（电力电子与电力传动专业论文）机车语音辅助系统.pdf

北京交通大学硕士学位论立 调度命令录制存储到芯片中，以作为事故发生的定责凭证：二 是采用自动化联控列车无线调度电活，即司机只需通过键盘选 择液晶显示模块上显示的呼叫方式，系统将智能组合呼叫内 容，自动选通与电台联系通道，将信息发往车站台，此种方式 的采用不仅可减轻司乘人员的工作强度，而且实现了呼叫操作 的规范化。 本文首先介绍了铁路上现有的调度命令和列车无线调度 通信的运行方式，经过详细分析后，提出一种新的思路将 语音功能应用于机车系统中，设计出机车语音辅助系统。本文 从理论角度分析了采用单片机实现此设计的可行性，详细叙述 了此系统采用t a x 2 型机车安全信息综合监测装置定位方案的 硬件设计思路及软件实现方案，重点介绍了i c 卡模块的开发 过程并对系统中运用的关键技术及外围设备进行了简单的介 绍，另外，为了保证系统设计的通用性，本论文还提出了采用 g p s 定位机车的系统设计方案，着重讲述了g p s 定位方案与 t a x 2 型机车综合装置定位方案的软件设计区别。最后，对系 统的性能进行了分析，并指出了此系统的不足之处。 当前，铁路正全面提速，采用新的现代化安全联控技术保 障行车作业的安全乃大势所趋，本论文所设计的机车语音辅助 1 1 北京交通大学硕士学位论文 系统，具有稳定、可靠、实用等特点，将其应用到铁路系统对 推动我国铁路行业现代化具有重要的意义。 关键词：单片机，语音提示，调度命令，列车无线调度通讯 机车语音辅助系统 北京交通大学硕士学位论文 l o c o m o t i v e s p e e c h a s s i s t a n ts y s t e m a b s t r a ( j r w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h er a i l w a yu n d e r t a k i n gi n o u r c o u n t r y ，i t i so b v i o u st h a ti th a sb r o u g h te n o r m o u ss o c i a l b e n e f i ta n de c o n o m i cb e n e f i tt ou s b u tw ea l s os h o u l da l a r mt h e e m e r g e n c eo ft h eg r e a ta c c i d e n ti nt h er a i l w a ys y s t e m w i t ht h e r a i s i n gs p e e d f o rt h ef i f t ht i m ea n di m p l e m e n t a t i o no f s i n g l ed r i v e r r u l ei ns o m er a i l w a y , s a f e t yb e c o m e st h em o s tc r u c i a la n db a s i c p r o b l e m f o rt h et r a i n t os o m ee x t e n t ，t h es a f e t yp r o b l e md e p e n d s o nt h em o d e r n i z a t i o no ft h er a i l w a ye q u i p m e n t i no u rc o u n t r y , i t i sn o tp e r f e c ti nm o d e r n i z e dc o n s t r u c t i o na n dd e v e l o p m e n to ft h e r a i l w a ys y s t e m i th a s e x i s t e ds a f e t yp r o b l e mi nal o to fp a r t sy e t t h ed r i v e r m a y b ef o r g e ti m p l e m e n t i n g t h e d i s p a t c h i n g c o m m a n da n d i ti sn o tc o n v e n i e n t t o o p e r a t e t h ew i r e l e s s d i s p a t c h i n gt e l e p h o n e a i m i n ga t t h ea b o v ep r o b l e m s ，w ed e s i g n l o c o m o t i v e s p e e c h a s s i s t a n t s y s t e m t h i ss y s t e m i n c l u d e st w o f u n c t i o n s o n ei st op l a yt h ed i s p a t c h i n gc o m m a n d ，h i n t i n g d r i v e r 北京交通大学硕。l 学位论文 t op a ya t t e n t i o nt ot h er o a di n f o r m a t i o na h e a d i tc a nb er e a l i z e di n t e r m so ft h ef o l l o w i n g s t e p ：f l i n t ，d i s p a t c h i n gc o m m a n d i ss a v e di n t h ei cc a r di nl o c o m o t i v em a i n t e n a n c es e c t i o n b e f o r et h e l o c o m o t i v e1 - t i n s ，1 cc a r di si n s e r t e di n t ot h eo n b o a r ds y s t e m d u r i n g t h e r u n n i n g ，t h es y s t e m c o n f i r m st h e p l a y i n gp o i n t a c c o r d i n g t om o d e lt a x 2l o c o m o t i v e s a f e t yc o m p r e h e n s i v e m o n i t o r i n gd e v i c eo rg p sl o c a t i n gc o o r d i n a t o r t h ed i s p a t c h i n g c o m m a n di s r e p o r t e d t ot h ed r i v e rt i m e l y i ti st oa v o i db e i n g f o r g o t t e nb y t h e d r i v e r ，r e s u l t i n g i nt h ee m e r g e n c eo ft r a f f i c a c c i d e n t a tt h es a m et i m e ，t h es y s t e mr e c o r d st h ec o n t e n ti nt h e c h i p sw h i l er e p o r t i n g i ft h ea c c i d e n th a p p e n s ，i ti s t h ee v i d e n c e t h a ta n a l y z et h er e s p o n s i b i l i t y t h eo t h e ri st oo p e r a t et h ew i r e l e s s d i s p a t c h i n gt e l e p h o n ea u t o m a t i c a l l y , t h a ti s ，t h ed r i v e r c h o o s e st h e c a l lm o d es h o w e do nt h e l i q u i dc r y s t a lt h r o u g ht h ek e y b o a r d t h e nt h es y s t e mm a k e su pt h ec a l l i n gc o n t e n ti n t e l l i g e n t l ya n d s e n d st h ei n f o r m a t i o nt ot h es t a t i o np l a t f o r m a d o p t i n gt h i sk i n d o fm o d en o to n l yl i g h t e n st h ew o r k i n gi n t e n s i t y ，b u ta l s om a k e s t h ec a l l i n go p e r a t i o ns t a n d a r d f i r s to fa l l ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eo p e r a t i o nw a y o ft h e 帆车语誊辅助系统 v - 北京室通 学硕士学位论文 e x i s t i n gd i s p a t c h i n g c o m m a n d s y s t e m a n dt h ew i r e l e s s d i s p a t c h i n gc o m m u n i c a t i o n o ht h er a i l w a ys y s t e m a f t e r a n a l y s i n g ， w e p u tf o r w a r dak i n do fn e wt h i n k i n g ，- - - - a p p l y i n g t h es p e e c h f u n c t i o nt ot h el o c o m o t i v es y s t e ma n dd e s i g nt h el o c o m o t i v e s p e e c ha s s i s t a n ts y s t e m t h i sp a p e ra n a l y s e st h ef e a s i b i l i t yi nt h e l i g h to ft h e o r yt h a tt h en l i c r o p r o c e s s o r c o n t r o lu n i tc a nr e a l i z et h e d e s i g n e x p l a i nt h et h i n k i n go f h a r d w a r ed e s i g na n dt h er e a l i z i n g s c h e m eb ys o f t w a r ei nd e t a i l i n t r o d u c et h ek e yt e c h n o l o g ya n d a n c i l l a r ye q u i p m e n t t h a ta r eu s e di nt h i ss y s t e m ，f i n a l l y , t h i sp a p e r a n a l y s e s t h e p e r f o r m a n c e o ft h e s y s t e m a n dp o i n t e so u t t h e d r a w b a c k a t p r e s e n t ，r a i l w a y i s r a i s i n gs p e e d i t i sat r e n dt h a t a d o p t i n gn e w m o d e r n i z a t i o nt e c h n o l o g ye n s u l e st h el o c o m o t i v e s s e c u r i t y t h el o c o m o t i v es p e e c h a s s i s t a n ts y s t e mi sr e l i a b l e ，s t e a d y p r a c t i c a la n d s oo n i tc a np r o m o t et h ed e v e l o p m e n to ft h er m l w a y s y s t e m k e y w o r d s ：m c u ( m i c r o p r o c e s s o r c o n t r o l u n i t ) ，s p e e c h p r o m p t ， d i s p a t c h i n g c o m m a n d ，r a i l w a y w i r e l e s s d i s p a t c h i n g c o m m t m i c a t i o n v l 北京交通大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 自2 0 0 4 年4 月1 8 日零时起，全国铁路实施第五次大面积提速和调 整列车运行图。第五次大面积提速调图，是铁路部门实旌挖潜扩能战略 的重大步骤，既能尽快地、充分地利用铁路新增能力，又能通过合理调 整列车开行方案，进一步提高列车速度，增开列车对数，扩大直达和重 载货物列车的比重，缓解现阶段运输能力的紧张状况，以适应国民经济 持续、快速、协调发展的迫切需要。在这种情况下，我们必须确保列车 安全，以避免提速带来的负面效果。安全是铁路的生命线，是铁路运输 永恒的主题。铁路安全保障体系是一项庞大复杂的系统工程问题。就目 前铁路行车调度的现状看，铁路分局调度所是分局运输工作的指挥中心。 调度员在日常生产中既是运输各工种的组织者又是运输生产的领导者。 为了保证运输畅通，安全正点，列车调度员要根据机车运行情况随时将 各种行车命令传真给各机务段，机务段接到命令后，再将调度命令详细打 印出来。列车司机在出发前需到机务段领取调度命令，反复复述记忆后 即可出发。它的执行完全依靠于司机的记忆，如果调度命令比较多，就 不可避免的出现调度命令被遗忘或由于记忆不清导致误操作，使调度命 令不能很好的执行，如2 0 0 2 年4 月2 7 日发生在安达站的列车冲上站台 事故。 列车无线电通信设备是为铁路运输行车调度作业而专设，是机车“三 机车语音辅助系统 一1 北京交通太学硕士学位论文 大件”之一，对铁路运输起了确保行车安全的重要作用。调度员或车站值 班员也可用无线电话通知司机加速或减速运行，提高区段的通过能力和 机车利用率，为扩大运输能力起到促进作用。近年来，我国铁路列车无 线调度通信有了迅速的发展，以t w - 1 2 a 型电台为主体设备的单双工兼 容制列车无线调度电话系统设备已在京哈、沈大、京沪等繁忙的干线推 广，全路六万公里线路上装备率超过9 5 。这种列车无线调度电话的采 用，加强了各行车有关人员之间的联系，使调度员、车站值班员能灵活 机动地指挥行车。但在行车过程中不论大站、小站，司机都必须与车站 取得联系，当机车进站时，司机要先嘹望，接着对机车进行相应操作， 然后通过列车无线调度电话与车站联系等进行一系列繁忙的操作，而单 乘制的实施更加大了司机的工作强度；另一方面此种方式受司机个人因 素影响较大，如普通话不标准、司机1 3 齿不清等等，都会造成车站接收 信息不清楚，从而引起不必要的麻烦。 鉴于以上问题，要避免人为的失误，必须采取一种可靠的、现代化 的方式，一方面保证调度命令被准确无误地播报给机车司机，另一方面 必须减轻司机的工作强度，使语音呼叫方式规范化。 1 2 列车无线调度电话 现在铁路系统使用的列车无线调度电话1 1 l 主要是以 d v - 1 2 a 型电台 为主体设备。t w - 1 2 a 型电台是双向、同频、单工、多频道并带有呼叫 装置的调频电台。根据使用场合不同，可分为车站台和机车台两种配套 型式。 当机车进站时，司机摘机，开始与车站通话，通话结束后，等待车 站反馈信息，收到应答后方可挂机。 日q 车站，以保持与各个车站的联系， 2 通常在一条线路上，司机需频繁呼 此种模式很大程度上加重了司机的 北京交通大学硕士学位论文 工作强度，由此可能产生不安全因素，存在着安全隐患。 1 3 课题的任务及意义 当前铁路调度命令系统和列车无线调度电话的运作方式，司机的工 作强度较大，而且存在着一定的安全隐患，为此，本文提出了机车语音 辅助系统，针对存在的不安全因素加以改正，不仅很好地解决了乘务人 员工作强度的问题，而且增加了行车安全系数，加速了机车车辆的周转， 特别是在非常情况下能提供可靠及时提醒和联络的手段，可以有效避免 重大行车事故带来的经济损失，本系统设计以铁道部1 5 0 2 接发列车作 业标准为依据，遵循以下原则开发： 1 实用性：为满足现场运输生产的需要，系统以方便实用为目的，在 减轻行车人员脑力记忆、劳动强度的情况下，保证安全生产。 2 可靠性：为适应机车运行环境，系统设计从软、硬件方面都采取了 有效的手段，确保车载系统运行的可靠性。 3 易维护性：系统按规范化步骤开发，具有完整文档，力求系统维护 安全可靠，同时，系统将随线路而发生数据校正因素，集中在少量参数 文件中，以满足适应性维护的要求。 4 通用性：按项目要求，系统将分析车站的作业特点，将车站特征数 据与程序严格分离，集中在少数数据或参数文件中反映，同时，将硬件 设计可按规范化放大或缩小。儿阻相同制式运行的列车均可使用本系统。 5 友善性；系统易于现场作业人员维护，本系统以电台录音呼叫方式 为界面，在汉字的引导下，通过选择按键即可完成操作，使用方便。 目前，国内仍未丌发出可靠的调度命令语音播报和列车无线调度电 话自动呼口u 系统，加之，当前铁路正全面提速，采用现代化的辅助系统 保障行车作业的安全乃大势所趋，机车语音辅助系统的开发迫在眉睫， 机车语音辅助系统 一3 一 北京交通大学硕士学位论文 此系统在保障铁路行车安全方面具有广阔的应用前景。 4 北京交通火学硕上学位论文 第二章机车语音辅助系统设计原理及硬件实现 2 1 机车语音辅助系统设计思路 机车语音辅助系统设计主要分为两部分：机务段系统和车载系统。 采用i c 卡作为机务段系统和车载系统信息传递的工具。 2 1 1 系统的总体设计结构和原理 系统分为两部分：机务段系统和车载系统。机务段系统软件部分包 括生成调度命令软件和线路数据传送软件；硬件部分主要包括p c 机和 i c 卡读卡器。车载系统软件部分主要实现两个功能：一，播报调度命令， 语音提醒司机；二，列车无线调度电话自动呼叫方式的实现，结合语音 合成算法，规范作业流程，做到减轻司机的工作强度的目的。硬件部分 包括主c p u 、车载电源、g p s 接收机、l c 卡读卡模块、嵌入式数字录放 音模块、液晶显示模块、键盘、数据存储芯片、t a x 2 数据接收接口、 扬声器及麦克接口等。系统设计整体框图如图2 - 1 所示。 机车语音辅助系统 北京交通大学硕士学位论文 调度命令 生成软件 i c 卡 读取i c 卡 数据 列车无 线调度 电 图2 1 整体原理图 f i g u r e2 - 1t h ew h o l e p r i n c i p l ef i g u r e 系统的主要功能描述如下：调度命令通过机务段软件生成电子文档， 通过i c 读卡器将调度命令语音文件及相关信息写入到i c 卡中，机车司 机启动车载系统后，将调度命令数据从i c 数据存储模块中读取到车载系 统存储芯片的指定位最中，车载系统软件完成调度命令语音播报；在接 近车站前，司机只需按照液晶显示模块的提示，通过键盘选择需要进行 的呼叫方式，系统将自动完成对列车无线调度电话的操作，与车站取得 联系。 2 1 2 车载系统实现方案的选择 机务段系统采用普通p c 机设置调度命令，机务段系统与车载系统 之间采用i c 卡做传输媒质，这都毫无疑问。我们需要考虑的是机车系统 应该采用何种实现方案。现阶段，语音辅助系统车载系统部分的实现主 要有三种方案，一种是基于普通p c 机实现的方案，一种是基于工业控 制机实现的方案，最后一种是基于普通单片机实现的方案。下面对三种 方案从各个方面进行了对比，以便于找出晟适合的解决方案。 一，p c 机实现 采用p c 机实现编程简单，工作量不大，成本也不高，但众所周知， 6 j b 京变通大学硕士学位论文 铁路系统现场运行环境恶劣，如果此系统采用基于p c 机的方案实现， 则下面四种干扰问题必须得到很好的鳃决。 1 恶劣的供电条件 由于机车上使用的大功率设备较多，特别是一些大的感性负载启停 时会给机车的供电系统造成严重干扰，使得机车电压有较大幅度的涨落： 机车上电机的启停，机车头灯开启时的拉弧，也会使机车电源窜入很高 的尖脉冲干扰。另一方面机车供电电源为直流i l o v ，而p c 机所需的供 电电源为交流2 2 0 v ，从而还需设计电源转换电路，又增加了系统的复杂 度。 2 严重的噪声干扰 除了供电电网引入，弧重的干扰以外，为了达到数据采集或实时控制 的目的，玎关量的输入输出和模拟量的输入输出必不可少的。在铁路系 统中，这些输入输出信号线和控制线多达几百条，其长度往往几十米甚 至几千米，因此不可避免地要将干扰引入p c 机系统。当大的电气设备 漏电，接地系统不完善，都会使通道中直接串入很高的共模电压或差模 电压；各通道的线路如果同处一根电缆中或绑扎在起，各路间会通过 电磁感应而产生相互间干扰，尤其是将小信号线与2 2 0 v 的电源线同套 于一根长达几百米的管中干扰更为严重。这种彼此感应产生的干扰表现 形式仍然是在通道上形成共模或差模电压。轻者会使测量的信号发生误 差，重者使有用信号淹没，有时这种通道感应产生的电压会达到几十伏 以上，使p c 机无法正常工作。 3 ，空间干扰 来自空间的干扰，如太阳及其他天体辐射的电磁波：广播电台或通 讯发射台发出的电磁波；周围的电气设备发出的电干扰和磁干扰；气象 条件、空中雷电、甚至地磁场的变化也会引起干扰。这些空间辐射干扰 机车语音辅助系统 - 7 一 北京交通大学硕士学位论文 同样会使p c 机不能正常工作。 4 震动干扰 目前所有研制出来的p c 机都受自身因素的影响，需要一个安全稳 定的工作环境，但机车运行期间，车体震动严重，对p c 机而言，如此 频繁的振动是致命的损害。 另外，p c 机对环境温度的要求也很高，最好安放在散热条件较好的 地方。综上得出，p c 机很不适于在此环境下工作，极易造成设备的损坏， 给铁路系统运行带来更大的不安全因素。 二工控机实现 工控机：英文简称i p c ，全称i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r 。工控机 通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机，有着与p c 机相同的内 部系统结构。工控机有以下特点： 1 机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。 2 机箱内有专用底版，底版上有p c i 和i s a 插槽。 3 机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力。在此方面它不同 于普通的p c 机，可以很好的适应机车恶劣的工作环境。 但工控机有一个最大的缺点，成本太高，不适合推广使用。 三普通单片机实现 采用普通单片机实现，相对以上两种方案，有优点也存在着弊端。 采用普通单片机的主要优点有： 1 抗干扰能力强。普通单片机相比于p c 机而言，可以很好的适应现场 作业环境。恶劣的供电环境，不仅会引起p c 机的频繁重启，也会造成 单片机的不断复位，但单片机有很好的复位方式，可靠性也高，而对p c 机而言，如此频繁的启动，很容易造成硬盘的损坏，稳定性极差。 2 价格便宜。在价格方面，普通单片机较之工控机有很大的优势。此 北京交通大学硕士学位论文 系统设计的最终目的，希望在铁路运输系统中可以推广使用，故需考虑 成本方面的因素。 3 使用灵活。普通单片机体积小，结构简单，运行速度快，易于扩展 组成系统，可嵌入t a x 2 型机车安全信息综合监测装置中，更方便推广 使用，可以很好的兼容于机车原有系统中。 当然采用单片机也不可避免的存在着一些缺点，例如，当系统要求 时问比较精确时，有的模块需要采用汇编语言进行编程，从某种程度上 加大了系统设计的工作量，除此之外，单片机内的资源非常有限，控制 的实时性要求也高，凼此，在进行开发前，对单片机体系结构和硬件资 源必须有很深入的了解。 对于机车语音辅助系统的设计，我们首先考虑的因素是安全因素和 可靠因素，另外，为了方便推广使用，成本也是设计中需要考虑的方面， 比较三种方案得出，采用普通单片机实现车载系统的设计方案最佳。 2 2 车载系统硬件设计 机车语音辅助系统的车载系统是以单片机为核心，结合实现功能进 行外围电路设计，扩展系统器件。硬件构成如图2 2 所示，下面将着重 介绍各部分器件的选择及器件功能原理。 机车语音辅助系统 北京交通大学硕士学位论文 11 0 v d c i f l a s hm e m o r y l = _ 广。 d c d c 变换li ! ! ! 墨至r 1 卵u i i 一 继 电 器 图2 - 2 系统硬件构成 f i g u r e 2 - 2t h eh a r d w a r ec o m p o n e n to fs y s t e m 2 2 1 单片机的选择 对于微处理器的选择，一般需从性能、成本、资源数量、程序存储 器空间r o m 和数据存储器空问r a m 的大小等方面进行考虑。 在选用微处理器时，从性能方面，首先应考虑厂商，著名的厂商有 m o t o r o l a 公司、华邦公司、d a l l a s 公司、p h i l i p s 公司、c y g n a l 公司、三 星公司、s c e n i x 公司等公司的产品可供选择。本系统选择了c y g n a l 公司 的c 8 0 5 1 f x x x 系列单片机，该系列单片机是集成在一块芯片上的混合 信号系统级单片机，它有丰富的模拟和数字资源，并采用了一些在单片 机中前所未有的新技术，在c p u 的内部和外部有几项关键性的改进，提 高了整体性能，更易于在最终应用中使用。该系列单片机有如下的优点： f 2 】( 3 l ( 1 ) 高速的c i p 一5 1 内核。为了提升速度，d a l l a s 公司、p h i l i p s 公司采用传统的改变总线速度的方法，将机器周期从1 2 个缩短到4 个和 1 0 塞 一l二二f _ | = 一块电一 一 一 匪一一 北京交通大学硕士学位论文 6 个，速度提升有限。c 8 0 5 1 f 系列单片机使用c y g n a l 的专利c i p 一5 1 内 核，c i p 一5 1 内核采用流水线结构，机器周期由标准8 0 5 1 的1 2 个系统时 钟周期同期降为1 个系统时钟周期，处理能力大大提高，大部分c 8 0 5 1 f 系列单片机的峰值性能达到2 5 m i p s 。c i p 一5 1 的中断系统可以提供2 2 个 中断源，允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。一个中断驱动的系 统需要较少的m c l i 干预，却有更高的执行效率。 ( 2 ) i o 实行交叉开关配置。迄今为止，i o 端口大都是固定为某个特 殊功能的输入输出口，可以是单功能或多功能，i o 端口可编程选择为 单向，双向以及上拉、开漏等。固定方式的i o 端口，既占用引脚多，配 置又不够灵活。为此，s c e n i x 公司在推出的8 位s x 单片机系列中，采 取虚拟外设的方法将i o 的固定方式转变为软件设定方式。而在c 8 0 5 1 f 系列单片机中，则采用开关网络以硬件方式实现i ，o 端口的灵活配置。 在这种通过交叉开关配置的i o 端口中，单片机外部为通用i ，o 端口，如 p 0 、p i 和p 2 。内有输入输出的电路单元通过相应的配置寄存器控制的 交叉开关配置到所选择的端口上。 ( 3 ) 双重系统时钟。c 8 0 5 1 f 单片机内部有一个能独立工作的时钟发 生器并具有外部振荡器驱动电路。在复位后内部时钟发生器被默认为系 统时钟。外部振荡器可以使用晶体、陶瓷谐振器、电容、r c 电路或外部 时钟源产生系统时钟。如果需要，时钟源可以在运行期间在内部振荡器 和外部振荡器之间切换。这种时钟切换功麓在低功耗系统中是非常有用 的，它允许m c u 从一个低频率( 节电) 外部晶体源运行，当需要时再 周期性的切换到高速的内部振荡器。 ( 4 ) 在系统调试。c 8 0 5 1 f 单片机具有片内j t a g 和调试电路，通过4 脚的j t a g 接口并使用安装在最终应用系统中的器件纠错可以进行非侵 入式、全速的在系统调试。c y g n a l 的调试系统支持观察和修改存储器和 机车语音辅助系统 一1 1 - 北京交通大学硕士学位论文 寄存器、支持断点、观察点、堆栈指示器和单步执行。调试时不需要额 外的目标r a m 、程序存储器、定时器或通信通道，并且所有的模拟和数 字外设都正常工作。当m c u 单步执行或遇到断点而停止运行时，所有 的外设( a d c 除外) 都停止运行，以保持同步。对于开发和调试嵌入式应 用来说，该系统的调试功能比采用标准m c u 仿真器要优越得多，标准 m c u 仿真器要使用在板仿真芯片和目标电缆，还需要在应用板上有 m c u 的插座。c y g n a l 的调试环境既便于使用又能保证精确模拟外设的性 能。 ( 5 ) 多源复位。迄今为止的8 0 c 5 1 系列单片机多数停留在只提供引脚 复位一种方法。为了系统的安全和c m o s 单片机的功耗管理，对系统的 复位功能提出了越来越高的要求。c y g n a l 公司的c 8 0 5 1 f 把8 0 c 5 1 单一 的外部复位发展成多源复位。c 8 0 5 1 的多复位源提供了上电复位、掉电 复位、外部引脚复位、软件复位、时钟检测复位、比较器0 复位、w d t 复位和引脚配置复位。众多的复位源为保障系统的安全、操作的灵活性 以及零功耗系统设计带来极大的好处。 c 8 0 5 1 f 系列单片机是8 位机中首先摆脱5 v 供电的单片机，实现了 片内模拟与数字电路的3 v 供电，大大降低了系统功耗；完善的时钟系 统可以保证系统在满足响应速度要求下，使系统的平均时钟频率最低； 众多的复位源使系统在掉电方式下，可随意唤醒，从而可灵活地实现零 功耗系统设计。因此，c 8 0 5 1 f 系列单片机具有极佳的最小功耗系统设计 环境。另一方面，c 8 0 5 1 f 系列单片机虽然摆脱了5 v 供电，但仍可与5 v 电路方便地连接。所有i o 端口可以接受5 v 逻辑电平的输入，在选择漏 极开路加上拉电阻到5 v 后，也可驱动5 v 的逻辑器件。 分析原理框图，可以看出此系统需要两个串口资源，c 8 0 5 1 f 0 2 x 系 列单片机m c u 内部有两个增强性全双工u a r t 、s p l 总线和s m b u s 北京交通大学硕士学位论文 1 2 c 。每种串行总线都完全用硬件实现，都能向c 1 p 一5 1 产生中断，因此 需要很少的c p u 下预。这些串行总线不“共享”定时器、中断或端口i o 等资源，所以可以使用任何一个或全部同时使用。从软件方面考虑，此 系统对可靠性要求特别高，所以需要多个定时器资源，从以上几方面考 虑，比较表2 - 1 中各个型号单片机参数，我们虽终选择c 8 0 5 1 f 0 2 3 4 】作为 此系统主c p u 。 赢 一 ￥ 口 垃 鹊 1 2 i 垫 埔 岜封装 目 趔 髂端 毯 黯 燕 塑 超 稚 一 i - - -o 亳蠡 型号 烛 主 埋 九 正 =妊 蜷 谁 七 )醯 髅 黠 翟 垒 工正 蔚 鲁 甘 z 5 删 l l c 8 0 5 1f 0 0 02 03 22 5 6143 26 4 t q f p c 8 0 5 1f 0 0 52 53 22 3 0 4 、，143 26 4 t o f p c 8 0 5 1f 0 2 02 5 6 4 4 3 5 2 256 41 0 0 t o f p c 8 0 5 1f 0 2 12 56 44 3 5 2253 26 4 t q f p c 8 0 5 1 i = 0 2 22 s6 44 3 5 225 6 4 1 0 a t o f p c 8 0 5 1f 0 2 32 56 44 3 5 225 3 26 4 1 - q f p 表2 - 1c 8 0 5 1f x x x 系列单片机特性 t a b l e2 1t h ec h a r a c t e ro fc 8 0 5 1f x x xs e r i e sm c u 下面将对c 8 0 5 1 f 0 2 3 单片机作一些简单介绍： c 8 0 5 1 f 0 2 3 单片机包括2 5 6 字节的数据r a m ，除此之外它的c i p 一5 1 还另有位于外部数据存储器地址空间的4 k 字节的r a m 块可以在整个 6 4 k 外部数据存储器地址空间中被寻址( 以4 k 为边界重叠) 。外部数据 存储器地址空问可以只映射到片内存储器、只映射到片外存储器、或两 者的组合( 4 k 以下的地址指向片内，4 k 以1 - _ 的地址指向e m l f ) 。e m i f 可以被配置为地址数据线复用方式或非复用方式。 机车语音辅助系统 j 3 - 北京交通大学硕士学位论文 该系列单片机最独特的改进就是数字交叉开若的引入，这是一个大 的数字开关网络，允许将内部数字系统资源映射到p o 、p 1 和p 3 的端口 i o 引脚。与具有标准复用数字i o 的微控制器不同，这种结构可支持所 有的功能组合。可通过设置交叉开关控制寄存器将片内的计数器定时 器、串行总线、硬件中断、a d c 转换启动输入、比较器输出以及微控制 器内部的其它数字信号配置为出现在端口i o 引脚。这一特性允许用户 根据自己的特定应用选择通用端口i o 和所需数字资源组合。 c 8 0 5 1 f 0 2 3 内部有5 个计数器，定时器：其中三个1 6 位计数器定时 器与标准8 0 5 1 中的计数器，定时器兼容，还有两个1 6 位自动重装载定时 器可用于a d c 、s m b u s 或作为通用定时器使用。这些计数器定时器可 以用于测量时间间隔，对外部事件计数或产生周期性的中断请求。 除了5 个1 6 位的通用计数器，定时器之外，1 2 8 0 5 1 f 0 2 3 单片机还有 一个片内可编程计数器定时器阵列( p c a ) 。p c a 包括一个专用的1 6 位 计数器定时器时问基准和5 个可编程的捕捉比较模块。时间基准的时钟 可以是下面的六个时钟源之一：系统时钟1 2 、系统对钟4 、定时器o 溢 出、外部时钟输入( e a ) 、系统时钟和外部振荡源频率8 。 每个捕捉比较模块都有六种工作方式：边沿触发捕捉、软件定时器、 高速输出、频率输出、8 位脉冲宽度调制器和1 6 位脉冲宽度调制器。p c a 捕捉比较模块的o 和外部时钟输入可以通过数字交叉开关连到m c u 的端口i o 引脚。 2 2 2f l a s hm e m o r y 的选择 c 8 0 5 1 f 0 2 3 单片机内还有硬件实现的s p l 0 串行外设接口，该接口提 供访问一个4 线、全双工串行总线的能力。s p l 0 支持在同一总线上将多 ! ! 重銮望查兰堡兰兰竺堡兰 个器件连接到一个主器件。个独立的从选择信号( n s s ) 用于选择一 个从器件并允许主器件和所选从器件之间进行数据传输。同一总线上可 以有多个主器件。当两个或多个主器件试图同时进行数据传输时，系统 提供了冲突检测功能。s p l 0 可以工作在主方式或从方式。当s p l 0 被配置 为主器件时，星大数据传输率( 位秒) 是系统时钟频率的二分之一。 s p i 使用4 个信号：m o s l 、m i s o 、s c k 、n s s 。 ( 1 ) m o s l 为主输出、从输入信号 m 1 0 s i 信号是主器件的输出和从器件的输入，用于主器件到从器件 的串行数据传输。当s p l 0 作为主器件时，该信号是输出；当s p l 0 作为 从器件时，该信号是输入。数据传输时最高位在先。 ( 2 ) m i s o 为主输入、从输出信号 m i s o 信号是从器件的输出和主器件的输入，用于从器件到主器件 的串行数据传输。当s p l 0 作为主器件时，该信号是输入；当s p l 0 作为 从器件时，该信号是输出。数据传输时最高位在先。当s p i 从器件未被 选中时，它将m i s o 引脚置于高阻状态。 ( 3 ) s c k 为串行时钟信号 s c k 信号是主器件的输出和从器件的输入，用于同步主器件和从器 件之间在m o s i 和m i s o 线上的串行数据传输。当s p l 0 作为主器件对产 生该信号。 ( 4 ) n s s 为从选择信号 n s s 信号是一个输入信号，主器件用它来选择处于从方式的s p l 0 器 件，在器件为主方式时用于禁止s p l 0 。注意：n s s 信号总是作为s p l 0 的输入；当s p l 0 工作在主方式时，从选择信号必须是通过端口i o 引脚 机车语音辅助系统1 5 北京交通大学硕士学位论文 的输出。 对于从器件( 存储器) 的选择，主要考虑其容量能否满足需要以及 操作是否方便等因素。f l a s hm e m o r y 又称闪烁存储器、快闪存储器，是 一种高密度低成本的新型半导体存储器，它有结构简单、集成度高、使 用方便、读写灵活、访问速度快、断电后不丢失信息的优点，因此用f l a s h m e m o r y 来存储此系统所需要的线路及车站数据是比较适合的，此系统 采用a t m e l 公司的a t 4 5 d b l 6 1 b 【5 】型存储器，经过初步计算，该存储器 可以满足存储空间的要求。 其主要技术参数如下： 2 0 m h z 最大时钟频率 2 5 v 或者2 7 v 供电电压； 4 0 9 6 页x 5 2 8 ( 字节页) = 2 m b y t e 存储空间 兼容串行外围接口( s p i ) 方式 支持页或者块擦除操作 5 0 v 耐压输入：s ，s c k ，西，面五厨和而管脚 两个5 2 8 字节的s r a m 数据缓冲区 此存储芯片使用方便，读写操作简单，但是需要注意在对该芯片进 行编程前，必须确保主器件与从器件被配置为相同的时钟相位和极性。 此处主器件对s p l 0 的访问和控制是通过系统控制器中的4 个特殊功能寄 存器实现的：控制寄存器s p l 0 c n 、数据寄存器s p i o d a t 、配置寄存器 s p i o c f g 和时钟频率寄存器s p i o c k r 。 1 6 ! ! 室窒望查兰堡主兰堡堡苎 2 2 3 机车语音辅助系统电路设计 系统电路设计包括电源电路、串口设备选择电路、列车无线调度电 话自动化选择电路及键盘、显示复用电路四个关键部分，f 面将详细介 绍这几部分电路，系统原理图见附录。 一电源部分 机车供电电源为直流1 1 0 v ，而车载部分的供电电源需要1 2 v ，5 v 及3 v ，故需要进行电源电压的变换。其中，i o v d c 到1 2 v d c 的转换采 用的是m k e s 2 5 i s d 一1 2 模块，该模块为北京交通大学制造的d c d c 变 换器，输入：7 0 1 4 0 v d c ，输出：1 2 v d c ，而5 v d c 的获得电路如图2 - 3 中 的虚框图所示，采用的是m a x 7 2 7 i s 单片降压d c d c 变换器，虚框中的 部分为典型应用电路，此设计对电路起到了很好的保护作用。3 v d c 是通 过m 1 c 2 9 3 7 芯片转换获得的。 图2 - 3 供电电路 f i g u r e2 - 3 t h ec i r c u i to fs u p p o r tv o l t a g e 二串口设备选择电路 车载系统的两个串口分别为两个设备共用，所以涉及到设备的选通 问题。t a x 数据接收设备和p c 机均通过串口0 与车载主c p u 进行通讯， i c 卡模块和嵌入式数字录放音模块均通过串口1 与车载主c p u 进行通 讯。下面以串口0 为例说明c p u 如何控制串口设备的选通，串口0 为 机车语音辅助系统 一1 7 - 北京交通大学硕士学位论文 t a x ( g p s ) g r s 2 3 2 设备共用，我们用c k 0 + 控制器件的选通。电路设计 思路如图2 4 左图所示。 t a x r s 2 3 2 r x 0 二今 t a x r s 2 3 2 圈2 - 4 电路设计思路 f i g u r e “t h e i d e ao fc i r c u i td e s i g n 从图2 - 4 的右图可以看出，设计中所用元器件种类繁多，从而增加 了电路实现的复杂度，a 代表t a x ( g p s ) ，b 代表r s 2 3 2 ，k 代表控制信 号c k 0 + ，通过f 面的公式将其简化 一= ； r x o ：k a + k b = k a k 口( 2 2 ) 从式2 2 中可以看出简化后的公式只有与非种逻辑关系，从而使 电路中只采用7 4 h c 0 0 ( 与非门) 单一器件就可以实现数字选通电路的设 计。