西南交通大学本科毕业设计(论文)第I页 摘 要
本文针对我校城轨实验室沙盘控制系统中的机车控制部分进行了相关的技术探讨与研究，并分别对机车控制部分的软硬件部分进行了设计与制作测试。本设计同时着重对控制系统的通信部分进行了深入的探讨与改进，最终实现了机车的信息无线传输、组网功能与控制机车运行等相关功能。
对于整体机车控制部分的制作过程中，本设计将机车分为MCU部分、读卡设备部分、无线传输部分等几个模块进行分析与设计。对主控芯片选取了基于51系列的STC12C5A60S2芯片。读卡部分选择了MFRC522射频卡读写器，而对于核心的通信模块部分本设计选取了APC220及WIFI无线通信模块作为前期与后期的通信模块来进行设计与制作的硬件。
之后本设计在进行实际系统硬件设计中，从整体方案、电源电路、电机驱动、射频卡读写部分以及无线模块电路部分进行了设计与制作。并着重对无线通信部分的WIFI模块进行了组网设计制作。同样的，在对系统进行软件设计制作中，本设计也分别对机车控制的各个模块进行了编写与制作，并对组网功能进行了实现，在最后软硬连调连试中达到了本设计的预期目标。
对于整个设计而言，是较好地完成了预期的目标，但仍在MCU控制部分及wifi模块自动切换部分存在着一定的改进空间。
关键词 机车控制；无线传输；WIFI模块
西南交通大学本科毕业设计(论文)第II页 Abstract
In this paper,we have discussed and designed the locomotive-vehicle control system of Urban Mass Transit Control and Communication Laboratory.At the same time, we deeply focus on the control system of communication，and finish the achieved locomotive wireless transmission of information, networking function and control the operation of locomotive and related functions in the end.
While we making the whole locomotive control ，we separate the system as these parts：MCU,card reading service,Wireless transmission service.and use the STC12C5A60S2 of C51 series as MCU，MFRC-522 as card reading service，APC220 as previous transmission service and replace it by WIFI.we use these hardware module to design our system.
We also making our locomotive control system by some part of the overall scheme，power circuit, motor drive part and the wireless module circuit,and pay more attention to the wireless communication of the WIFI module for networking technology.in the later period we have test every part of our locomotive control system，especially for the networking technology.luckily，we reached our aim in the end.
As for the whole design，we have finished our aim successfully，but still have some defects and need some improvements for MCU and WIFI devices.
Key Words Locomotive control; Wireless transmission; WIFI module
西南交通大学本科毕业设计(论文)第III页 目 录
第1章 绪论 ............................................................... 1
1.1 设计的背景及意义 ...................................... 1
1.2 国内外研究现状 .......................................... 1
1.3 本文研究的内容 .......................................... 1
第2章 机车控制部分需求分析 ............................... 1
2.1 机车控制部分综述 ...................................... 3
2.1.1 MCU部分综述 .................................. 3
2.1.2 读卡设备部分综述 ........................... 5
2.1.3 无线传输部分综述 ........................... 7
第3章 系统硬件设计 ............................................. 10
3.1 系统整体方案设计 .................................... 10
3.2 电源电路 .................................................... 10
3.3 电机驱动部分 ............................................ 12
3.4 MFRC522射频卡读写部分 ....................... 12
3.5 无线模块电路 ............................................ 13
3.5.1 APC220模块 .................................... 13
3.5.2 USR-WIFI232-T模块 ...................... 14
3.5.3 Wifi模块转接板设计 ...................... 15
3.6 单片机最小系统 ........................................ 16
第4章 无线通信方式设计 ..................................... 18
4.1 无线通信技术概述 .................................... 18
4.1.1 方案一：每辆车直接传输数据至主控电脑 ........................................... 18
4.1.2 方案二：每辆车通过路由器组网再连接主控电脑 ............................... 18
4.2 实际组网过程 ............................................ 19
4.2.1 相关通信协议介绍 ......................... 19
4.2.2 模块组网模式介绍 ......................... 20
4.2.3 工作模式：透明传输模式 ............. 22
西南交通大学本科毕业设计(论文)第IV页 4.2.4 本设计所组网模式 ................................................................................... 23
4.2.5 Wifi模块组网操作设置 ............................................................................ 24
第5章 系统软件设计 ....................................................................................................... 29
5.1 系统整体软件结构 .............................................................................................. 29
5.2 单片机软件设计 .................................................................................................. 30
5.2.1 单片机软件流程 ....................................................................................... 30
5.2.2 单片机初始化部分 ................................................................................... 31
5.2.3 电机驱动子程序 ....................................................................................... 32
5.2.4 MFRC522子程序 ...................................................................................... 33
5.2.5 串口通信子程序 ....................................................................................... 36
第6章 系统调试及试验结果 ........................................................................................... 39
6.1 系统调试 .............................................................................................................. 39
6.2 系统调试过程 ...................................................................................................... 39
6.3 调试总结 .............................................................................................................. 44
结 论 ................................................................................................................................. 45
致 谢 ................................................................................................................................. 46
参考文献 ............................................................................................................................. 47
西南交通大学本科毕业设计（论文） 第1页 第1章 绪论
1.1 设计的背景及意义
伴随着中华大地上铁路运输事业的大幅度提高运行速度和高铁的大兴建设，铁路运输已经成为人们工作和出游旅行的交通工具，其中对于城市轨道交通技术而言，其在减少城市大气污染，缓和交通拥挤情况以及通勤速度等方面，都实现了很好的作用。“十二五”期间，国家在轨道交通建设投入了大量的人力、物力、财力，在城市轨道交通建设市场上形成了一个世界上规模大、发展快、前景广阔的市场。高等院校尤其是交通院校肩负着培养铁路运输，轨道交通运输的人才培养重任。
对于铁路运输指挥手段及铁路信号技术方面，是铁路院校教育教学的重点部分。在于实际各大铁路院校教学中，学生在进行实际操作和常见故障处理方面。均有着教育教学效果及质量差等等的缺陷。
所以对于城市轨道交通技术的研究教学方面运用铁路信号沙盘系统则是一个有效的解决办法，本设计在沙盘上运行模拟仿真系统进行教育教学则是行之有效的解决方案[1]。
1.2 国内外研究现状
对于国外方面，因为计算机技术的广泛运用，对于轨道交通管理与控制方面，对于列车运行自动控制，信号管理，仿真界面设计都有成熟的技术与产品。例如俄罗斯的圣彼得堡国立交通大学、土尔曼交通大学等教学科研单位，都有相关的铁路信号沙盘实物。
在国内，北京交大，中南大学，西南交大峨眉校区均有相应的与教学适应的沙盘。对于国内各大铁路局、例如成都铁路局、上海铁路局、北京地铁等等也在积极开发相关的沙盘控制仿真系统。并从上层软件设计与仿真逐渐过渡到下层沙盘系统控制与使用[2]。
从这些介绍可以看到，无论是国内，还是国外的轨道交通技术教学培训方面，现在都具有一定的技术实现与相关实际设备。而我校新建的城市轨道交通实验室的沙盘系统，则是一个实际运用的典范。
1.3 本文研究的内容
西南交大峨眉校区铁路沙盘控制部分由车站自动控制部分、微机连锁部分、区间自动控制部分、模拟机车部分等组成。其中模拟机车部分则是相当重要的部分之一，机车担负
城轨实验室2号线ATC系统规划与设计—机车控制系统设计.doc下载西南交通大学本科毕业设计（论文） 第2页 着在线路上运行、演示等的工作。
该部分要实现沙盘现场对机车的实时控制，运行以及读取线路上相关信息等等的功能。而本文则针对沙盘系统中的机车控制部分进行了相关研究与设计。并着重对机车与现场通信模块部分进行了相关探讨与改进。最终实现了机车控制部分与数据无线传输部分的组网与改进工作。
因此，本文研究的主要内容如下：
1、研究城轨沙盘系统机车控制的需求信息。
2、研究城轨沙盘系统机车控制部分的硬件需求与搭建。
3、制作沙盘系统的机车控制部分及无线通信及信息传输部分。
4、对之前的无线通信模块部分进行研究与改进。并对列车运行进行监控。
西南交通大学本科毕业设计（论文） 第3页 第2章 机车控制部分需求分析
2.1 机车控制部分综述
对于铁路沙盘控制系统而言，机车控制部分是一个很重要的部分。其担负着机车运行，速度控制，线路信息采集，无限信息收发等相关功能。是实际沙盘控制的核心之一。其对于信息控制采集以及实际模型的运行有着很高的要求。
其主要要求实现的控制功能如图2-1所示。
通过接收信
收发
图2-1机车控制部分示意图
如图2-1涉及到四个部分，MCU部分、无线收发部分、读卡部分、车速控制部分。 其中MCU部分为主控部分：负责对无线信息进行监测与执行，对线路上的定位卡片进行采集，对于车速进行控制。并对信息读取速度等方面都有一定的要求。
2.1.1 MCU部分综述
对于主控置部分，本设计采用的控制芯片是STC89系列的控制芯片，以该芯片作为本设计控制部分的核心部件，以实现数据读取、采样以及控制等相关功能。
西南交通大学本科毕业设计（论文） 第4页 STC单片机简介[3]：
STC12C5A60S2单片机是北京海淀区宏晶科技公司出品的高性能单片机，具有快速、低耗能、抗干扰极强的8051单片机。
其运行速度是普通市面的C51单片机的8至12倍。其内部核心部分集成了MAX810专用复位电路，8路高速10位的A/D转换，以及2路PWM等等超级厉害的功能。
其单片机内部结构如图2-2所示。
图 2-2 STC89C5A60S2系列内部框图
可以看到图2-2中STC89C5A60S2的资源是相当丰富的，具有足够的寄存器资源以及A/D采样转换资源，对于机车控制与信息采集，完全能满足本设计的需求。
西南交通大学本科毕业设计（论文） 第5页
2.1.2 读卡设备部分综述
MF522-AN射频识别模块简介[4]：
MF 522-AN是应用于13.56MHz非接触式通信中有着高集成度的读写卡芯片，是恩智浦公司为应对“三表”应用技术而开发的的一款低电压、低成本、体积小、非接触式的读写卡芯片，是智能仪表技术和便携式手持设备研发领域的优秀选择之一。
MF RC522模块中运用了前沿的调制技术与解调技术的相关概念，在13.56MHz频段下集成了几乎所有类型的被动型非接触式通信手段与相关协议。
并且支持14443A兼容应答器信号。数字部分处理ISO14443A帧与错误检测等。此外，还能够支持快速CRYPTO1加密算法，以及用语验证MIFARE系列产品等等。MFRC522支持MIFARE系列的更高速非接触式通信方式，双工传输速率高达424kbit/s。 其为13.56MHz高集成度读写卡系列芯片的新产品，MF RC522与MF RC500及MF RC530等有不少相似，并且也具备很多的特点和差异。它与主机间的通信采用连线较少的串行通信方式，并且可根据不同用户的需求，可以选取SPI、IIC或串行UART模式三者其中之一，有利于减少连线，缩小PCB板体积，降低成本等的顺利实现。
并且，还能够支持快速CRYPTO1加密算法，以及用语验证MIFARE的系列产品。 产品相关参数如下表2-1所示。
表2-1 MF522-AN射频识别模块参数表
西南交通大学本科毕业设计（论文） 第6页 而MF522-AN射频识别模块实物图片如图2-3所示。
图 2-3 MF522-AN射频识别模块实物图片
模块基本工作流程如图2-4所示。
西南交通大学本科毕业设计（论文） 第7页 2.1.3 无线传输部分综述
由于要实现实际沙盘系统中的模拟驾驶控制台对运行中的机车进行实时控制，所以本设计在此处考虑使用无线传输模块作为硬件搭载，以此来实现模拟驾驶控制台对运行的机车实时控制的要求，如图2-5。
机车
图 2-5 机车于控制台实际信息传输组合示意图
并且最关键的一点，就是因为线路上有可能有多辆机车同时运行的情况存在，在此时本设计要做到控制台对几辆机车的同时监控，所以需要本设计对模块进行组网通信与信息之间的传输。在此之前，由于市面上存在着多种无线模块，所以本设计务必要对无线模块进行选择。
NRF24L01是一款2.4GHz 的单片高速 2Mbps 无线功能的收发芯片，其具有GFSK单片式收发功能，并且在其内部置有硬件链路层，同时该模块无线信息传输速率可达到1或2Mbps，而其SPI接口速率达8Mbps，并有多达125个可选工作频道，能够在很短的时间内实现跳频等相关功能，并且广泛运用于无线信息传输、遥控等多个领域。 是一款性能优良的无线数据收发芯片，如图2-6所示。
图 2-6 NRF24L01模块
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西南交通大学本科毕业设计（论文） 第8页
2.APC220模块[6]
APC220模块是高度集成了半双工微功率的一款无线信息收发模块，并且在其中嵌入了高速运行的单片机和极其高性能射频功能芯片ADF7020-1。独树一帜地采用了一种高质量极为有效的循环交织纠检错编码方式，大大地提高了芯片的抗干扰和灵敏度能力，可以达到纠24bits连续突发错误的性能。APC220-43模块开启了多个频道的选择功能，可以在线修改串口，发射功率，射频等各种参数。APC220-43模块能够透明传输任意长度的数据，并且用户无须编写复杂的设置或者传输程序，同时运行在小体积、宽电压的状态，传输距离可达1km-1.2km，并且有着丰富便捷的软件编程与设置功能，具有无比广泛的应用领域，如图2-7所示。
图 2-7 APC220无线通信模块
3.Zigbee无线通信模块[7]
Zigbee是一个由多无线数传模块组成的无线数传网络平台，与现有的移动通信的CDMA网或GSM网十分类似，对于任意一个Zigbee网络数传模块，其可以与移动网络的一个基站相对应，并且在整个网络范围内，相互之间可以进行相互数据传输与通信；每个网络节点间的距离可以从75米直至扩展后的几百米，甚至几公里的距离；另外整个Zigbee网络还可以实现与其它的各种网络相互连接。而Zigbee模块最大的特点就是能够实现组网的功能，如图2-8所示。
西南交通大学本科毕业设计（论文） 第9页
图 2-8 Zigbee 模块示意图
4.Wifi无线传输部分[8]
WiFi 是目前应用最广泛的 WLAN（无线局域网）标准，符合 IEEE 802.11b 无线局域网络规范。Wifi技术下工作的产品都使用IEEE802.11协议标准，其一个基本服务单元由分配系统（DS)、接入点（AP）、扩展服务单元（ESS）、关口（Portal）等组成。wifi技术也是一种优良的无线通信方式。而运用wifi标准制作的无线通信模块具有良好的无线通信传输功能。并且wifi模块能够实现组网功能，如图2-9所示。
图 2-9 WIFI无线模块
针对以上四种模块的各自特点，本设计结合组网功能、传输速率、抗干扰性能、价格等方面考虑，本设计在前期选择了APC220模块作为本设计的无线传输模块，在后期改进工作中选择了wifi模块作为本设计的无线传输模块来使用。
西南交通大学本科毕业设计（论文） 第10页 第3章 系统硬件设计
3.1 系统整体方案设计
对于机车控制部分，需要本设计对于整体控制系统进行相关的硬件设计与制作，并将各个单独模块进行组合与搭载，并在之后进行相关的软件连调连试，再做出相关的改进，最后将产品成型。
硬件部分由电源电路，射频读写，电机驱动与语音报站和单片机控制部分等组成，系统的结构框图如错误！未找到引用源。3-1所示。
图 3-1 机车车载控制系统结构框图
对于整个系统，MCU就是一个协调和控制的核心。负责系统资源的使用和分配，实现对射频卡的读写完成、以无线收发数据、驱动电机、控制语音模块实现语音报站等相关功能的实现[9]。
3.2 电源电路
由于本系统供电部分是使用的12V大容量铅蓄电池，而且一共需要三种电源：12V、5V、3.3V（整个电源电路见图3-4），分别的用途如表3-1所示。
西南交通大学本科毕业设计（论文） 第11页 表3-1 三种电源的用途
由于3.3V电源要供读卡器和语音模块使用两者最大电流不到60mA故用贴片式的三端正电源稳压芯片LM1117即可，这样不仅可以加强电路板的紧凑感，而且还可以减少整个电路板的体积，也有助于电路的布线，具体电路图见图3-3。
图 3-2 7805电源电路
图3-3 LM1117 电源电路
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西南交通大学本科毕业设计（论文） 第12页 3.3 电机驱动部分
电机驱动部分由两个BTS7960半桥式电机驱动芯片构成一个H桥电路用于电机的驱动，可允许最大至43A的电流。电路具有故障输出端口可供微控制器使用，实现过流，欠压保护等功能，电路输出可驱动两路同步电机，电路图3-4见下面所示。
图3-4 BTS7960 电机驱动电路
3.4 MFRC522射频卡读写部分