孫鐵強(qiáng)

*沈陽(yáng)鐵路局吉林電務(wù)段 高級(jí)工程師，132001 吉林省吉林

現(xiàn)階段我國(guó)64D型半自動(dòng)閉塞信息傳輸是通過通信的架空明線或?qū)ΨQ電纜傳輸?shù)模趥鬏斁€路中只傳輸2種正負(fù)脈沖信號(hào)，動(dòng)作兩站間的閉塞設(shè)備，完成半自動(dòng)閉塞電路的整個(gè)動(dòng)作過程。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，閉塞電話已經(jīng)全部改為光纜傳輸，現(xiàn)有的閉塞線路只作為半自動(dòng)閉塞信息的傳輸通道，這種傳輸方式容易受到外界干擾，故障率高且無法實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖電路的接口，已不能滿足信號(hào)設(shè)備發(fā)展的要求。

信息數(shù)字化傳輸技術(shù)的發(fā)展，為改變現(xiàn)有傳輸方式提供了可能。利用現(xiàn)有閉塞電話使用的通信光纜作為半自動(dòng)閉塞信息傳輸通道，傳送各種閉塞信息。在閉塞外線端接入數(shù)字信息轉(zhuǎn)換設(shè)備，將閉塞的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，利用通信光纜傳輸?shù)綄?duì)方站。對(duì)方站接到數(shù)字信號(hào)后，再將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)，動(dòng)作原電路的ZXJ、FXJ繼電器完成站間閉塞任務(wù)。原半自動(dòng)閉塞電路不需要改變。

沈陽(yáng)鐵路局在2008年于鐵道部立項(xiàng)“半自動(dòng)閉塞信息數(shù)字化傳輸技術(shù)運(yùn)用研究”。主要研究如何利用光纖傳輸及編碼轉(zhuǎn)換技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定、可靠的閉塞信息傳輸系統(tǒng)。該項(xiàng)目研制的DTMF over Fiber簡(jiǎn)稱DoF半自動(dòng)閉塞信息傳輸設(shè)備，以微控制器 (MCU)為核心，采用CPID、編碼調(diào)制、光電隔離電路等技術(shù)，完成對(duì)繼電器及控制臺(tái)表示燈狀態(tài)的采集，應(yīng)用編碼調(diào)制技術(shù)將閉塞信息轉(zhuǎn)換為DTMF(雙音多頻)信號(hào)，并通過光纖通道發(fā)送到對(duì)端進(jìn)行解碼，控制閉塞繼電器進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。傳輸設(shè)備具有以下功能。

1.實(shí)現(xiàn)閉塞電路各繼電器狀態(tài)及表示燈狀態(tài)信息的采集。

2.完成閉塞信息“電壓信號(hào)→雙音多頻編碼→光纜傳輸→雙音多頻解碼→電壓信號(hào)”的轉(zhuǎn)換及傳輸。

3.實(shí)現(xiàn)單機(jī)網(wǎng)管、撥號(hào)網(wǎng)管2種設(shè)備管理方式，及時(shí)取得設(shè)備內(nèi)所存儲(chǔ)的繼電器、閉塞表示燈狀態(tài)數(shù)據(jù)及故障報(bào)警數(shù)據(jù)。

4.實(shí)現(xiàn)光纜傳輸與原有電纜傳輸?shù)那袚Q功能，實(shí)現(xiàn)雙電源、雙采集通道、雙主控制板的冗余備份。

1 DoF半自動(dòng)閉塞信息傳輸原理

1.1 繼電器信息采集

傳輸設(shè)備可采集32個(gè)點(diǎn):1～26采集點(diǎn)用于采集13個(gè)閉塞機(jī)的繼電器狀態(tài)，每個(gè)繼電器采集2組接點(diǎn)信號(hào)，以增加采集的可靠性，采樣電源為動(dòng)態(tài)直流12V;27～32采集點(diǎn)用于采集閉塞表示燈的狀態(tài)，采樣電源為交流24V。采用光電隔離技術(shù)，通過電→光→電的轉(zhuǎn)換隔離，有效地消除干擾源的進(jìn)入，提高抗干擾能力。

1.2 閉塞信息編碼

系統(tǒng)通信部分采用DTMF(雙音多頻)信號(hào)傳輸方式。DTMF信號(hào)具有抗干擾能力強(qiáng)和傳輸距離長(zhǎng)等特點(diǎn)。

如圖1所示，一個(gè)DTMF信號(hào)由2個(gè)頻率的音頻信號(hào)疊加構(gòu)成。這2個(gè)音頻信號(hào)的頻率來自2組預(yù)分配的頻率組:行頻組或列頻組。每一對(duì)這樣的音頻信號(hào)組唯一表示一種閉塞信息。

圖1 雙音多頻編碼矩陣

半自動(dòng)閉塞信息有7種:請(qǐng)求發(fā)車+信息、自動(dòng)回執(zhí)－信息、同意接車+信息、通知出發(fā)+信息、到達(dá)復(fù)原－信息、取消復(fù)原－信息、故障復(fù)原－信息。每一種閉塞信息都相應(yīng)賦予一組雙音頻，通過軟件產(chǎn)生2個(gè)正弦波疊加在一起后發(fā)送，可保證信號(hào)傳輸?shù)陌踩约坝行浴?/p>

1.3 各類消息數(shù)據(jù)編碼格式

1.3.1 繼電器動(dòng)作消息

格式:開始標(biāo)識(shí)，2字節(jié)，固定為A1;繼電器消息類型，2字節(jié)，固定為AA，表示此消息為繼電器動(dòng)作消息;繼電器動(dòng)作類型，2字節(jié)，01標(biāo)識(shí)繼電器吸起，02標(biāo)識(shí)繼電器落下;冗余校驗(yàn)位2字節(jié)，奇偶校驗(yàn)位1字節(jié)，均為根據(jù)相應(yīng)校驗(yàn)方法計(jì)算后的結(jié)果;結(jié)束標(biāo)識(shí)，2字節(jié)，固定為B1。

以上元素的定義和編碼在以下消息中通用。

1.3.2 繼電器響應(yīng)消息

格式:開始標(biāo)識(shí)，2字節(jié);繼電器消息類型，2字節(jié)，固定為BB;繼電器響應(yīng)碼，2字節(jié)，00為執(zhí)行繼電器動(dòng)作成功，01為執(zhí)行繼電器動(dòng)作失敗，09為不能識(shí)別所發(fā)送信息，請(qǐng)求重新發(fā)送;冗余校驗(yàn)位2字節(jié);奇偶校驗(yàn)位1字節(jié);結(jié)束標(biāo)識(shí)2字節(jié)。

1.3.3 設(shè)備間通道測(cè)試消息

格式:開始標(biāo)識(shí)2字節(jié);消息類型2字節(jié)，固定為11;冗余校驗(yàn)位2字節(jié);奇偶校驗(yàn)位1字節(jié);結(jié)束標(biāo)識(shí)2字節(jié)。

1.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了大容量鐵電存儲(chǔ)器，鐵電存儲(chǔ)器能兼容RAM的一切功能，并且和ROM技術(shù)一樣，是一種非易失性的存儲(chǔ)器。

1.4.1 設(shè)備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式

存儲(chǔ)器可以記錄一切動(dòng)作過程，當(dāng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)。投入使用的主機(jī)和備機(jī)均進(jìn)行采集，各自獨(dú)立存儲(chǔ)日志文件。

日志文件格式:時(shí)間、名稱、狀態(tài)、主/備。其中，名稱指繼電器名稱或相應(yīng)閉塞燈;繼電器吸起狀態(tài)記為↑，落下狀態(tài)記為↓;表示燈狀態(tài)標(biāo)記為L(zhǎng)、U、H。

1.4.2 設(shè)備數(shù)據(jù)讀取方式

1．本地?cái)?shù)據(jù)讀取方式。在計(jì)算機(jī)內(nèi)自動(dòng)增加相應(yīng)串口，將USB線纜插入計(jì)算機(jī)及設(shè)備兩端，通過計(jì)算機(jī)上數(shù)據(jù)處理軟件自動(dòng)將設(shè)備內(nèi)所存儲(chǔ)的采集記錄讀取出來。

2．遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)讀取方式。將RJ11電話線插入本設(shè)備Modem模塊上，并配置一個(gè)可呼叫的電話號(hào)碼，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過撥號(hào)方式呼叫該設(shè)備，與該設(shè)備建立鏈路連接，通過已制定的通信協(xié)議完成設(shè)備與計(jì)算機(jī)的通信，從而將設(shè)備內(nèi)的采集數(shù)據(jù)及告警數(shù)據(jù)讀取出來。

1.5 光纜傳輸與實(shí)線傳輸?shù)那袚Q

在系統(tǒng)內(nèi)部通過2個(gè)光通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，兩端設(shè)備每間隔5 s發(fā)送一次通道測(cè)試消息，其內(nèi)容為:AF11B2FA編碼。當(dāng)某通道在30 s內(nèi)沒有接收到對(duì)端所發(fā)來的測(cè)試消息，則認(rèn)為通路不再可用，發(fā)出通道告警，將另一正常通道作為主通道，直到該故障通道檢測(cè)正常后，報(bào)警解除。

如果人為需要在光通道與原實(shí)線通道之間進(jìn)行切換，則可采用設(shè)備所配置的開關(guān)電路，將傳輸通道進(jìn)行切換，系統(tǒng)根據(jù)開關(guān)信息記錄所切換的動(dòng)作時(shí)間點(diǎn)及切換到的通路位置。

2 硬件設(shè)計(jì)

DoF半自動(dòng)閉塞信息傳輸設(shè)備由通信板、檢測(cè)板、傳輸板、切換板、電源板、母板組成。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1．采用刀片式的安裝結(jié)構(gòu)，雙機(jī)熱備設(shè)計(jì)方式，具有以下特點(diǎn):①便于拆裝、維護(hù);②雙機(jī)熱備使系統(tǒng)工作更加安全、可靠;③獨(dú)立運(yùn)行互不影響，內(nèi)部有自協(xié)調(diào)機(jī)制;④出現(xiàn)故障，可做到無縫切換;⑤系統(tǒng)使用了高性能的CPU和大容量的存儲(chǔ)器;⑥系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，自行檢測(cè)功能開始自檢，自檢通過后，自動(dòng)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)。

2．主機(jī)硬件接口:①與顯示板通信接口(RS-485);②掉電存儲(chǔ)芯片 (32KB);③輸入信號(hào)狀態(tài)指示驅(qū)動(dòng);④與調(diào)制解調(diào)器通信 (RS-232);⑤RS-232轉(zhuǎn)USB與當(dāng)?shù)仉娔X通信;⑥兩路雙音多頻信號(hào)轉(zhuǎn)換;⑦時(shí)鐘芯片;⑧看門狗;⑨與主板間接口 (數(shù)據(jù)地址線以及中斷)。

3．主板硬件接口:①所有輸入信號(hào)的隔離;②與外界通信的隔離 (與調(diào)制解調(diào)器通信RS-232、RS-232轉(zhuǎn)USB與當(dāng)?shù)仉娔X通信);③主備光通道自動(dòng)切換;④供電電源轉(zhuǎn)換。

4．顯示板硬件接口:①12864液晶驅(qū)動(dòng);②鍵盤掃描;③與2臺(tái)主機(jī)通信(RS-485);④看門狗。

DoF半自動(dòng)閉塞信息傳輸設(shè)備硬件框圖見圖2、圖3。

2.2 異常處理

1．為了防止死機(jī)現(xiàn)象的出現(xiàn)，系統(tǒng)采用了看門狗技術(shù)，看門狗電路是嵌入式系統(tǒng)需要的抗干擾措施之一，是自行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的重要保證。

圖2 主機(jī)內(nèi)部接口框圖

圖3 主板外部接口框圖

2．采用了雙通道通信方式，數(shù)據(jù)傳輸過程中系統(tǒng)自行選擇通信質(zhì)量好的通道。系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)通道的通信質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)報(bào)警。設(shè)置本地報(bào)警和遠(yuǎn)傳報(bào)警指示。本地報(bào)警指在設(shè)備本身指示燈報(bào)警，當(dāng)報(bào)警超過3 min(該參數(shù)可設(shè)置)時(shí)，報(bào)警取消。遠(yuǎn)傳報(bào)警指設(shè)備輸出24V電源，遠(yuǎn)端接聲光等報(bào)警設(shè)備，該報(bào)警一直保持，直到有操作人員到設(shè)備面板上按復(fù)位鍵。報(bào)警信息寫入報(bào)警日志文件。報(bào)警碼通過LCD顯示并可由遠(yuǎn)程撥號(hào)或USB接口讀取報(bào)警日志文件。為避免報(bào)警文件過多，可采用頂進(jìn)頂出的原則。報(bào)警內(nèi)容:光通道故障報(bào)警、主備機(jī)故障轉(zhuǎn)換報(bào)警、繼電器接點(diǎn)采集不同步報(bào)警。

3 軟件設(shè)計(jì)

傳輸設(shè)備上電啟動(dòng)后，單片機(jī)軟件開始工作，對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行初始化。初始化完畢后進(jìn)入自檢狀態(tài)，自檢通過后進(jìn)入正常的工作狀態(tài)。在工作過程中，要進(jìn)行主、備機(jī)協(xié)調(diào)工作、記錄繼電器的狀態(tài)、遠(yuǎn)程通信、本地鍵盤處理、報(bào)警處理、本地通信等。軟件主要包括以下幾個(gè)功能模塊:主機(jī)部分、鍵盤部分、繼電器狀態(tài)檢測(cè)部分等。詳見圖4、圖5、圖6。

圖6 鍵盤主要處理流程圖

4 DoF半自動(dòng)閉塞信息傳輸設(shè)備特點(diǎn)

1．原閉塞信息是用正負(fù)2種信息，通過時(shí)間先后區(qū)分為7種不同意義的信息。本傳輸設(shè)備則對(duì)每一種閉塞信息都賦予了不同的雙音多頻碼，更有利于保證邏輯性和可靠性。

2．采用了光電隔離技術(shù)對(duì)繼電器信號(hào)進(jìn)行采集，避免了信號(hào)采集過程的干擾，保證了采集狀態(tài)的準(zhǔn)確性。

3．傳輸設(shè)備冗余設(shè)計(jì)。電源系統(tǒng)、采集接點(diǎn)位置、工作主控板、編碼傳輸通路等，都采用了冗余備份措施，保證系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

4．遠(yuǎn)程管理易于維護(hù)。傳輸設(shè)備除可在設(shè)備端進(jìn)行管理外，還可通過遠(yuǎn)程撥號(hào)方式進(jìn)行接入，便于工作人員遠(yuǎn)程對(duì)繼電器狀態(tài)的采集和系統(tǒng)故障的查詢。

5．傳輸通道采用64 kb/s音頻通道，可自動(dòng)測(cè)試通道。

5 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)多數(shù)站間已經(jīng)具備光纖傳輸通道，將閉塞信號(hào)轉(zhuǎn)換為DTMF信號(hào)，通過光纖進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，在網(wǎng)絡(luò)層面保證了傳輸信號(hào)的可靠性，在業(yè)務(wù)層面保證了信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量要求，消除了傳統(tǒng)電纜傳輸?shù)膿p耗大、易受干擾的缺點(diǎn)。傳輸設(shè)備的設(shè)計(jì)、研發(fā)，以高可靠性、安全性及對(duì)未來傳輸技術(shù)的擴(kuò)展性為指導(dǎo)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明，該系統(tǒng)滿足半自動(dòng)閉塞系統(tǒng)的功能和安全性要求，工作穩(wěn)定可靠，具有較好的應(yīng)用前景。