2018年04月06日 | 基于STC单片机的铁路信号半自动闭塞光缆传输器设计

    半自动闭塞铁路线在我国大量存在，而用于两个车站之间接一发列车的闭塞信息有正负脉冲2种信息来完成，传输闭塞信息的传输介质为架空明线或光缆。由于明线或者电缆故障而导致铁路运输中断的现象时有发生，并且一旦明线或者电缆故障后恢复起来较为复杂，通常情况下，恢复的时间在6～10 h左右，这也大大降低了区间半自动闭塞的单线铁路的运输能力。并且随着技术进步及新科技的广泛应用，光缆的应用越来越普遍，大多数铁路车站之间的传输通道已经实现了光纤传输。
    信号半自动闭塞光缆传输器用于64D单线半自动闭塞的区间信号传输，其作用是代替原有的电缆或者明线传输，将原有的模拟信号转变为数字信号进行传输，可以实现传输通道的冗余备份，对传输通道进行实时监测，如果主通道发生故障，切换至备用通道，并且可发出报警，亦可将设备的工作状态上传给微机监测等上位工作站。

1 系统功能要求及结构
    由于两个车站之间的距离不同，发送电压也不同，其电压范围从40～120 V不等，个别车站可能更高。OCGB信号半自动闭塞光缆传输器的主要功能就是将发送端(甲站)的电压采集后，转换为相应的数字信号通过光缆通道传输至接收端(乙站)，并复原为电压信号。根据功能要求及安全性要求，光缆传输器主要由以下几个功能模块构成：输入输出接口单元、电源单元、控制单元、通信单元。基于铁路信号的安全性和可靠性方面的考虑，系统需要完成以下几个方面的特殊功能：
    1)控制模块和通信模块均采用“1+1”的备用模式，且控制单元与通信单元之间采用交叉备用的方式进行配置；
    2)控制单元采用双CPU进行信号采集；
    3)传输通道需冗余备份；
    4)输出采用安全与门电路，符合故障导向安全原则；
    5)可将本机的工作状态及报警信息上传给上位机进行显示。
    根据以上功能，系统组成框图如图1所示。

    2 系统硬件设计

    在系统的硬件设计中，电源部分采用AC／DC模块电源完成单片机及逆变电路所需的DC12V、DC5V电源及通讯所需的DC5V隔离电源。通信单元采用北京公司生产的双RS232串口转E1通道的通信模块，但是2路RS232通道为切换式工作。在控制单元中，考虑到要用到双串口实现2路传输通道的冗余备份和逆变输出驱动电源，因此选用STC12C5A60S2单片机作为主控单元的控制芯片。

    2．1 STCl2C5A60S2／AD／PWM系列单片机简介

    STC12C5A60S2／AD／PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟／机器周期(1T)的单片机，是高速／低功耗／超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A／D转换(250 k／s)，针对电机控制，强干扰场合。

    该芯片具有以下特点：

    1)增强型8051 CPU，1T，单时钟／机器周期，指令代码完全兼容传统8051；

    2)工作电压：STC12C5A60S2系列工作电压：5．5～3．3 V(5 V单片机)STC12LE5A60S2系列工作电压：3．6～2．2 V(3 V单片机)；

    3)工作频率范围：0～35 MHz，相当于普通8051的0～420 MHz；

    4)用户应用程序空间8k／16k／20k／32k／40k／48k／52k／60k／62k字节；

    5)片上集成1 280字节RAM；

    6)通用I／O口(36／40／44个)；

    7)ISP(在系统可编程)／IAP(在应用可编程)，无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口(P3．0／P3．1)直接下载用户程序，数秒即可完成一片；

    8)具有PWM(2路)／PCA(可编程计数器阵列，2路)功能，方便方波输出；

    9)共4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器／计数器，16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器；

    10)具有双串口功能，可满足该系统中2路通信通道的要求。

    2．2 特殊功能要求的电路实现

    2．2．1 交叉备用冗余电路

    主控芯片STC12C5A60S2有UART0和UART1两个串口，通信单元有S1和S2两个RS232输入接口，如图2所示；将控制单元1的通道1和通道2分别连接到通信单元1和通信单元2的串口1，将控制单元2的通道1和通道2分别连接到通信单元1和通信单元2的串口2，这样就实现了控制单元和通信单元的交叉备用，即在只有一个控制单元和一个通信单元的情况下，系统仍能正常工作。

    
2．2．2 安全与门电路
    该设备的输出为DC24 V电源，驱动现场的ZXJ或者FXJ继电器，为了防止电子产品故障而引起的错误输出，输出部分采用了安全与门电路。对于数字电路来讲，当发生故障时一般表现出固定的高电平1或者固定的低电平0，为了提高整个系统的安全性，把正常的方波信号作为正常的工作信号，2路CPU正常工作时分别产生各自的方波信号，通过安全与门产生一个直流电压驱动继电器。如果任何一路方波电路中有元器件故障而没有方波信号，就不会产生直流电压。这就保证了输出的直流电压不会是错误输出。电路原理图如图3所示。

    3 软件设计

    本系统的软件设计使用的是编程较为直观的C语言，开发平台使用的是keil uvision4集成开发环境。根据系统功能要求，软件设计可分为采集、通信以及驱动几个部分实现，分别介绍如下：

    1)通信

    通信部分主要完成2个车站之间的数据交换以及对通信通道的检测，通信有2个通道冗余备份，每250 ms通信一次；

    2)采集

    采集部分主要完成对现场正负脉冲电压信号的采集，并用单片机的外部中断0(INT0)和外部中断1(INT1)作为单片机的输入，当单片机有中断输入时启动中断响应程序，将代表正脉冲或者负脉冲的数字信号发送至对方车站；

    3)驱动

    驱动部分主要是将收到的数字信号还原为脉冲电压，根据不同的脉冲，输出不同极性的脉冲。驱动部分的程序框图如图4所示。

      4 结束语

    基于STC12C5A60S2单片机的铁路信号半自动闭塞光缆传输器经过反复试验、测试，工作稳定，通信可靠，满足故障导向安全的原则，并且通过了铁道部组织的常温、高低温、恒定湿热、电磁兼容、软件测试、专家评估等测试，成为解决半自动闭塞区间电缆故障的设备。