摘 要： 龐大、昂貴的列車及其設(shè)備使軌道信號(hào)系統(tǒng)邏輯的實(shí)車驗(yàn)證成本高、實(shí)施難，而半實(shí)物模型仿真是降低成本的有效手段。鑒于此，提出了一種模型列車系統(tǒng)，以CC2530芯片為硬件核心，以Z-Stack協(xié)議棧為軟件構(gòu)架，通過(guò)狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層通信邏輯，模擬實(shí)車間的通信仿真。首先介紹了CC2530芯片及系統(tǒng)框架，再闡述了模型節(jié)點(diǎn)硬件及軟件設(shè)計(jì)，并成功組建了由控制中心與列車節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的星形網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了控制中心對(duì)列車節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)運(yùn)行控制及列車節(jié)點(diǎn)對(duì)控制中心的信息反饋。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于ZigBee的軌道列車模型系統(tǒng)可用于信號(hào)系統(tǒng)邏輯驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞： CC2530；ZigBee；軌道列車信號(hào)仿真；Z-Stack協(xié)議棧
0 引言
列車及其設(shè)備的龐大、昂貴，致使軌道列車信號(hào)系統(tǒng)與列車控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)車驗(yàn)證成本高、難度大；而純計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境下的信號(hào)邏輯實(shí)驗(yàn)及驗(yàn)證的實(shí)踐性低、直觀性差。由此考慮搭建軌道列車網(wǎng)絡(luò)模型，采用全仿真列車、軌道及信號(hào)設(shè)備，同時(shí)建立控制中心，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信，模擬軌道列車運(yùn)行。由此建立的軌道列車模型系統(tǒng)具有體積小、成本低、可控性高、擴(kuò)展性好、直觀性強(qiáng)的特點(diǎn)，適合于軌道列車信號(hào)系統(tǒng)研發(fā)測(cè)試及邏輯驗(yàn)證。
1 模型系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用2輛1：40全仿真列車，40 m雙環(huán)仿真軌道，2個(gè)道岔（包括轉(zhuǎn)轍機(jī)）及4個(gè)信號(hào)燈設(shè)備。在各設(shè)備上嵌入無(wú)線控制芯片，自組織成網(wǎng)絡(luò)，移植現(xiàn)有協(xié)議棧，通過(guò)建立應(yīng)用支持子層，分離底層及應(yīng)用層，提供對(duì)上接口。根據(jù)不同種類的軌道設(shè)備，建立有限狀態(tài)機(jī)邏輯，編程嵌入節(jié)點(diǎn)。最終通過(guò)模型運(yùn)轉(zhuǎn)尋找軌道列車信號(hào)系統(tǒng)的邏輯問(wèn)題。
考慮到無(wú)線通信可以降低線路排布復(fù)雜度，以及系統(tǒng)應(yīng)具有容量擴(kuò)展、自組網(wǎng)、抗干擾能力[1]和經(jīng)濟(jì)性，選擇以低功耗、低速率、低成本為目標(biāo)的ZigBee-IEEE 802.15.4[2]標(biāo)準(zhǔn)作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并采用TI公司的CC2530片上系統(tǒng)為硬件核心，移植符合ZigBee 2007 Pro規(guī)范、支持1 000個(gè)以上節(jié)點(diǎn)的Z-Stack協(xié)議棧為軟件核心，建立仿真系統(tǒng)。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 芯片組合選擇
采用ZigBee技術(shù)搭建網(wǎng)絡(luò)，必要硬件包括無(wú)線收發(fā)模塊以及微處理器。無(wú)線收發(fā)模塊和微處理器可為分立芯片，如Freescale公司的ZigBee無(wú)線收發(fā)器MC13193配合MCF523x系列的32位微處理器；或使用單芯片方案，即無(wú)線收發(fā)模塊和微處理器在同一芯片中集成，如TI公司的CC2430芯片等。
分立方式操作靈活，收發(fā)模塊、微處理器性能可根據(jù)課題需求進(jìn)行選擇，但開(kāi)發(fā)難度較單芯片大。單芯片方式集成度高、成本低廉，有數(shù)個(gè)可選級(jí)別，在空間局限板路中布置方便，但對(duì)于特殊要求微處理器與收發(fā)器方法有限。
業(yè)界有多種單芯片解決方案[3]，如Freescale公司的MC13214、TI公司的CC2530[4]。考慮到CC2530集成的增強(qiáng)型8051內(nèi)核易于開(kāi)發(fā)，性能與容量符合應(yīng)用要求，最終選擇CC2530芯片。
2.2 電路設(shè)計(jì)
節(jié)點(diǎn)電路以CC2530芯片為核心。根據(jù)Datasheet以及經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)天線[5]、晶振、接地和復(fù)位電路構(gòu)成最小系統(tǒng)，如圖1所示。
主節(jié)點(diǎn)電路增加RS232串口電路與電腦通信；增加12864液晶顯示屏，通過(guò)74HC595串口轉(zhuǎn)并口芯片通信，提高IO復(fù)用率；增加按鍵，利用分壓電路使4個(gè)按鍵并入同個(gè)IO，根據(jù)電壓采樣獲得按鍵輸入。
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 協(xié)議棧層結(jié)構(gòu)
ZigBee協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)基于標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放式系統(tǒng)互連（Open System Interconnect，OSI）七層協(xié)議模型，如圖2所示。
協(xié)議棧有兩個(gè)物理層，它操作于兩個(gè)分離的頻率范圍：900 MHz和2.4 GHz。低頻率主要用于歐美大陸，高頻率全球通用，本文使用2.4 GHz頻率段。物理層采用16個(gè)信道、偽噪聲PN序列（Pseudo-noise Sequence）擴(kuò)頻以及O-QPSK編碼方式，以避免同頻干擾[1]。
MAC層信道時(shí)間控制使用超幀方式，競(jìng)爭(zhēng)接入信道使用的是載波偵聽(tīng)多點(diǎn)接入/避免沖撞（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）方式。
網(wǎng)絡(luò)層完成網(wǎng)絡(luò)建立、加入和離開(kāi)，使用AODV[6]等路由算法發(fā)現(xiàn)、選擇和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)。
應(yīng)用支持子層（Application Support Sublayer，APS）用于維護(hù)和建立綁定表。
設(shè)備對(duì)象層（ZigBee Device Object，ZDO）層用于定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色，發(fā)起或響應(yīng)綁定請(qǐng)求。
應(yīng)用層是本文功能邏輯實(shí)現(xiàn)的具體位置。
Z-Stack協(xié)議棧是ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)實(shí)體，符合上述層結(jié)構(gòu)。
3.2 操作系統(tǒng)流程
各節(jié)點(diǎn)棧分層任務(wù)通過(guò)OSAL（Operating System Abstraction Layer）操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
OSAL操作系統(tǒng)具有任務(wù)優(yōu)先權(quán)，每層任務(wù)在執(zhí)行完成后回到循環(huán)原點(diǎn)。以應(yīng)用層為例，如果鏈路層與應(yīng)用層任務(wù)同時(shí)激活，先執(zhí)行鏈路層任務(wù)，任務(wù)結(jié)束后，系統(tǒng)回到循環(huán)原點(diǎn)。如果這時(shí)鏈路層又有任務(wù)被激活，那么應(yīng)用層的任務(wù)將再次得不到執(zhí)行，只有當(dāng)所有較低層的任務(wù)全部執(zhí)行完成后，才會(huì)執(zhí)行應(yīng)用層任務(wù)。
這樣構(gòu)建系統(tǒng)的原因在于底層任務(wù)需要維持網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行以及設(shè)備實(shí)際操作，并保證操作的實(shí)時(shí)性。應(yīng)用層在處理完應(yīng)用請(qǐng)求后，一般也是把消息傳遞給底層，使底層實(shí)際完成應(yīng)用層的請(qǐng)求。實(shí)際系統(tǒng)處理速度快，較少遇到底層任務(wù)繁多迫使高層無(wú)法運(yùn)行的情況。
3.3 控制中心狀態(tài)機(jī)
圖3所示為控制中心應(yīng)用層有限狀態(tài)機(jī)模型，其主要功能是建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)。
首先建立網(wǎng)絡(luò)，完成后，控制中心即允許列車節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)接收、定時(shí)顯示列車信息（包括車號(hào)、車速以及目標(biāo)車速）。
控制中心能要求列車以給定的速度運(yùn)行。列車的速度控制作為非周期操作，使用鍵盤(pán)的中斷方式輸入。
列車信息是周期數(shù)據(jù)，10 Hz的信息頻率使用接收中斷激活任務(wù)。若網(wǎng)絡(luò)的信息顯示頻率過(guò)高，將導(dǎo)致CPU的大部分時(shí)間都在等待LED控制芯片的應(yīng)答，從而降低系統(tǒng)工作效率，因此根據(jù)人的大腦一般條件反應(yīng)時(shí)間為0.1~0.5 s以及復(fù)雜選擇性反應(yīng)時(shí)間為1~3 s，設(shè)定控制中心信息顯示周期為1 s。
為節(jié)省通信帶寬，列車反饋信息不含列車目標(biāo)車速。目標(biāo)車速在每次控制中心發(fā)送控制命令時(shí)被截獲，直到下一次控制中心再次發(fā)送控制命令，信息才會(huì)被修改。
3.4 列車狀態(tài)機(jī)
圖4所示為列車節(jié)點(diǎn)應(yīng)用層有限狀態(tài)機(jī)模型，列車的主要功能是加入網(wǎng)絡(luò)、控制電機(jī)、反饋并顯示列車信息、實(shí)時(shí)接收控制命令。
列車在初始化階段掃描信道中的協(xié)調(diào)器信標(biāo)，一旦發(fā)現(xiàn)協(xié)調(diào)器（即控制中心），就向控制中心發(fā)出請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)幀。加入網(wǎng)絡(luò)后，定時(shí)接收網(wǎng)絡(luò)中的信標(biāo)幀，一旦失聯(lián)，就向上報(bào)錯(cuò)處理。
“接收控制”、“信息反饋”、“電機(jī)控制”和“顯示信息”具有不同優(yōu)先級(jí)。
“電機(jī)控制”優(yōu)先級(jí)最高，是設(shè)計(jì)的服務(wù)目標(biāo)。采用后臺(tái)的PWM波輸出，定時(shí)改變PWM輸出值，只要間隔夠短，離散控制將接近實(shí)時(shí)控制，其影響系數(shù)將通過(guò)數(shù)字PID控制給出。實(shí)踐中，單核多任務(wù)系統(tǒng)通過(guò)心跳保證實(shí)時(shí)性在可控范圍內(nèi)，OSAL最小心跳為1 ms，采用控制頻率為100 Hz。
“接收控制”優(yōu)先級(jí)次之，是完成“電機(jī)控制”的依據(jù)。由于不可預(yù)測(cè)，用中斷的方式較好。中斷處理函數(shù)應(yīng)盡量短，不增加系統(tǒng)的響應(yīng)延時(shí)。這里只執(zhí)行保存控制命令一條語(yǔ)句。
“信息反饋”具有次一等優(yōu)先級(jí)，它是控制中心掌控列車信息的依據(jù)。根據(jù)人的反應(yīng)速度，選擇反饋信息頻率為5 Hz。
“顯示信息”優(yōu)先級(jí)最低，列車上的信息顯示為調(diào)試接口，設(shè)置顯示周期為5 s。
4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果
移植Z-Stack協(xié)議棧，在應(yīng)用支持子層建立應(yīng)用號(hào)、簇號(hào)以及綁定表，注冊(cè)任務(wù)信息。根據(jù)控制中心及列車節(jié)點(diǎn)有限狀態(tài)機(jī)，編寫(xiě)應(yīng)用層程序。通過(guò)控制中心按鍵改變列車車速，實(shí)時(shí)觀察各列車信息。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖5所示。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，網(wǎng)絡(luò)具有自組網(wǎng)、掉線重入網(wǎng)能力，控制中心可以控制列車節(jié)點(diǎn)速度并實(shí)時(shí)顯示列車節(jié)點(diǎn)當(dāng)前速度。控制節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)列車信息如圖6所示。
5 結(jié)論
本文介紹了以CC2530為硬件核心，以Z-Stack協(xié)議棧為軟件核心，基于ZigBee無(wú)線技術(shù)的列車模型軟硬件設(shè)計(jì)方法，并且在一個(gè)控制中心、兩個(gè)列車節(jié)點(diǎn)環(huán)境下完成了通信控制過(guò)程。該方法為軌道列車信號(hào)系統(tǒng)與列車控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)車設(shè)計(jì)與邏輯驗(yàn)證提供了直觀可行的半實(shí)物仿真環(huán)境。
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