摘要：文中介紹了以宏晶公司的STC12C5A60S2單片機為控制單元的用于鐵路通信信號領域中的半自動閉塞光纜傳輸器的設計，并重點介紹了涉及鐵路安全的交叉?zhèn)浞蓦娐贰踩c門電路以及軟件結構。該系統(tǒng)解決了我國鐵路現(xiàn)階段存在的半自動閉塞區(qū)間電纜與光纜備份使用的問題，有效的提高了我國半自動閉塞區(qū)間鐵路的行車效率。
關鍵詞：鐵路信號；STC單片機；半自動閉塞；光纜傳輸器
半自動閉塞鐵路線在我國大量存在，而用于兩個車站之間接一發(fā)列車的閉塞信息有正負脈沖2種信息來完成，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致鐵路運輸中斷的現(xiàn)象時有發(fā)生，并且一旦明線或者電纜故障后恢復起來較為復雜，通常情況下，恢復的時間在6～10 h左右，這也大大降低了區(qū)間半自動閉塞的單線鐵路的運輸能力。并且隨著技術進步及新科技的廣泛應用，光纜的應用越來越普遍，大多數(shù)鐵路車站之間的傳輸通道已經(jīng)實現(xiàn)了光纖傳輸。
信號半自動閉塞光纜傳輸器用于64D單線半自動閉塞的區(qū)間信號傳輸，其作用是代替原有的電纜或者明線傳輸，將原有的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號進行傳輸，可以實現(xiàn)傳輸通道的冗余備份，對傳輸通道進行實時監(jiān)測，如果主通道發(fā)生故障，切換至備用通道，并且可發(fā)出報警，亦可將設備的工作狀態(tài)上傳給微機監(jiān)測等上位工作站。
1 系統(tǒng)功能要求及結構
由于兩個車站之間的距離不同，發(fā)送電壓也不同，其電壓范圍從40～120 V不等，個別車站可能更高。OCGB信號半自動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)換為相應的數(shù)字信號通過光纜通道傳輸至接收端(乙站)，并復原為電壓信號。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功能模塊構成：輸入輸出接口單元、電源單元、控制單元、通信單元。基于鐵路信號的安全性和可靠性方面的考慮，系統(tǒng)需要完成以下幾個方面的特殊功能：
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行配置；
2)控制單元采用雙CPU進行信號采集；
3)傳輸通道需冗余備份；
4)輸出采用安全與門電路，符合故障導向安全原則；
5)可將本機的工作狀態(tài)及報警信息上傳給上位機進行顯示。
根據(jù)以上功能，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。
2 系統(tǒng)硬件設計
在系統(tǒng)的硬件設計中，電源部分采用AC／DC模塊電源完成單片機及逆變電路所需的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現(xiàn)2路傳輸通道的冗余備份和逆變輸出驅(qū)動電源，因此選用STC12C5A60S2單片機作為主控單元的控制芯片。
2．1 STCl2C5A60S2／AD／PWM系列單片機簡介
STC12C5A60S2／AD／PWM系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘／機器周期(1T)的單片機，是高速／低功耗／超強抗干擾的新一代8051單片機，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專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A／D轉(zhuǎn)換(250 k／s)，針對電機控制，強干擾場合。
該芯片具有以下特點：
1)增強型8051 CPU，1T，單時鐘／機器周期，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)STC12LE5A60S2系列工作電壓：3．6～2．2 V(3 V單片機)；
3)工作頻率范圍：0～35 MHz，相當于普通8051的0～420 MHz；
4)用戶應用程序空間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)；
7)ISP(在系統(tǒng)可編程)／IAP(在應用可編程)，無需專用編程器，無需專用仿真器可通過串口(P3．0／P3．1)直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片；
8)具有PWM(2路)／PCA(可編程計數(shù)器陣列，2路)功能，方便方波輸出；
9)共4個16位定時器兩個與傳統(tǒng)8051兼容的定時器／計數(shù)器，16位定時器T0和T1，沒有定時器2，但有獨立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器再加上2路PCA模塊可再實現(xiàn)2個16位定時器；
10)具有雙串口功能，可滿足該系統(tǒng)中2路通信通道的要求。
2．2 特殊功能要求的電路實現(xiàn)
2．2．1 交叉?zhèn)溆萌哂嚯娐?br />
主控芯片STC12C5A60S2有UART0和UART1兩個串口，通信單元有S1和S2兩個RS232輸入接口，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，這樣就實現(xiàn)了控制單元和通信單元的交叉?zhèn)溆?，即在只有一個控制單元和一個通信單元的情況下，系統(tǒng)仍能正常工作。
2．2．2 安全與門電路
該設備的輸出為DC24 V電源，驅(qū)動現(xiàn)場的ZXJ或者FXJ繼電器，為了防止電子產(chǎn)品故障而引起的錯誤輸出，輸出部分采用了安全與門電路。對于數(shù)字電路來講，當發(fā)生故障時一般表現(xiàn)出固定的高電平1或者固定的低電平0，為了提高整個系統(tǒng)的安全性，把正常的方波信號作為正常的工作信號，2路CPU正常工作時分別產(chǎn)生各自的方波信號，通過安全與門產(chǎn)生一個直流電壓驅(qū)動繼電器。如果任何一路方波電路中有元器件故障而沒有方波信號，就不會產(chǎn)生直流電壓。這就保證了輸出的直流電壓不會是錯誤輸出。電路原理圖如圖3所示。
3 軟件設計
本系統(tǒng)的軟件設計使用的是編程較為直觀的C語言，開發(fā)平臺使用的是keil uvision4集成開發(fā)環(huán)境。根據(jù)系統(tǒng)功能要求，軟件設計可分為采集、通信以及驅(qū)動幾個部分實現(xiàn)，分別介紹如下：
1)通信
通信部分主要完成2個車站之間的數(shù)據(jù)交換以及對通信通道的檢測，通信有2個通道冗余備份，每250 ms通信一次；
2)采集
采集部分主要完成對現(xiàn)場正負脈沖電壓信號的采集，并用單片機的外部中斷0(INT0)和外部中斷1(INT1)作為單片機的輸入，當單片機有中斷輸入時啟動中斷響應程序，將代表正脈沖或者負脈沖的數(shù)字信號發(fā)送至對方車站；
3)驅(qū)動
驅(qū)動部分主要是將收到的數(shù)字信號還原為脈沖電壓，根據(jù)不同的脈沖，輸出不同極性的脈沖。驅(qū)動部分的程序框圖如圖4所示。
4 結束語
基于STC12C5A60S2單片機的鐵路信號半自動閉塞光纜傳輸器經(jīng)過反復試驗、測試，工作穩(wěn)定，通信可靠，滿足故障導向安全的原則，并且通過了鐵道部組織的常溫、高低溫、恒定濕熱、電磁兼容、軟件測試、專家評估等測試，成為解決半自動閉塞區(qū)間電纜故障的設備。
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