徐余明，石先明，劉利平，胡祖翰，黃智杰，羅 斌

（1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063；2.西南交通大學信息科學與技術(shù)學院，成都 611756）

1 概述

開發(fā)統(tǒng)一強大的智能運維管理系統(tǒng)成為軌道交通領(lǐng)域重點關(guān)注的問題[1-3]，而底層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一高效收集，是支撐智能運維管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)。對于不同類型的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以采取不同的接入傳輸方式，例如專用視頻監(jiān)控系統(tǒng)通?；赥CP/IP 進行接入[4-5]。同時也存在另外一些類型的傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)，其監(jiān)測點數(shù)量較多且分散，但單一監(jiān)測點要求的數(shù)據(jù)傳輸帶寬并不大，業(yè)界通常采用工業(yè)總線技術(shù)來進行采集傳輸管理[6-7]。對這一類傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一高效收集管理時，可能會遇到以下兩個方面的困難。第一，不同廠商通常會遵從工業(yè)界硬件接口標準，例如采用RS-232、RS-485 總線傳輸原始傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)，但是傳輸數(shù)據(jù)采用的通信控制協(xié)議是各自獨立開發(fā)實現(xiàn)的。因此，盡管RS-232、RS-485 總線提供了一對多通信功能，但如果用統(tǒng)一的管理設(shè)備來接入不同廠商的傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)，由于通信控制協(xié)議的差異，很可能在傳輸數(shù)據(jù)時產(chǎn)生沖突。第二，需要監(jiān)測的軌道沿線傳感數(shù)據(jù)可能分布在比較廣的范圍內(nèi)，不過RS-232、RS-485 總線的傳輸距離是有限的，所以通常需要使用多個采集控制器分別就近接入傳感數(shù)據(jù)，然后利用GPRS、4G/5G 等無線或有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)連接采集控制器，實現(xiàn)各種遠程監(jiān)測指令的發(fā)送和數(shù)據(jù)的實時采集與傳輸。如果網(wǎng)絡(luò)覆蓋條件不能滿足，RS-232、RS-485 總線有限的傳輸距離就成為另一個重要制約因素。

為了充分發(fā)揮RS-232、RS-485 總線在底層傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳輸方面的作用，本文提出一種光電混合多端口鐵路異構(gòu)傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)，既解決統(tǒng)一接入時面臨的不同廠商通信控制協(xié)議潛在沖突問題，又通過拓展總線傳輸通信距離，使其在網(wǎng)絡(luò)覆蓋不理想的條件下也能夠很好應(yīng)用，從而為智能運維管理系統(tǒng)中底層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的高效收集服務(wù)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作流程

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)計方面，需要解決總線型傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入時面臨的不同廠商通信控制協(xié)議潛在沖突問題，以及如何拓展總線傳輸通信距離這兩個關(guān)鍵技術(shù)。針對第一個問題，通過在系統(tǒng)內(nèi)部集成自動控制切換開關(guān)實現(xiàn)多端口切換，確保同一時刻在總線上只接入同一廠家的同類型監(jiān)測設(shè)備，從而避免協(xié)議沖突。針對第二個問題，通過在系統(tǒng)中增加光端口，利用光纖傳輸長距離監(jiān)測數(shù)據(jù)。

光電混合多端口鐵路異構(gòu)傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。系統(tǒng)由主控單元、開關(guān)控制單元、網(wǎng)絡(luò)接口、電端口和光端口組成，它們之間的連接關(guān)系如下。

圖1 光電混合多端口傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Diagram of photoelectric hybrid multi-port sensing and monitoring data access system

1）主控單元針對使感監(jiān)測數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收2條數(shù)據(jù)線分別與開關(guān)控制單元的兩個公共數(shù)據(jù)傳輸端相連；主控單元的控制線與開關(guān)控制單元的對應(yīng)邏輯控制端相連。

2）開關(guān)控制單元的多組數(shù)據(jù)傳輸線分別與各個電端口和光端口的傳輸線逐一對應(yīng)連接。

3）電端口的傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)側(cè)為標準的RS-232或RS-485 接口；光端口內(nèi)部包括光/電和電/光轉(zhuǎn)換電路，對外通過光纖連接。

4）主控單元針對網(wǎng)絡(luò)側(cè)的發(fā)送、接收2 條數(shù)據(jù)線與UART 轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊對應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸端相連。

2.2 工作流程

1）當主控單元接收來自網(wǎng)絡(luò)側(cè)的遠程監(jiān)測指令，需采集與某一端口（電端口或光端口）相連總線上的傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)時，主控單元利用控制線對開關(guān)控制單元發(fā)送邏輯控制電平，使開關(guān)控制單元的公共數(shù)據(jù)傳輸端自動切換，只與其中一組數(shù)據(jù)傳輸線相連，其余各組數(shù)據(jù)傳輸線與主控單元之間的連接被斷開。

2）在第一步的基礎(chǔ)上，由于同一端口總線上只允許接入同一廠家的同類型監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)，從而避免了協(xié)議沖突。

3）主控單元根據(jù)端口接入的廠商設(shè)備類別，自動調(diào)用相應(yīng)的內(nèi)部通信模塊與之進行信息交互和傳感數(shù)據(jù)采集。

4）對于光端口情形，增加了光/電和電/光轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，具體過程如下。

a.光端口組成示意（該端口對應(yīng)A1 和B1 這組數(shù)據(jù)傳輸線）如圖2 所示，由主控單元發(fā)往傳感監(jiān)測點的電信號來自A1 傳輸線，記為下行信號，經(jīng)過電/光轉(zhuǎn)換以后變?yōu)橄滦泄庑盘?；同時，來自監(jiān)測點的光信號（即傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)），記為上行信號。下行光信號和上行光信號采用不同的光波長為載波，二者通過波分復用器耦合傳輸，波分復用器的公共端口即為本系統(tǒng)的光端口，它通過光纖與遠端監(jiān)測設(shè)備相連。

圖2 光端口組成示意Fig.2 Schematic diagram of optical port composition

b.經(jīng)過波分復用器分離輸出的上行光信號（即傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)），經(jīng)過光/電轉(zhuǎn)換以后，經(jīng)由開關(guān)控制單元連接傳輸，最終被主控單元接收。

c.如圖3 所示，在遠端的傳感監(jiān)測點，通過增加RS-485/232 光纖轉(zhuǎn)發(fā)器后，利用光纖與本系統(tǒng)的光端口相連，拓展總線傳輸通信距離。

圖3 遠端傳感監(jiān)測點光纖連接示意Fig.3 Schematic diagram of optical fiber connection of remote sensing and monitoring point

d.由于光/電和電/光轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)是在物理傳輸層實現(xiàn)的，對于主控單元的控制傳輸通信應(yīng)用程序而言，光端口與電端口并無區(qū)別，可以統(tǒng)一開發(fā)。

3 硬件設(shè)計

為提高硬件開發(fā)效率，網(wǎng)絡(luò)側(cè)通信直接利用UART 轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊，光端口則采用TTL 接口的光收發(fā)一體化模塊。因此，本文重點介紹主控單元和開關(guān)控制單元的硬件設(shè)計，這兩部分的電路如圖4 所示。

圖4 主控單元和開關(guān)控制單元原理電路Fig.4 Schematic circuit diagram of main control unit and switch control unit

主控單元選用芯片型號為基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的32 位超低功耗單片機STM32L431，其外圍時鐘電路、復位電路以及JTAG 電路均屬于常規(guī)設(shè)計，這里不做展開。和系統(tǒng)功能緊密相關(guān)的是利用了其2 個UART 端口，其中一組UART1 端口傳輸線RX1 和TX1 實現(xiàn)傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)采集控制。另一組UART2 端口傳輸線RX2 和TX2 與UART 轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊連接，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)側(cè)通信功能。

開關(guān)控制單元選用的芯片型號是CH448F，CH448F 是 DPOT 模擬開關(guān)芯片，內(nèi)部集成了雙通道、八選一、低阻寬帶雙向模擬開關(guān)。主控芯片STM32L431 的 一 組UART 端 口RX1 和TX1 分別與模擬開關(guān)的2 個通道公共端AX 和AY 相連，CH448F 的數(shù)字控制輸入引腳包括 SEL2、SEL1、SEL0、XEN#和 YEN#，它們分別由STM32L431 的相應(yīng)I/O 端口控制。XEN#和 YEN#是2 個通道的使能引腳，低電平有效，SEL2、SEL1 和SEL0 組合選擇不同的通道。CH448F 的控制功能如表1 所示。

表1 CH448F控制功能Tab.1 Table of control function of CH448F

CH448F 的A2X ～A7X 和A2Y ～A7Y 分 別 與RS-485/232 接口轉(zhuǎn)換芯片連接，對外提供標準串口，該部分電路較為常見。A0X、A1X 和A0Y、A1Y 直接與光收發(fā)一體化模塊連接，對外提供光端口。

4 軟件設(shè)計

軟件開發(fā)中，直接利用STM32CubeMX 工具快速建立工程文件，對系統(tǒng)時鐘、GPIO 口進行配置和程序初始化，提高開發(fā)效率。

主控單元程序流程如圖5 所示。程序完成初始化開始運行以后，UART2 端口處于等待接收網(wǎng)絡(luò)側(cè)遠程指令狀態(tài)。收到遠程指令以后，解析判斷出需要獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)來自哪一個端口總線。根據(jù)端口需求，主控芯片發(fā)出端口控制信號，開關(guān)芯片完成端口切換，使UART1 端口傳輸線RX1 和TX1與對應(yīng)端口聯(lián)通，并根據(jù)端口設(shè)備數(shù)據(jù)協(xié)議，通過UART1 端口獲取傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)并緩存在主控單元內(nèi)部，然后，經(jīng)過UART2 端口上傳到網(wǎng)絡(luò)。一輪信息交互完成以后，系統(tǒng)又返回到等待接收網(wǎng)絡(luò)側(cè)遠程指令的狀態(tài)。

圖5 主控單元程序流程Fig.5 Flow diagram of programme of main control unit

軟件設(shè)計中編寫了網(wǎng)絡(luò)側(cè)通信函數(shù)，包括Receive_ Instruction_From_Remote 和Send_Data_To_Remote，其中，函數(shù)Receive_Instruction_From_Remote 在UART2 端口的接收中斷中調(diào)用，用于接收網(wǎng)絡(luò)側(cè)遠程指令。函數(shù)Send_Data_To_Remote 用于向網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)。傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)采集控制函數(shù)包括Send_ Instruction _To_ Monitor 和Receive_Data_From_Monitor，同 樣， 函 數(shù)Receive_Data_From_Monitor 在UART1 端口的接收中斷中調(diào)用，用于接收傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)，函數(shù)Send_ Instruction _To_ Monitor 向傳感監(jiān)測點發(fā)出控制指令。

需要說明的是，由于不同端口總線上連接的是不同的廠商設(shè)備，它們的通信控制協(xié)議存在差異，所以，需要先根據(jù)端口進行不同的協(xié)議串封裝，然后再調(diào)用函數(shù)Send_ Instruction _To_ Monitor發(fā)送協(xié)議控制指令。對于函數(shù)Receive_Data_From_Monitor 接收到的數(shù)據(jù)字符串，也應(yīng)該根據(jù)對應(yīng)協(xié)議解析出數(shù)據(jù)以后，才發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)側(cè)。

5 結(jié)論

目前，在軟硬件設(shè)計基礎(chǔ)上，已完成樣機研制，對數(shù)據(jù)通信功能進行了初步驗證。在今后的實際系統(tǒng)應(yīng)用中，只需根據(jù)端口連接的具體廠商設(shè)備，針對它們的通信控制協(xié)議，在現(xiàn)有底層框架下，開發(fā)相應(yīng)的協(xié)議串封裝模塊就能夠正常工作。本文提出的光電混合多端口鐵路異構(gòu)傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)，既解決了統(tǒng)一接入時面臨的不同廠商通信控制協(xié)議潛在沖突問題，又利用光纖技術(shù)拓展了總線傳輸通信距離?？梢猿浞职l(fā)揮工業(yè)總線技術(shù)在底層傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳輸方面的優(yōu)勢，從而為智能運維管理系統(tǒng)中底層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的高效收集服務(wù)。