基于電力載波的智能鐵路信號(hào)點(diǎn)燈系統(tǒng)

摘要：介紹了基于電力載波智能點(diǎn)燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由來和系統(tǒng)方案，并簡(jiǎn)要說明了其電氣結(jié)構(gòu)，工作原理、技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用效果。系統(tǒng)利用電力線作為通信媒介，由硬件電路、單片機(jī)接口電路和其它接口電路組成。采用輪詢應(yīng)答和載波偵聽的主從通信方式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)集中監(jiān)控。
關(guān)鍵詞：信號(hào)；載波偵聽；智能；電力載波通信

    電力線載波通信是利用電力線作為信息傳輸媒介進(jìn)行語音通信或數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N特殊通信方式，電力線載波通信技術(shù)已在許多國(guó)家和地區(qū)得到應(yīng)用，它直接運(yùn)用現(xiàn)有的電網(wǎng)線路，不需要額外鋪設(shè)電纜，又不占用寶貴的無線頻譜資源，因此得到不斷的發(fā)展，其廣泛應(yīng)用于自動(dòng)抄表系統(tǒng)、智能家居擰制、智能樓寧控制、交通信號(hào)燈控制等領(lǐng)域。
    智能鐵路信號(hào)點(diǎn)燈系統(tǒng)是鐵路行車信號(hào)的燈絲自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置，是保證鐵路行車安全的重要信號(hào)器材，是集交流點(diǎn)燈、燈絲轉(zhuǎn)換、故障定位報(bào)警為一體的多功能智能點(diǎn)燈系統(tǒng)。目前我國(guó)鐵路市場(chǎng)巾現(xiàn)有的智能點(diǎn)燈系統(tǒng)主要是以利用繼電器接點(diǎn)通過報(bào)警線傳輸信息，這種方式存在兩個(gè)以上現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)燈單元同時(shí)故障，就不能準(zhǔn)確的定位出故障燈的具體位置，為了解決上述問題，借鑒電力線載波通信的特點(diǎn)，我們提出了基于電力線載波的智能鐵路信號(hào)點(diǎn)燈系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用電力線載波通信技術(shù)，以車站的監(jiān)測(cè)主機(jī)為核心構(gòu)成主從式通信網(wǎng)絡(luò)方案，實(shí)現(xiàn)鐵路交通信號(hào)燈系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的傳送。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
    電力載波智能鐵路信號(hào)點(diǎn)燈系統(tǒng)由室外點(diǎn)燈單元和室內(nèi)集中監(jiān)測(cè)總機(jī)構(gòu)成，室外點(diǎn)燈單元通過專用繼電器切換主燈絲和副燈絲，檢測(cè)電路通過檢測(cè)繼電器接點(diǎn)的狀態(tài)來檢測(cè)主燈絲和副燈絲的工作狀態(tài)，并將主燈絲和副燈絲的工作狀態(tài)信息提供給室外點(diǎn)燈單元的處理器，現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)燈單元的處理器通過調(diào)制電路將燈絲工作狀態(tài)信息發(fā)送到電力線上，再通過電力線傳送到室內(nèi)集中監(jiān)測(cè)總機(jī)，實(shí)現(xiàn)集中報(bào)警和故障定位。

2 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)
    室外點(diǎn)燈單元：由變壓器和繼電器構(gòu)成電源系統(tǒng)，是提供鐵路信號(hào)燈的交流電源，由電力載波模塊、單片機(jī)STM8S103和檢測(cè)電路構(gòu)成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是監(jiān)測(cè)鐵路信號(hào)燈工作狀態(tài)。主電路與檢測(cè)電路相互隔離，只通過光電信息交換，使主電路不受其它因素的影響，最大限度的確保了主電路的安全性。
    室內(nèi)集中監(jiān)測(cè)總機(jī)：主要由電力載波模塊、單片機(jī)STM32F、液晶顯示、按鍵接口和上傳通信電路構(gòu)成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其網(wǎng)絡(luò)電氣結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示。

    電力載波智能鐵路信號(hào)點(diǎn)燈系統(tǒng)由于室內(nèi)集中監(jiān)控主機(jī)有四路檢測(cè)通道，每路檢測(cè)通道最多設(shè)置64個(gè)現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)燈單元的尋址地址，采用的是群呼一答的通訊方式，即每次同時(shí)呼叫4個(gè)通道同一位序的燈，應(yīng)答每次只能按通道的不同依序應(yīng)答相關(guān)位序的燈，且每一個(gè)燈都要呼叫應(yīng)答兩次，連續(xù)兩次呼叫無應(yīng)答即為故障狀態(tài)，這種方式需要在使用前把站場(chǎng)中所有的點(diǎn)燈單元按各自所在通道分類，并分別編碼，各通道的點(diǎn)燈單元編碼后都需要與現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)燈名稱一一對(duì)應(yīng)，故障時(shí)只顯示燈的名稱，不顯示編碼序號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)燈單元的編碼地址與現(xiàn)場(chǎng)燈的真實(shí)名稱需要在現(xiàn)場(chǎng)使用前先進(jìn)行調(diào)試，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況一一設(shè)置確定，沒有安裝燈位的地址碼不用呼叫，直接跳過，進(jìn)行下一次的循環(huán)。
2．1 室外點(diǎn)燈單元電路設(shè)計(jì)
    室外點(diǎn)燈單元原理框圖如圖2所示，系統(tǒng)以單片機(jī)為核心處理器，包含電源管理電路、燈絲故障檢測(cè)電路、供電故障檢測(cè)電路、接口單元電路和電力線載波模塊構(gòu)成。故障檢測(cè)電路主要是檢測(cè)主、副燈絲的狀態(tài)并將檢測(cè)的狀態(tài)通知單片機(jī)；電源檢測(cè)單元主要檢測(cè)燈絲的供電狀態(tài)并將結(jié)果傳送給單片機(jī)；電源管理單元負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的電源處理；通過接口單元，操作人員可以設(shè)置室外點(diǎn)燈單元的物理地址等信息；
電力載波模塊可以將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息與電力線信道匹配并傳送。

    專用載波模塊是采用FSK調(diào)制技術(shù)的高度集成的電力載波模塊，內(nèi)部集成了發(fā)送和接受數(shù)據(jù)的所有功能，包括防雷、功率放大、電壓／電流自動(dòng)控制、耦合接口等，大大簡(jiǎn)化了應(yīng)用電路，所以單片機(jī)與載波模塊的接口電路如圖3所示。

    載波模塊單片機(jī)機(jī)控制端由RX、TX、R／T 3個(gè)端口構(gòu)成，全是TTL電平，TX接單片機(jī)TXD端發(fā)送數(shù)據(jù)，RX接單片機(jī)RXD端接收數(shù)據(jù)，R／T為接收／發(fā)送控制端，接單片機(jī)P1．0口，R／T為高時(shí)載波模塊處于接收狀態(tài)，R／T為低時(shí)處于發(fā)送狀態(tài)。
2．2 室內(nèi)集中監(jiān)測(cè)總機(jī)電路設(shè)計(jì)
    室內(nèi)集中監(jiān)測(cè)總機(jī)的原理框圖如圖4所示，采用最新的Cortex-M3核的ARM處理器STM32為主控制器，包含電源管理單元電路、LCD顯示單元、聲光報(bào)警單元、鍵盤輸入接口、CAN接口電路、時(shí)鐘電路。電源管理單元負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的電源處理，用戶可以通過按鍵對(duì)室內(nèi)機(jī)操作，電力線載波模塊可以將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息與電力線信道匹配并傳送，CAN接口模塊可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接入。

    由于鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求主電路與檢測(cè)電路的電源不能混用，所以監(jiān)測(cè)總機(jī)還具有通過一對(duì)電纜芯線對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所有監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)提供電源并在電源線上傳輸信息的功能。監(jiān)測(cè)總機(jī)通過變壓器先使AC220V變?yōu)?strong>AC50V，再通過熱敏電阻防止沖擊電流后，經(jīng)整流橋?yàn)V波后輸出，為保證可靠性，本設(shè)計(jì)采用兩路電源直流并機(jī)輸出，如圖5所示。

3 軟件設(shè)計(jì)
    監(jiān)測(cè)總機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)燈單元各自運(yùn)行程序，軟件設(shè)計(jì)均采用模塊化，整個(gè)程序包括初始化、主從通信、數(shù)據(jù)收發(fā)處理、按鍵及I／O口，液晶顯示、CAN總線上傳通信等程序模塊。設(shè)計(jì)內(nèi)容較多，下面主要介紹主從通信設(shè)計(jì)。
    由于電力線載波通信的應(yīng)用中大多是半雙工通信，主從通信只能采用輪詢應(yīng)答方式，即主節(jié)點(diǎn)依次向各從節(jié)點(diǎn)發(fā)送查詢命令幀，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到后發(fā)送應(yīng)答幀，主節(jié)點(diǎn)必須接收到該應(yīng)答，才能向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送查詢。如果從節(jié)點(diǎn)較多，則耗時(shí)較長(zhǎng)，影響實(shí)時(shí)性。本設(shè)計(jì)除了采用輪詢應(yīng)答方式外，還增加了載波偵聽方式，可以提高信道的利用率。具體辦法是所有節(jié)點(diǎn)向電力線上發(fā)送數(shù)據(jù)前，先執(zhí)行載波偵聽算法：檢測(cè)PD狀態(tài)，若PD=0，則先不立即發(fā)送數(shù)據(jù)，而延時(shí)一定時(shí)間，再檢測(cè)PD狀態(tài)，若為低電平，此時(shí)才啟動(dòng)發(fā)送；若PD=1，則連續(xù)監(jiān)測(cè)PD狀態(tài)，直到轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖胶蟛胚M(jìn)入延時(shí)階段；若同時(shí)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)企圖發(fā)送信息，延時(shí)最短的節(jié)點(diǎn)可以最優(yōu)先發(fā)送信息，其他延時(shí)稍長(zhǎng)的節(jié)點(diǎn)在延時(shí)結(jié)束后，便會(huì)發(fā)現(xiàn)PD已經(jīng)是高電平了，信道被占用，需要等待下一次發(fā)送機(jī)會(huì)；若現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)燈單元在非查詢期間有報(bào)警產(chǎn)生，仍可優(yōu)先獲得通道，向電力線發(fā)送報(bào)警信息，從而提高系統(tǒng)的突發(fā)響應(yīng)時(shí)間。相關(guān)程序流程圖如圖6所示。

4 結(jié)束語
    以輪詢應(yīng)答和載波偵聽相結(jié)合的方式是電力載波通信技術(shù)應(yīng)用在實(shí)時(shí)性要求較高的領(lǐng)域提供了有效解決方案。介紹了電力載波智能點(diǎn)燈系統(tǒng)，以電力線為傳輸介質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)鐵路信號(hào)燈的實(shí)時(shí)集中監(jiān)控，在實(shí)際運(yùn)行中，集中報(bào)警和現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)燈單元的有效通信距離達(dá)到了1 200 m，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，響應(yīng)迅速。