基于電力載波的智能鐵路信號點(diǎn)燈系統

摘要：介紹了基于電力載波智能點(diǎn)燈系統的設計由來(lái)和系統方案，并簡(jiǎn)要說(shuō)明了其電氣結構，工作原理、技術(shù)特點(diǎn)及應用效果。系統利用電力線(xiàn)作為通信媒介，由硬件電路、單片機接口電路和其它接口電路組成。采用輪詢(xún)應答和載波偵聽(tīng)的主從通信方式，可實(shí)現對多個(gè)節點(diǎn)的實(shí)時(shí)集中監控。
關(guān)鍵詞：信號；載波偵聽(tīng)；智能；電力載波通信

電力線(xiàn)載波通信是利用電力線(xiàn)作為信息傳輸媒介進(jìn)行語(yǔ)音通信或數據傳輸的一種特殊通信方式，電力線(xiàn)載波通信技術(shù)已在許多國家和地區得到應用，它直接運用現有的電網(wǎng)線(xiàn)路，不需要額外鋪設電纜，又不占用寶貴的無(wú)線(xiàn)頻譜資源，因此得到不斷的發(fā)展，其廣泛應用于自動(dòng)抄表系統、智能家居擰制、智能樓寧控制、交通信號燈控制等領(lǐng)域。
智能鐵路信號點(diǎn)燈系統是鐵路行車(chē)信號的燈絲自動(dòng)轉換裝置，是保證鐵路行車(chē)安全的重要信號器材，是集交流點(diǎn)燈、燈絲轉換、故障定位報警為一體的多功能智能點(diǎn)燈系統。目前我國鐵路市場(chǎng)巾現有的智能點(diǎn)燈系統主要是以利用繼電器接點(diǎn)通過(guò)報警線(xiàn)傳輸信息，這種方式存在兩個(gè)以上現場(chǎng)點(diǎn)燈單元同時(shí)故障，就不能準確的定位出故障燈的具體位置，為了解決上述問(wèn)題，借鑒電力線(xiàn)載波通信的特點(diǎn)，我們提出了基于電力線(xiàn)載波的智能鐵路信號點(diǎn)燈系統。該系統采用電力線(xiàn)載波通信技術(shù)，以車(chē)站的監測主機為核心構成主從式通信網(wǎng)絡(luò )方案，實(shí)現鐵路交通信號燈系統相關(guān)數據的傳送。

1 系統方案設計
電力載波智能鐵路信號點(diǎn)燈系統由室外點(diǎn)燈單元和室內集中監測總機構成，室外點(diǎn)燈單元通過(guò)專(zhuān)用繼電器切換主燈絲和副燈絲，檢測電路通過(guò)檢測繼電器接點(diǎn)的狀態(tài)來(lái)檢測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，現場(chǎng)點(diǎn)燈單元的處理器通過(guò)調制電路將燈絲工作狀態(tài)信息發(fā)送到電力線(xiàn)上，再通過(guò)電力線(xiàn)傳送到室內集中監測總機，實(shí)現集中報警和故障定位。

2 系統原理設計
室外點(diǎn)燈單元：由變壓器和繼電器構成電源系統，是提供鐵路信號燈的交流電源，由電力載波模塊、單片機STM8S103和檢測電路構成監測系統是監測鐵路信號燈工作狀態(tài)。主電路與檢測電路相互隔離，只通過(guò)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。
室內集中監測總機：主要由電力載波模塊、單片機STM32F、液晶顯示、按鍵接口和上傳通信電路構成監測系統。其網(wǎng)絡(luò )電氣結構原理框圖如圖1所示。

電力載波智能鐵路信號點(diǎn)燈系統由于室內集中監控主機有四路檢測通道，每路檢測通道最多設置64個(gè)現場(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，應答每次只能按通道的不同依序應答相關(guān)位序的燈，且每一個(gè)燈都要呼叫應答兩次，連續兩次呼叫無(wú)應答即為故障狀態(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(lèi)，并分別編碼，各通道的點(diǎn)燈單元編碼后都需要與現場(chǎng)真實(shí)燈名稱(chēng)一一對應，故障時(shí)只顯示燈的名稱(chēng)，不顯示編碼序號，現場(chǎng)點(diǎn)燈單元的編碼地址與現場(chǎng)燈的真實(shí)名稱(chēng)需要在現場(chǎng)使用前先進(jìn)行調試，根據現場(chǎng)情況一一設置確定，沒(méi)有安裝燈位的地址碼不用呼叫，直接跳過(guò)，進(jìn)行下一次的循環(huán)。
2．1 室外點(diǎn)燈單元電路設計
室外點(diǎn)燈單元原理框圖如圖2所示，系統以單片機為核心處理器，包含電源管理電路、燈絲故障檢測電路、供電故障檢測電路、接口單元電路和電力線(xiàn)載波模塊構成。故障檢測電路主要是檢測主、副燈絲的狀態(tài)并將檢測的狀態(tài)通知單片機；電源檢測單元主要檢測燈絲的供電狀態(tài)并將結果傳送給單片機；電源管理單元負責整個(gè)系統的電源處理；通過(guò)接口單元，操作人員可以設置室外點(diǎn)燈單元的物理地址等信息；
電力載波模塊可以將檢測到的數據信息與電力線(xiàn)信道匹配并傳送。

專(zhuān)用載波模塊是采用FSK調制技術(shù)的高度集成的電力載波模塊，內部集成了發(fā)送和接受數據的所有功能，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)化了應用電路，所以單片機與載波模塊的接口電路如圖3所示。

載波模塊單片機機控制端由RX、TX、R／T 3個(gè)端口構成，全是TTL電平，TX接單片機TXD端發(fā)送數據，RX接單片機RXD端接收數據，R／T為接收／發(fā)送控制端，接單片機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 室內集中監測總機電路設計
室內集中監測總機的原理框圖如圖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、聲光報警單元、鍵盤(pán)輸入接口、CAN接口電路、時(shí)鐘電路。電源管理單元負責整個(gè)系統的電源處理，用戶(hù)可以通過(guò)按鍵對室內機操作，電力線(xiàn)載波模塊可以將檢測到的數據信息與電力線(xiàn)信道匹配并傳送，CAN接口模塊可以實(shí)現數據接入。

由于鐵路行業(yè)標準要求主電路與檢測電路的電源不能混用，所以監測總機還具有通過(guò)一對電纜芯線(xiàn)對現場(chǎng)所有監測節點(diǎn)提供電源并在電源線(xiàn)上傳輸信息的功能。監測總機通過(guò)變壓器先使AC220V變?yōu)锳C50V，再通過(guò)熱敏電阻防止沖擊電流后，經(jīng)整流橋濾波后輸出，為保證可靠性，本設計采用兩路電源直流并機輸出，如圖5所示。

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

4 結束語(yǔ)
以輪詢(xún)應答和載波偵聽(tīng)相結合的方式是電力載波通信技術(shù)應用在實(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，以電力線(xiàn)為傳輸介質(zhì)，可以實(shí)現鐵路信號燈的實(shí)時(shí)集中監控，在實(shí)際運行中，集中報警和現場(chǎng)點(diǎn)燈單元的有效通信距離達到了1 200 m，數據傳輸穩定可靠，響應迅速。