毕业设计（论文）-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

西 南 交 通 大 学本科毕业设计（论文）城轨实验室2号线ATC系统规划与设计机车控制系统设计Urban Rail Transit Line 2 ATC laboratory system planning and Design - Design of locomotive control system年 级: 2010级 学 号: 姓 名: LSL 专 业:通信工程（） 指导老师: 2014年 6月承 诺本人郑重承诺：所呈交的设计（论文）是本人在导师的指导下独立进行设计（研究）所取得的成果，除文中特别加以标注引用的内容外，本文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的设计（研究）成果。对本设计（研究）做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。如被发现设计（论文）中存在抄袭、造假等学术不端行为，本人愿承担一切后果。 学生签名： 年 月 日西南交通大学本科毕业设计(论文) 第VI页题 目 城轨实验室2号线ATC系统规划与设计机车控制系统设计 指导教师评 语 指导教师 (签章)评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日毕业设计（论文）任务书班 级 学生姓名 学 号 发题日期：2014年2 月 24日 完成日期：2014年6月5日题 目 城轨实验室2号线ATC系统规划与设计机车控制系统设计 1、本论文的目的、意义 ATC系统（Automatic Train Control）是列车自动控制系统的英文缩写，该系统包括列车自动监控系统（ATS）、列车自动防护子系统（ATP）、列车自动运行系统（ATO） 三部分组成三个子系统通过信息交换网络构成闭环系统，实现地面控制与车上控制结合、现地控制与中央控制结合，构成一个以安全设备为基础，集行车指挥、运行调整以及列车驾驶自动化等功能为一体的列车自动控制系统。 本设计通过列车自动控制系统可以实现地对车控制。并实现列车走停控制、速度控制、以及相关监控等功能。 对于我校城轨实验室中实现沙盘的机车ATC系统仿真与实现，对于教学与相关仿真实验是具有很大的实际功用与研究意义的。 2、学生应完成的任务（1）收集相关资料，了解ATC系统国内外研究和应用现状。 （2）了解ATC系统在城轨交通控制系统中的应用。 （3）做一些实际的调研活动。 （4）研究ATC系统在城轨交通控制系统中的应用中存在的问题。 （5）寻求解决方案。 （6）应完成不少于一万英文字符的翻译及将毕业设计(论文)的中文摘要翻译。 3、论文各部分内容及时间分配：（共 18 周）第一部分完成选题、下达任务书 (1 周) 第二部分完成资料收集、阅读等工作 (1 周) 第三部分 进行系统的实际硬软件设计与搭建 (5 周)第四部分 进一步完成系统设计，并完成与实现相关功能 (6 周)第五部分 撰写毕业设计论文 (3 周)评阅及答辩 (2 周)备 注 答辩前应向指导老师交毕业设计（论文）说明书（书面文档应不少于2万4千个汉字）和电子文档（含毕业设计（论文）说明书及应用软件）。 指导教师： 2014年 月 日审 批 人： 2014年 月 日摘 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 WordsLocomotive control; Wireless transmission; WIFI module目 录第1章 绪论11.1 设计的背景及意义11.2 国内外研究现状11.3 本文研究的内容1第2章 机车控制部分需求分析32.1 机车控制部分综述32.1.1 MCU部分综述32.1.2 读卡设备部分综述52.1.3 无线传输部分综述7第3章 系统硬件设计113.1 系统整体方案设计113.2 电源电路113.3 电机驱动部分133.4 MFRC522射频卡读写部分133.5 无线模块电路143.5.1 APC220模块143.5.2 USR-WIFI232-T模块153.5.3 Wifi模块转接板设计163.6 单片机最小系统17第4章 无线通信方式设计194.1 无线通信技术概述194.1.1 方案一：每辆车直接传输数据至主控电脑194.1.2 方案二：每辆车通过路由器组网再连接主控电脑194.2 实际组网过程204.2.1 相关通信协议介绍204.2.2 模块组网模式介绍214.2.3 工作模式：透明传输模式234.2.4 本设计所组网模式244.2.5 Wifi模块组网操作设置25第5章 系统软件设计305.1 系统整体软件结构305.2 单片机软件设计315.2.1 单片机软件流程315.2.2 单片机初始化部分325.2.3 电机驱动子程序335.2.4 MFRC522子程序345.2.5 串口通信子程序37第6章 系统调试及试验结果416.1 系统调试416.2 系统调试过程416.3 调试总结46结 论48致 谢49参考文献50西南交通大学本科毕业设计（论文） 第48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。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。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。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。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产品型号MF522-AN型工作电流1326毫安/直流3.3伏空闲电流10-13毫安/直流3.3伏休眠电流80uA峰值电流30mA工作频率13.56MHz读卡距离060mm（mifare1卡）接口SPI数据传输速率最大10Mbit/s物理特性尺寸：40mm60mm工作温度摄氏-2080度储存温度摄氏-4085度 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。图 2-4读卡设备示意图 机车在行驶过程中，如图2-4，通过MF522-AN射频识别模块实现对线路经过的IC卡进行读取计数，并且将数据反回至主控芯片STC2C5A60S2.实现对机车所处位置的实时监测。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。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。 市面上一般存在着这几种无线模块：1.NRF24L01模块5NRF24L01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2.APC220模块6APC220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。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。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Error! Reference source not found.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。表31 三种电源的用途电源类型电源用途电源类型电源用途12V电机驱动5VSTC12C5616AD3.3VMFC522射频卡读写模块74HC00和74HC04WTV020-SDAPC250LM1117其中，12V转5V采用的是三端正电源直插式的稳压芯片7805，其电路图如图3-2。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MFRC522是高度集成的非接触式（13.56MHz）读写卡芯片。此发送模块利用调制和解调的原理，并将它们完全集成到各种非接触式通信方法和协议中。对于该读写器，支持ISO 14443A/MIFARE。MFRC522的内部发送器部分可驱动读卡器天线于ISO14443A/MIFARE卡和应答器的通信，而无需其它的电路辅助。接收器部分提供一个功能强大和高效的解调、译码电路，以用来处理兼容ISO 14443A/MIFARE的卡和应答器的信号。数字电路部分而言，能够处理完整的ISO 14443A/MIFARE帧和错误检测。MFRC522支持MIFARE 系列器件。MFRC522支持MIFARE更高的非接触式通信，双向数据传输率可以高达424kbit/s。3.4.1 MFRC522特性64字节的发送和接收FIFO缓冲区；支持低功耗硬件复位、软件掉电、内部自测试和自由编程的I/O管脚；支持ISO 14443A/MIFARE系列加密；高度集成模拟电路，解调和译码响应；输出驱动器具有一定的缓冲能力，并且天线的连接使用最少的外部元件；读写器与ISO14443A/MIFARE的通信距离可以长至50mm（但是要取决于天线的长度与调谐功能）；支持ISO 14443A/MIFARE；支持SPI接口，I2C接口，异步串行接口。3.4.2 MFRC522射频卡读写模块电路MFRC522射频卡读写模块是实现机车定位和追踪的关键，其提供的接口方式占用的I/O数量都是比较少的，但考虑软件编写的复杂性和串口资源有限所以考虑用SPI接口方式，具体电路见图3-5。图3-5 射频卡读写电路3.5 无线模块电路3.5.1 APC220模块对于无线模块电路，本设计在前期采用的是APC220模块。APC220模块采用的是高度集成的半双工微功率无线数据收发模块，其嵌入了高速单片机和高性能射频芯片。并使用了高效循环交织检错编码技术，将抗干扰和灵敏度都大大提高，最大可以纠错连续24bit突发错误，具体参数见表3-2。表3-2 APC250主要参数最大通信距离1800m1200bps工作方式异步串行口频率范围(-3dB)230-960MHz接收灵敏度-121dBm1200bps通信速率1.2Kbps-57.6Kbps发射电流100mA调制方式GFSK接收电流20mAFIFO大小双256Bytes发射功率7级可调工作湿度10%90%（无冷凝）校验方式高效循环交织码休眠电流3uA工作温度范围-30+85电源电压范围DC：+3.4+5.5V抗冲击2000gAPC220无线模块是整个机车车载系统与控制系统的通信通道。起着上下连接的作用，接收上位机程序的各项控制命令，并在需要时及时返回相关数据，具体的电路图见图3-6所示。图3-6 APC220电路但是对于APC220模块而言存在一个缺陷，就是无法完成组网的功能要求，并且对于处于两路信息同时传输的状态之时，会发生相互之间的干扰，导致信号失真。3.5.2 USR-WIFI232-T模块 对于无线传输模块的选择，本设计在后期采用了wifi模块，因为基于该模块能够支持wifi协议及配置，以及802.11bgn的组网协议栈。 在购置模块时，本设计选择了一款USR-WIFI232-T的wifi模块作为本设计的无线传输模块来使用。该款WIFI模块具有如下优点：支持802.11bgn协议标准；低功耗；支持STA/AP/STA+AP共存工作模式支持多至五路的TCP Client 连接；超小尺寸 USR-WIFI232-T系列产品可以用于实现串口到 WIFI数据包的双向透明转发，用户无需关心具体细节，模块内部完成协议转换，串口一侧串口数据透明传输，WIFI 网络一侧是 TCPIP 数据包，通过简单设置即可指定工作细节，设置可以通过模块内部的网页进行，也可以通过串口使用 AT 指令进行，也可以使用本设计配套提供的设置软件，一次设置永久保存。3.5.3 Wifi模块转接板设计 因为在之前本设计使用的是APC220模块，而之后选用的是能够组网的wifi模块，两者的VCC、GND，RXD，TXD接口位置互不相同，如下表3-3所示。表3-3 wifi模块转接版端子对应表模块各端接口VCCGNDRXDTXDAPC220管脚号2145USR-WIFI232-T2156 所以本设计需要对APC220的RXD与TXD的管脚与USR-WIFI232-T模块的RXD与TXD位置进行一定的转换。 并且APC220是5V供电，而USR-WIFI232-T是3.3V供电，这是值得注意的一个地方。如下图3-7、3-8、3-9所示。图3-7转换对应引脚图图3-8转换板设计的原理图图3-9转换板设计的PCB图3.6 单片机最小系统1. STC12C56XXAD简介STC（宏晶科技）是深圳一个从事专业8051单片机设计和生产的高新科技公司。STC系列单片机在中国目前的51型单片机市场取得了较大比例的占有率，并已成为全球最大的专业从事8051单片机设计、高性能的SRAM，并获得相关国际测试机构的多项权威认证。STC12C5616AD就是其最新推出的一款28Pin的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是超强抗干扰/低功耗/高速的新一代8051单片机，其运行时钟速度是传统8051单片机的8-12倍，并且指令代码与传统8051单片机兼容良好。并在其系统内部集成MAX810专用的复位电路，存在8路高速的A/D转换通道，与4路PWM，并且针对电机的控制，强干扰的场合。STC12C5616AD具有以下特性：丰富的接口：9路外部中断，4路PWM，10位精度ADC有8路，全双工异步串口具有2路，SPI同步通信接口1路单机器/时钟周期，并且与传统8051单片机指令兼容良好工作电压：3.5V - 5.5V（5V单片机）工作频率范围：035MHz用户可使用的程序空间：16K字节，并集成了768字节RAM通用I/O口23个，供有四种模式可设置：强推挽、弱上拉、开漏、高阻，每个I/O口可单独驱动20mA的外部器件，但整个芯片不能超过55mA具有PCA功能2. 单片机的最小系统单片机的最小系统包括复位电路，时钟电路和单片机几个部分组成。并且本设计为了提高单片机的工作速率，采用了22.1184MHz的外部晶振，并采用上电自动复位电路，详细电路图见下图3-11。图3-10 STC12C5616AD单片机最小系统第4章 无线通信方式设计4.1 无线通信技术概述因为本设计需要完成对线路上运行的机车实现实时监控，并且在多辆列车运行时进行控制，并且是在脱离有线控制的条件下进行的，所以有必要对无线模块进行选取与使用。并且在对于实际运行的线路中，本设计在存在多辆机车实际运行的情况下需要对相关无线信号进行组网与通信传输。所以有两种通信方案：4.1.1 方案一：每辆车直接传输数据至主控电脑图4-1数据直传方案图对于此数据传输方案，本设计要使用多个无线模块与多个接收天线相对应，再进行相关的无线传输.如上图4-1。对于此种方案本设计最先是用的APC220模块进行无线信息传输的。之后对于单个机车与接收天线进行通信效果良好，但是当增加了无线模块数量之后，则存在模块间的相互干扰的问题，并且会导致数据出现乱码等问题。4.1.2 方案二：每辆车通过路由器组网再连接主控电脑对于第二种方案，本设计考虑对模块进行组网，以无线路由器作为桥接器，再对信息进行传输，如图4-2。图4-2数据组网传输图本设计在实现组网后的传输功能时，所选择的模块是用的wifi模块，因为wifi模块具有传输效率高及强大的组网功能。可以实现多辆机车同时在线路上运行，并进行数据的传输与相关命令的控制实施。对于此种方案，本设计选用的是USR-WIFI232-T无线传输模块。USR-WIFI232-T超低功耗嵌入式Wi-Fi模组提供了一种将用户的物理设备连接到wifi网络上，并提供UART串口等接口传输数据的解决方案。该模块上的硬件集成了MAC，基频芯片，射频收发单元，以及功率放大器等等相关硬件模块。具有丰富的外设。其嵌入式固件支持WiFi协议及配置，以及组网的TCP/IP协议栈。USR-WIFI232-T是一款一体化802.11b/g/n Wi-Fi的低功耗解决方案，本设计可以通过该模组将低端串口设备、MCU控制设备均可以接入Wi-Fi网络。从而实现了组网功能与无线传输控制功能。4.2 实际组网过程 本设计接下来在此介绍USR-WIFI232-T模块的实际组网过程。首先叙述下相关通信协议。4.2.1 相关通信协议介绍本设计选用的Wi-Fi协议是使用的TCP/IP协议，其全称为Transmission Control Protocol/Internet Protocol，即是因特网互联协议/传输控制协议，又称之为网络通讯协议，是Internet互联技术的最基本的协议，是由网络层的IP协议与传输层的TCP协议这两个协议组组成的。TCP/IP 协议定义了一般的普通电子设备如何与应该以什么一个形式连入因特网，以及它们之间的数据如何传输的标准。协议采用了四层的层级结构，并且每一层都会通知它的下一层所提供的协议一同来完成需求。简单地说：TCP协议负责发现传输的问题，一遇到问题就发送信号，请求重新传输相关数据，一直到所有数据完全正确地传输到目的地。而IP是因特网的每一台电脑的一个地址。该协议的概念层次性结构与数据在TCP/IP分层模型传输过程图片如下图4-3、图4-4所示。图4-3 TCP/IP概念层次性结构图4-4 数据在 TCP/IP 分层模型中的传输过程4.2.2 模块组网模式介绍本设计所选用的模块是USR-WIFI232-T模块，该模块可以实现多种形式的无线组网功能。组网模式分为STA模式、AP模式及STA+AP模式一共三种工作模式。其中AP模式英文名为 Access Point，该模式下能提供无线接入的相关服务，并且允许其它的无线设备接入系统，提供数据的访问工作，对于的无线路由/网桥均工作在该模式下。AP和AP之间可以允许相互的连接。STA模式: Station, 类似于一般的无线终端，STA模式本身并不接受无线的接入，但是它可以连接到AP，而一般无线网卡就是工作在该模式下。 基于AP无线组网模式 这是一种基本的组网方式，由一个AP和许多STA组成。其特点是AP处于中心地位，STA之间的相互通信都通过AP转发完成的，如图4-5所示。图4-5 AP无线组网模式图 基于STA无线网络组网模式图4-6 基于STA无线网络组网模式 远程连接应用中，本设计可以将模块作为STA，通过网关连接到Internet网上。模块设置成TCP Client客户端模式。与Internet网上的远端TCP server相连。而此时用户设备则可通过串口连接到模块进行通信。 基于AP+STA共存的无线网络组网模式 模块还可以支持AP+STA的方式：即模块同时支持一个AP接口，一个STA接口。模块开启了AP+STA功能后，模块的STA可以与路由器相连，并通过TCP连接与网络中的服务器相连。同时模块上的AP接口可以使用，手机等无线设备等都可以连接到这个AP接口上，控制串口设备及对模块进行设置。 并且该模式有如下优点： 通过AP+STA功能，可以方便地利用相关无线设备进行监控，而不改变其网络设置。 通过AP+STA功能，可以利用直接无线模式对模块进行设置，而不仅仅只使用串口来实现设置功能。如图4-7所示。图4-7 AP+STA组网结构示意图4.2.3 工作模式：透明传输模式USR-WIFI232-T模块支持串口透明传输模式。这一模式的优点在于可以实现串口即插即用，从而最大程度的降低用户使用的复杂程度。模块处在透明传输模式时工作，用户只需将其看作虚拟串口,简言之，就是将模块作为收发数据的串口总是在透传模式下工作，所以用户将其看作虚拟串口，则可轻松收发无线数据。设置传输模式的相关参数如下： 无线网络参数 网络名称（SSID) 安全模式 密匙 协议类型 连接类型 目的端口 目的IP地址 波特率 数据位 检验位 停止位 硬件流控4.2.4 本设计所组网模式 本设计在实际测试通信时，所选取的组网结构有如下两种方式： 单个电脑控制单个机车模式 本设计通过主控电脑直接将数据传给无线路由器，将无线路由作为中继，之后再由中继来与wifi连接，控制机车，如图4-8所示。 图4-8 单个电脑控制单个机车模式此模式下是实现的单点对单点的通信方式，在此模式下wifi模块实际是作为一个STA，之后再与路由器连接，路由器再与主控电脑进行通信。 单电脑控制多个机车模式 在此种模式下，本设计使用路由器与多个机车wifi模块相连以此种组网模式来完成控制命令。如图4-9所示。图4-9单电脑控制多个机车模式 在上图模式下，对于两块wifi模块所选模式也是STA模式，并与路由器相连，能实现模块之间的收发测试以及通过路由器作为中继与主控电脑通信和信息传输。4.2.5 Wifi模块组网操作设置 首先本设计测试的是单个电脑控制单个机车的模式，如图4-10。图 4-10单个电脑控制单个机车模式 对于本设计所选用的USR-WIFI232-T模块可以通过进入其Web页面进行配置，这种情况下，本设计需要利用笔记本电脑连入USR-WIFI232-T模块，之后再打开网页，再进行相关的配置，从而尝试完成本设计的需要。 默认情况下，USR-WIFI232-T的AP接口的SSID为USR-WIFI232-T，IP地址和用户名、密码如下：表4-1参数默认设置SSIDUSR-WIFI232-TIP地址54子网掩码用户名admin密码admin 之后将笔记本电脑的无线功能打开，搜索到SSID名为USR-WIFI232-T，等链接好后，打开浏览器，在地址栏输入54，回车。在弹出来的对话框中输入用户名和密码，均为admin，然后点击确认。然后网页会出现USR-WIFI232-T的管理界面。USR-WIFI232-T管理界