀態(tài)控制寄存器（SCR），配置和激活異步定時器。（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，讀最初的設備地址或者修改。（5）設置解碼器寄存器的SLM位為1和中斷控制器設置。

3.1.2 通信存儲器和端口初始化

（1）初始化所有的過程數(shù)據(jù)端口、消息數(shù)據(jù)端口和監(jiān)視數(shù)據(jù)端口。（2）對于總線管理器，建立主幀表。（3）設置全操作模式IL=3。（4）檢查并激活總線管理器[2]。

3.2 CC2420初始化

在使用CC2420進行無線數(shù)據(jù)傳輸之前，必須根據(jù)需要進行一些配置。由微控制器通過SPI接口發(fā)送命令給CC2420，以此達到初始化CC2420。初始化步驟如下：

（1）VREGEN引腳置高等待穩(wěn)壓器開啟。（2）RST拉低引腳復位CC2420。（3）等待晶振起振。（4）設置配置寄存器，可以選擇是否使用地址認證、安全認證等功能，同時還需要設置好發(fā)送和接收的頻道。

3.3 MVB與ZigBee的數(shù)據(jù)交換

主程序?qū)ο到y(tǒng)進行初始化后開放MVBC接收中斷和CC2420接收中斷，在中斷服務程序中對事件進行分析和處理，并設置相應的變量標志和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。主程序查詢標志，如果命令來自于MVB總線，控制MVBC和通訊存儲器TM解析協(xié)議接收數(shù)據(jù)，并開啟CC2420無線發(fā)送命令，發(fā)送數(shù)據(jù)。如果命令來自于CC2420，解析ZigBee命令接收數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存于緩沖區(qū)，通知MVBC發(fā)送數(shù)據(jù)到MVB總線。

4 結(jié)束語

基于ZigBee技術的HXD1B機車數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可通過ZigBee接口實現(xiàn)MVB網(wǎng)絡配置、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲和狀態(tài)監(jiān)視等功能。系統(tǒng)充分利用了ZigBee低速率、低功耗、低成本和自配置的特點，將機車數(shù)據(jù)信息進行統(tǒng)一管理，有利于降低機車檢修成本。

[1]TI. LMS5749 Datasheet[Z]. America：TI，2008.

[2]Adtranz. Multifunction Vehicle Bus Controller Data Sheet[Z].Switzerland: Adtranz, 1997.

[3]TI. CC2420 Datasheet[Z]. America: TI, 2008.