摘 要： 隨著城市軌道交通的迅猛發(fā)展，地鐵列車的安全性與舒適性越來(lái)越成為乘客關(guān)注的重大議題，其中保障通信順暢是確保列車安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)之一。本文針對(duì)上海地鐵三號(hào)線阿爾斯通軌道列車的乘客緊急通信單元不足之處，提出了一套以ATmega8-A為控制核心的解決方案，并給出了乘客緊急通信單元的硬件設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)方法，旨在為軌道列車技術(shù)國(guó)產(chǎn)化盡微薄之力。
關(guān)鍵詞： 乘客緊急單元；Atmega8-A；USART；通信接口
0 引言
乘客信息系統(tǒng)（Passenger Information System，PIS）被廣泛應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外各種有軌車輛、地鐵、動(dòng)車及高鐵等交通工具上。PIS給乘客提供各種旅途信息，已經(jīng)被廣大乘客所接受，其已成為地鐵列車設(shè)計(jì)的必需系統(tǒng)。乘客緊急單元（PECU）是PIS的重要外設(shè)。PECU是乘客或列車自身出現(xiàn)異常情況時(shí)，乘客與司機(jī)緊急聯(lián)系的唯一通道，它的可靠性直接影響列車安全運(yùn)行甚至乘客的生命安全。目前，我國(guó)的PECU一般都采用國(guó)外技術(shù)，出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，其維修難度高而且費(fèi)用昂貴。另外隨著地鐵的運(yùn)行，原有的PECU裝備也會(huì)出現(xiàn)老化等問(wèn)題。因此必須對(duì)PECU進(jìn)行研究，盡快實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)，使其性能更加卓越，安全性能更高[1]。
1 乘客緊急通信單元硬件設(shè)計(jì)
本乘客緊急通信單元的設(shè)計(jì)以ATmega8-A單片機(jī)為控制核心，主要由控制信號(hào)輸入接口、通信接口、音頻放大及電源等模塊組成。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
當(dāng)列車出現(xiàn)緊急情況，乘客按下客室內(nèi)的呼叫按鈕，在司機(jī)應(yīng)答之后便可實(shí)現(xiàn)全雙工通信。ATmega8-A接收從控制口發(fā)來(lái)的命令并解析，將音頻數(shù)據(jù)通過(guò)硬件電路在車廂或者司機(jī)室內(nèi)進(jìn)行播放[2]。
1.1 微控制器Atmega8-A
AVR單片機(jī)是1997年Atmel公司推出的RISC（精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)）單片機(jī)。RISC并非只是簡(jiǎn)單地去減少指令，而是通過(guò)使計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單合理而提高運(yùn)算速度。由于AVR單片機(jī)采用了RISC的這種結(jié)構(gòu)，使其具備了1 MIPS/MHz的高速處理能力。AVR單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)采取8位機(jī)與16位機(jī)的折中策略，即采用局部寄存器存堆（32個(gè)寄存器文件）和單體高速輸入/輸出的方案[3]。它在軟/硬件開(kāi)銷、速度、性能和成本諸多方面取得了優(yōu)化平衡，是高性價(jià)比的單片機(jī)。Atmega8-A是AVR系列中的一員，它具有8 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash、512 KB的EEPROM、擦寫壽命可達(dá)10 000次、1 KB的片內(nèi)SRAM等特點(diǎn)，具有良好的抗干擾性和穩(wěn)定性[4]。
1.2 通信串口模塊
通信接口是指微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)直接進(jìn)行數(shù)字通信的接口電路。圖2中MAX487CPA是MAXIM公司的差分平衡型收發(fā)器芯片，是用于TTL協(xié)議與RS-485通信協(xié)議的一種低功耗收發(fā)器。其每個(gè)器件中都具有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器，收發(fā)器在驅(qū)動(dòng)器禁用的空載或滿載狀態(tài)下，吸取的電源電流在120 A~500 A之間。另外，MAX487具有低電流關(guān)斷模式，僅消耗0.1 μA，所有器件都工作在5 V單電源下。因此選取該芯片可以很好地符合本設(shè)計(jì)的要求[5]。
1.3 放大電路模塊
放大電路能夠?qū)⒁粋€(gè)微弱的交流小信號(hào)（疊加在直流工作點(diǎn)上），通過(guò)一個(gè)裝置（核心為三極管、場(chǎng)效應(yīng)管）轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)波形相似（不失真），但幅值卻大很多的交流大信號(hào)輸出。實(shí)際的放大電路通常是由信號(hào)源、晶體三極管構(gòu)成的放大器及負(fù)載組成[6]。本設(shè)計(jì)采用Tda2052單聲道功率放大器芯片。它能夠提供4個(gè)高功率8 負(fù)載阻抗，具有寬電壓范圍的高輸出電流能力。Tda2052放大器的主要特點(diǎn)是：高輸出功率、AC短路保護(hù)、熱關(guān)閉掉電保護(hù)、ESD保護(hù)以及Mute/Stand-By功能。Tda2052可以工作在正負(fù)25 V的電壓環(huán)境下，沒(méi)有開(kāi)關(guān)噪音。
2 乘客緊急通信單元軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
乘客緊急通信單元的軟件設(shè)計(jì)主要包括USART通信協(xié)議和單片機(jī)主控制程序兩大部分。
2.1 USART簡(jiǎn)介
AVR單片機(jī)的異步串行收發(fā)器（UniversalSynchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，USART）是一個(gè)全雙工通用同步/異步串行收發(fā)模塊。其主要特點(diǎn)包括全雙工操作（相互獨(dú)立地接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)）、異步或同步操作、主機(jī)或從機(jī)提供時(shí)鐘的同步操作、高精度的波特率發(fā)生器、具有5/6/7/8/9個(gè)數(shù)據(jù)位和1或2個(gè)停止位、硬件支持奇偶校驗(yàn)操作、幀錯(cuò)誤檢測(cè)、噪聲濾波、三個(gè)獨(dú)立的中斷、多處理器通信模式等特點(diǎn)[7]。
USART發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖寄存器和USART接收數(shù)據(jù)緩沖寄存器共享相同的I/O地址，稱為USART數(shù)據(jù)寄存器或UDR。將數(shù)據(jù)寫入U(xiǎn)DR時(shí)實(shí)際操作的是發(fā)送數(shù)據(jù)到緩沖寄存器（TXB），讀UDR時(shí)實(shí)際返回的是接收數(shù)據(jù)緩沖寄存器（RXB）的內(nèi)容[8]。
本設(shè)計(jì)采用查詢方式的USART通信方式，詳細(xì)地介紹USART初始化函數(shù)usart_init（）、發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)usart_SendByte（）以及接收數(shù)據(jù)函數(shù)usart_ReceiveByte（）。
void usart_init（void）//USART初始化
{
UCSRB=0x00；
UCSRA=0x00；
UBRRH=（unsigned char）（UBRR_0>>8）；//設(shè)置波特率
UBRRL=（unsigned char）UBRR_0；
UCSRB=（1<<RXCIE）|（1<<RXEN）|（1<<TXEN）；
//接收器和發(fā)送器使能
UCSRC=（1<<URSEL）|（1<<UPM1）|（1<<UCSZ1）|（1<<UCSZ0）；//奇偶校驗(yàn)
}
void usart_SendByte（unsigned char data）//查詢方式發(fā)送
{
while（!（UCSRA&（1<<UDRE）））；
//等待發(fā)送緩沖器為空
UDR=data；//將數(shù)據(jù)放入緩沖器，發(fā)送數(shù)據(jù)
}
unsigned char usart_ReceiveByte（void）//查詢方式接收
{
while（!（UCSRA&（1<<RXC）））；//等待接收數(shù)據(jù)
return UDR；//從緩沖器獲取并返回?cái)?shù)據(jù)
}
2.2 單片機(jī)主程序
2.2.1 單片機(jī)主程序流程圖
圖3是本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)流程圖，結(jié)合AVR單片機(jī)的知識(shí)，介紹本設(shè)計(jì)單片機(jī)工作的流程。
2.2.2 單片機(jī)主程序代碼
主程序包括端口初始化函數(shù)port_init（）、定時(shí)器中斷初始化函數(shù)timer0_init（）、timer1_init（）以及設(shè)備初始化函數(shù)device_init（）。其中端口初始化函數(shù)將PORTB、PORTC設(shè)置為輸入，PORTD的高5位為輸出，低3位為輸入[9]。由于這些函數(shù)很常見(jiàn)，本文就不列出具體的代碼。MPU通信協(xié)議函數(shù)tx（）是利用USART通信協(xié)議編寫的串口通信函數(shù)，本函數(shù)通過(guò)判斷USART的接收緩存寄存器rx_buffer0，判斷PECU是第一次上電還是已經(jīng)處于正常工作，并發(fā)送對(duì)應(yīng)的PECU上電碼和PECU工作碼給主控單元。因?yàn)镽S-485是地鐵列車的通信方式，所以還需要通過(guò)RS-485通信協(xié)議發(fā)送和接收代碼[10]。
單片機(jī)主函數(shù)包括判斷乘客是否按下客室內(nèi)呼叫按鈕，按下后在等待司機(jī)室的響應(yīng)時(shí)呼叫按鈕LED會(huì)閃亮，顯示等待狀態(tài)。當(dāng)接收到司機(jī)室的響應(yīng)后，LED變?yōu)槌Ａ?，此時(shí)可與司機(jī)正常通話。
void main（void）
{
unsigned char i=0；
unsigned char j=0；
unsigned char pei=0，r=0；
delay_ms（1000）；
init_devices（）；
while（1）
{
if（（pei==0）&&（BPACTIV==0））
//第一次按下客室按鈕
?。?/p>
r=1；
TCCR1B=（TCCR1B & 0xF8）|0x05；
REQ_PEI_ON；
delay_ms（1000）；
}
switch（r）
{
case 1：TCCR1B=（TCCR1B & 0xF8）|0x05；
//客室燈閃亮；
REQ_PEI_ON；
if（PEI_ACK==0）
{
r=2；
TCCR1B=0；
PEI_LED_ON；
delay_ms（1000）；
}
break；
case 2：TCCR1B=0；
PEI_LED_ON；//客室燈常亮；
PEI_BUS_ON；
PEI_LINE_ON；
if（PEI_ACK==1）
{
r=0；
TCCR1B=0；
PEI_LED_OFF；
}
break；
default：TCCR1B=0；
PEI_LED_OFF；//客室燈常滅；
REQ_PEI_OFF；
PEI_BUS_OFF；
PEI_LINE_OFF；
break；
}
}
}
3 結(jié)論
本設(shè)計(jì)將解決PECU通信協(xié)議問(wèn)題，完成PECU的設(shè)計(jì)，形成完整的緊急通信單元。經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有PECU的研究，將可設(shè)計(jì)出功能齊全、性能優(yōu)異的國(guó)產(chǎn)PECU設(shè)備，使其可以替代現(xiàn)有產(chǎn)品。接下來(lái)將進(jìn)一步測(cè)試硬件和優(yōu)化代碼，完善程序功能，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試檢驗(yàn)其穩(wěn)定性和可靠性，爭(zhēng)取盡快應(yīng)用在軌道交通列車上。
參考文獻(xiàn)
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