王艷艷

（1-西安思源科創(chuàng)軌道交通技術開發(fā)有限公司 陜西 西安710054；2.西安交通大學 陜西 西安710054）

點式LED智能點燈系統(tǒng)的設計

王艷艷1，2

（1-西安思源科創(chuàng)軌道交通技術開發(fā)有限公司 陜西 西安710054；2.西安交通大學 陜西 西安710054）

針對傳統(tǒng)鐵路點燈系統(tǒng)的通信抗干擾能力差，通信距離短的問題，采用電流環(huán)通信、軟件差時報警的方法進行改進設計，通過實際上道應用驗證，整個系統(tǒng)應用壽命增加10倍，且實現(xiàn)站內3公里、區(qū)間15公里的點燈單元的故障檢測。

點式LED智能點燈系統(tǒng)；大功率點式LED；電流環(huán)；通信

隨著國民經(jīng)濟、國民素質的不斷提高，隨著我國鐵路的不斷提速、不斷發(fā)展，國家對鐵路“安全行車”方面越來越重視、對鐵路上道使用器材的技術先進性、質量可靠性把關審核越來越嚴格，尤其對關系到“行車安全”的鐵路信號系統(tǒng)器材更為重視。點燈系統(tǒng)就是保障“行車安全”的基礎鐵路信號系統(tǒng)，與“行車安全”密不可分，因此對點燈系統(tǒng)的研究具有廣闊的前景。

1 系統(tǒng)組成

點燈系統(tǒng)是鐵路行車信號的燈絲自動轉換裝置，是保證鐵路行車安全的重要信號部件，是集交流點燈、燈絲轉換、故障定位報警為一體的多功能智能點燈系統(tǒng)。點式LED智能點燈系統(tǒng)由LED燈頭、點燈單元、信號機構、燈絲繼電器、監(jiān)測主機五部分組成[1-2]，系統(tǒng)整體示意圖如圖1所示。此系統(tǒng)功能完整、質量可靠，具有如下特點：1）采用5種顏色大功率單顆LED做為光源滿足點燈系統(tǒng)對光學特性的要求[7-8]。2）點燈單元采用橫流驅動等技術保證正常驅動LED負載[9-10]；采用比較電路以及光敏檢測電路檢測點燈單元的主、副絲工作正常與否；采用副絲供電電源做為監(jiān)測報警電路供電電源，真正做到主電路和監(jiān)測報警電路物理分離[11]。3）監(jiān)測主機硬件采用Cortex-M3內核的ARM處理器STM32為主控制器，軟件采用操作系統(tǒng)方式實現(xiàn)多任務的調度，人機交互采用觸摸液晶屏方式實現(xiàn)，可在觸摸屏上直接設置點燈單元地址碼和燈位名稱的對應關系，不需另配下載器[12-13]。4）通信采用電流環(huán)通信方式，根據(jù)主機與子機通信回路是否有電流通過來判斷是否有子機發(fā)生故障報警，這種方式可靠性高、抗干擾能力強、傳輸距離長[14-15]。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)硬件總體設計

點燈單元是基于STM8單片機，由主控點燈檢測模塊、通信報警模塊、連接模塊、電源管理模塊、接口模塊5部分組成，點燈單元硬件組成框圖如圖2所示；監(jiān)測主機是基于STM32103F單片機，由主控核心模塊、通信報警模塊、電源模塊、轉接模塊、液晶顯示模塊組成，監(jiān)測主機硬件組成框圖如圖3所示。

圖1 系統(tǒng)整體示意圖

圖2 點燈單元硬件組成框圖

圖3 監(jiān)測主機硬件組成框圖

2.2 系統(tǒng)通信報警硬件設計

系統(tǒng)通信報警電路是基于電流環(huán)通信方式設計的，包括監(jiān)測主機通信報警電路如圖4所示、點燈單元通信報警電路如圖5所示。電流環(huán)通信過程中，傳輸兩種電流信號，一種為電流報警信號，一種為回執(zhí)電流信號。監(jiān)測主機電流環(huán)電路和點燈單元電流環(huán)通信，在有電流信號傳輸時，可處于三種狀態(tài)，發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)、環(huán)路溝通狀態(tài)。發(fā)送狀態(tài)即監(jiān)測主機電流環(huán)電路或點燈單元電流環(huán)電路處于方波脈沖發(fā)送狀態(tài)，整個電流環(huán)回路中有方波脈沖信號在傳輸；接收狀態(tài)即監(jiān)測主機電流環(huán)電路或點燈單元電流環(huán)電路處于等待接收方波脈沖的階段；環(huán)路溝通狀態(tài)即監(jiān)測主機電流環(huán)電路或點燈單元電流環(huán)電路處于接收狀態(tài)時，依靠自身電流環(huán)回路的發(fā)送部分電路，溝通整個電流環(huán)回路狀態(tài)[6]。

電流環(huán)通信的工作過程如下：當整個電流環(huán)回路無電流信號傳輸時，監(jiān)測主機電流環(huán)電路處于環(huán)路溝通狀態(tài)和接收狀態(tài)，點燈單元電流環(huán)電路處于接收狀態(tài)；當點燈單元產生電流報警信號時，點燈單元轉換至發(fā)送狀態(tài)，每發(fā)送完一次電流報警信號，點燈單元就進入環(huán)路溝通狀態(tài)和接收狀態(tài)，監(jiān)測主機仍處于環(huán)路溝通狀態(tài)和接收狀態(tài)；當監(jiān)測主機識別出點燈單元發(fā)送的電流報警信號時，通過調整、變換、監(jiān)測主機波形校準電路，把電流報警信號信息，轉換成監(jiān)測主機單片機可識別信號，同時監(jiān)測主機單片機發(fā)送出斷開環(huán)路溝通狀態(tài)和接收狀態(tài)命令，進入發(fā)送狀態(tài)，發(fā)送回執(zhí)電流信號，監(jiān)測主機每發(fā)送完一次回執(zhí)電流信號，監(jiān)測主機就進入環(huán)路溝通狀態(tài)和接收狀態(tài)；當點燈單元識別出回執(zhí)電流信號后，點燈單元斷開環(huán)路溝通狀態(tài)，進入接收狀態(tài)。

圖4 監(jiān)測主機通信報警電路

3 軟件設計

圖5 點燈單元通信報警電路

點式LED智能點燈監(jiān)測系統(tǒng)采用電流環(huán)通信的方式實現(xiàn)室內監(jiān)測主機對室外LED點燈單元故障的定位和報警。室內監(jiān)測主機有四路檢測通道，每路檢測通道最多設置50個現(xiàn)場點燈單元的尋址地址，通訊方式是采用分機呼叫，總機應答的方式。由于電流環(huán)通信回路是通過回路中電流的通斷傳遞信息，因此在一個通信周期內僅允許一臺分機占用總線，若多臺分機同時占用總線會導致無法通信。因此分機在通信完成后一定要及時釋放總線。

當LED點燈單元發(fā)生主副光源切換后，LED點燈監(jiān)測分機上電工作。分機的單片機在上電完成初始化后，首先讀取撥碼盤設定的地址碼，之后以地址碼為基準生成一個隨機數(shù)，分機單片機的定時器從0開始以這個隨機數(shù)為溢出值開始延時，這樣做的目的是給每個分機分配不同的發(fā)送起始時間，避免多臺總機同時發(fā)送信息造成電流環(huán)無法正常通信。當延時結束后，分機的串口開始發(fā)送報警信息。電流環(huán)通信電路將串口發(fā)送出的TTL電平轉換為對應的高低電流，通過電流環(huán)總線將電流傳遞到主機的接收電路上?？倷C的電流環(huán)通信電路將總線上的電流轉換成對應的TTL電壓，從而使主機單片機的串口接收到分機的報警信息[3]。

在接到分機的報警信息后，向該分機發(fā)送回執(zhí)碼，若分機接收到總機發(fā)過來的回執(zhí)碼則停止發(fā)送并永久退出總線，否則分機暫時退出總線并在一段時間之后重新向主機發(fā)送報警信息。各通道的點燈單元編碼后都需要與現(xiàn)場真實燈名稱一一對應[4-5]。

4 結束語

點式LED智能點燈系統(tǒng)主機監(jiān)測采用電流環(huán)通信方式，該通信方式采用環(huán)路電流的有無來判斷是否有故障發(fā)生，這種方式可靠性高、抗干擾能力強、傳輸距離長，可滿足站內3公里，區(qū)間15公里傳輸距離的要求[6]。此種通信方式配合軟件差時設計，能減少甚至避免誤報警、錯報警現(xiàn)象的發(fā)生，為現(xiàn)場施工、使用、維護帶來極大便利。

[1]林瑜筠.鐵路信號基礎[M].北京：中國鐵道出版社，2011.

[2]LED鐵路信號機構通用技術條件[S].2010.

[3]譚浩強.C語言程序設計[M].北京：清華大學出版社，2012.

[4]任哲.嵌入式實時操作系統(tǒng)UC/OS-II原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[5]劉波文.嵌入式實時操作系統(tǒng)UC/OS-II經(jīng)典實例[M].北京：北京航空航天大學出版社，2014.

[6]江蘇浩峰汽車附件有限公司.一種光伏發(fā)電系統(tǒng)的電流環(huán)通訊電路[Z].CN201120268308.6，2011.

[7]一種大功率鐵路信號燈[Z].2012.

[8]一種九合一大功率鐵路信號燈[Z].2012.

[9]來清民.高亮度LED照明及驅動電路設計 [M].北京：北京航空航天大學出版社，2012.

[10]周志敏.LED驅動電源設計100例[M].中國電力出版社，2010

[11]余璆.數(shù)字電子技術 [M].北京：中國電力出版社，2014.

[12]張燕妮.ARM Cortex-M3嵌入式開發(fā)實例詳解——基于NXP LPC17XX[M].電子工業(yè)出版社，2013.

[13]張勇.ARM Cortex-M3嵌入式開發(fā)與實踐——基于LPC1788和μC/OS-II[M].北京：清華大學出版社，2015.

[14]海信（山東）空調有限公司.一種電流環(huán)通訊轉換rs485通訊的轉換電路[Z].CN201220188995.5，2012.

[15]江蘇浩峰汽車附件有限公司.一種光伏發(fā)電系統(tǒng)的電流環(huán)通訊電路[Z].CN201110211634.8，2011.

Design of point type LED intelligent lighting system

WANG Yan-yan1，2
（1-Xi'an SiyuanKechuang Rail Transit Tecnology Development Co.，Ltd.，Xi'an 710054，China；2.Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710054，China）

In order to solve the problem ofanti jamming capability of the communication of traditional railway lighting system，the problem of short communication distance，Improved design by using current ring communication and software time interval alarm，Verified by practical application，The life of the whole system is increased by 10 times，the fault detection of the lighting unit to realize 3 kilometers of station，15 kilometers of section.

point type LED intelligent lighting system；high power point type LED；currentring；communication

TN7

：A

：1674-6236（2017）08-0124-03

2016-07-20稿件編號：201607143

王艷艷（1983—）,女，滿族，遼寧鐵嶺人，碩士，工程師。研究方向：鐵路信號。