侯江濤

（西安鐵路局西安電務(wù)器材廠 陜西 西安 710054）

半自動(dòng)閉塞鐵路線在我國(guó)大量存在，而用于兩個(gè)車(chē)站之間接-發(fā)列車(chē)的閉塞信息有正負(fù)脈沖2種信息來(lái)完成，傳輸閉塞信息的傳輸介質(zhì)為架空明線或光纜。由于明線或者電纜故障而導(dǎo)致鐵路運(yùn)輸中斷的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，并且一旦明線或者電纜故障后恢復(fù)起來(lái)較為復(fù)雜，通常情況下，恢復(fù)的時(shí)間在6～10 h左右，這也大大降低了區(qū)間半自動(dòng)閉塞的單線鐵路的運(yùn)輸能力。并且隨著技術(shù)進(jìn)步及新科技的廣泛應(yīng)用，光纜的應(yīng)用越來(lái)越普遍，大多數(shù)鐵路車(chē)站之間的傳輸通道已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了光纖傳輸。

信號(hào)半自動(dòng)閉塞光纜傳輸器用于64D單線半自動(dòng)閉塞的區(qū)間信號(hào)傳輸，其作用是代替原有的電纜或者明線傳輸，將原有的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸，可以實(shí)現(xiàn)傳輸通道的冗余備份，對(duì)傳輸通道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如果主通道發(fā)生故障，切換至備用通道，并且可發(fā)出報(bào)警，亦可將設(shè)備的工作狀態(tài)上傳給微機(jī)監(jiān)測(cè)等上位工作站。

1 系統(tǒng)功能要求及結(jié)構(gòu)

由于兩個(gè)車(chē)站之間的距離不同，發(fā)送電壓也不同，其電壓范圍從40～120 V不等，個(gè)別車(chē)站可能更高。QCGB信號(hào)半自動(dòng)閉塞光纜傳輸器的主要功能就是將發(fā)送端（甲站）的電壓采集后，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)通過(guò)光纜通道傳輸至接收端（乙站），并復(fù)原為電壓信號(hào)。根據(jù)功能要求及安全性要求，光纜傳輸器主要由以下幾個(gè)功能模塊構(gòu)成：輸入輸出接口單元、電源單元、控制單元、通信單元?；阼F路信號(hào)的安全性和可靠性方面的考慮，系統(tǒng)需要完成以下幾個(gè)方面的特殊功能：

1）控制模塊和通信模塊均采用“1+1”的備用模式，且控制單元與通信單元之間采用交叉?zhèn)溆玫姆绞竭M(jìn)行配置；

2）控制單元采用雙CPU進(jìn)行信號(hào)采集；

3）傳輸通道需冗余備份；

4）輸出采用安全與門(mén)電路，符合故障導(dǎo)向安全原則；

5）可將本機(jī)的工作狀態(tài)及報(bào)警信息上傳給上位機(jī)進(jìn)行顯示。

根據(jù)以上功能，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中，電源部分采用AC/DC模塊電源完成單片機(jī)及逆變電路所需的DC12V、DC5V電源及通訊所需的DC5V隔離電源。通信單元采用北京公司生產(chǎn)的雙RS232串口轉(zhuǎn)E1通道的通信模塊，但是2路RS232通道為切換式工作。在控制單元中，考慮到要用到雙串口實(shí)現(xiàn)2路傳輸通道的冗余備份和逆變輸出驅(qū)動(dòng)電源，因此選用STC12C5A60S2單片機(jī)[1]作為主控單元的控制芯片。

2.1 STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機(jī)簡(jiǎn)介

STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。內(nèi)部集成MAX810專(zhuān)用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250 k/s），針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。

該芯片具有以下特點(diǎn)：

1）增強(qiáng)型 8051 CPU，1T，單時(shí)鐘/機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051；

2）工作電壓：STC12C5A60S2 系列工作電壓：5.5～3.3 V（5 V 單片機(jī)）STC12LE5A60S2 系列工作電壓：3.6～2.2 V（3 V單片機(jī)）；

3）工作頻率范圍：0～35 MHz，相當(dāng)于普通 8051的0～420 MHz；

4）用戶(hù)應(yīng)用程序空間8k/16k/20k/32k/40k/48k/52k/60k/62k字節(jié)；

5）片上集成1 280字節(jié)RAM；6）通用 I/O 口（36/40/44 個(gè)）；

7）ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無(wú)需專(zhuān)用編程器，無(wú)需專(zhuān)用仿真器可通過(guò)串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶(hù)程序，數(shù)秒即可完成一片；

8）具有 PWM（2路）/PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列，2路）功能，方便方波輸出；

9）共4個(gè)16位定時(shí)器兩個(gè)與傳統(tǒng)8051兼容的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，16位定時(shí)器T0和T1，沒(méi)有定時(shí)器2，但有獨(dú)立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器再加上2路PCA模塊可再實(shí)現(xiàn)2個(gè)16位定時(shí)器；

10）具有雙串口功能，可滿(mǎn)足該系統(tǒng)中2路通信通道的要求。

2.2 特殊功能要求的電路實(shí)現(xiàn)2.2.1 交叉?zhèn)溆萌哂嚯娐?/h3>

主控芯片STC12C5A60S2有UART0和UART1兩個(gè)串口，通信單元有S1和 S2兩個(gè)RS232輸入接口[3]，如圖 2所示：將控制單元1的通道1和通道2分別連接到通信單元1和通信單元2的串口1，將控制單元2的通道1和通道2分別連接到通信單元1和通信單元2的串口2，這樣就實(shí)現(xiàn)了控制單元和通信單元的交叉?zhèn)溆?，即在只有一個(gè)控制單元和一個(gè)通信單元的情況下，系統(tǒng)仍能正常工作。

2.2.2 安全與門(mén)電路

圖2 交叉?zhèn)溆秒娐肥疽鈭DFig.2 Structure diagram of Cross-standby circuit

該設(shè)備的輸出為DC24 V電源，驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的ZXJ或者FXJ繼電器[2]，為了防止電子產(chǎn)品故障而引起的錯(cuò)誤輸出，輸出部分采用了安全與門(mén)電路。對(duì)于數(shù)字電路來(lái)講，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)一般表現(xiàn)出固定的高電平1或者固定的低電平0，為了提高整個(gè)系統(tǒng)的安全性，把正常的方波信號(hào)作為正常的工作信號(hào)，2路CPU正常工作時(shí)分別產(chǎn)生各自的方波信號(hào)，通過(guò)安全與門(mén)產(chǎn)生一個(gè)直流電壓驅(qū)動(dòng)繼電器。如果任何一路方波電路中有元器件故障而沒(méi)有方波信號(hào)，就不會(huì)產(chǎn)生直流電壓。這就保證了輸出的直流電壓不會(huì)是錯(cuò)誤輸出。電路原理圖如圖3所示。

圖3 安全與門(mén)電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of safety AND-gate circuit

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)[4]使用的是編程較為直觀的C語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)平臺(tái)使用的是keil uvision4集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。根據(jù)系統(tǒng)功能要求，軟件設(shè)計(jì)可分為采集、通信以及驅(qū)動(dòng)幾個(gè)部分實(shí)現(xiàn)，分別介紹如下：

1）通信

通信部分主要完成2個(gè)車(chē)站之間的數(shù)據(jù)交換以及對(duì)通信通道的檢測(cè)，通信有2個(gè)通道冗余備份，每250 ms通信一次；

2）采集

采集部分主要完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)正負(fù)脈沖電壓信號(hào)的采集，并用單片機(jī)的外部中斷0（INT0）和外部中斷 1（INT1）作為單片機(jī)的輸入，當(dāng)單片機(jī)有中斷輸入時(shí)啟動(dòng)中斷響應(yīng)程序，將代表正脈沖或者負(fù)脈沖的數(shù)字信號(hào)發(fā)送至對(duì)方車(chē)站；

3）驅(qū)動(dòng)

驅(qū)動(dòng)部分主要是將收到的數(shù)字信號(hào)還原為脈沖電壓，根據(jù)不同的脈沖，輸出不同極性的脈沖。驅(qū)動(dòng)部分的程序框圖如圖4所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖4 驅(qū)動(dòng)部分程序流程圖Fig.4 Flow chart of drive part

基于STC12C5A60S2單片機(jī)的鐵路信號(hào)半自動(dòng)閉塞光纜傳輸器[7]經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)、測(cè)試，工作穩(wěn)定，通信可靠，滿(mǎn)足故障導(dǎo)向安全的原則，并且通過(guò)了鐵道部組織的常溫、高低溫、恒定濕熱、電磁兼容、軟件測(cè)試、專(zhuān)家評(píng)估等測(cè)試，成為解決半自動(dòng)閉塞區(qū)間電纜故障的設(shè)備。

[1]STC12C5A60S2系列單片機(jī)器件手冊(cè) [EB/OL].2011.http://www.stcmcu.com.

[2]董昱.區(qū)間信號(hào)與列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2008.

[3]鐵道部運(yùn)基信號(hào)2010[37]號(hào)《基于光通信的站間安全信息傳輸系統(tǒng)應(yīng)用基礎(chǔ)條件（暫行）》[S].2010.

[4]郭天祥.新概念51單片機(jī)C語(yǔ)言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[5]郝苗宇.半自動(dòng)閉塞通道替代方案探討[J].鐵道通信信號(hào)，2011（11）:72.HAOMiao-yu.Alternative channel solutions of semi-automatic block[J].Railway Signalling&Communication，2011（11）:72.

[6]楊昭軍，徐洪澤，岳強(qiáng).基于光纖通信的半自動(dòng)閉塞系統(tǒng)[J].鐵道通信信號(hào)，2007（11）:21-23.YANG Zhao-jun，XU Hong-ze，YUE Qiang.Semi-automatic block system based on optical fiber communication[J].Railway Signalling&Communication，2007（11）:21-23.

[7]張華鈞，高麗，史延?xùn)|.基于虛擬儀器技術(shù)的光伏雙軸跟蹤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2011（5）：50-54.ZHANGHua-jun，GAO Li，SHI Yan-dong.Research of photovoltaic double axes tracking monitoring system based on the virtual instrument technology[J].Industrial Instrumentation&Automation，2011（5）：50-54.