基于STC12C的鐵路信號半自動(dòng)閉塞光纜傳輸器設(shè)計(jì)
半自動(dòng)閉塞鐵路線在我國大量存在,而用于兩個(gè)車站之間接一發(fā)列車的閉塞信息有正負(fù)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(dǎo)致鐵路運(yùn)輸中斷的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,并且一旦明線或者電纜故障后恢復(fù)起來較為復(fù)雜,通常情況下,恢復(fù)的時(shí)間在6~10 h左右,這也大大降低了區(qū)間半自動(dòng)閉塞的單線鐵路的運(yùn)輸能力。并且隨著技術(shù)進(jìn)步及新科技的廣泛應(yīng)用,光纜的應(yīng)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(shí)現(xiàn)了光纖傳輸。
信號半自動(dòng)閉塞光纜傳輸器用于64D單線半自動(dòng)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(jìn)行傳輸,可以實(shí)現(xiàn)傳輸通道的冗余備份,對傳輸通道進(jìn)行實(shí)時(shí)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(bào)警,亦可將設(shè)備的工作狀態(tài)上傳給微機(jī)監(jiān)測等上位工作站。
1 系統(tǒng)功能要求及結(jié)構(gòu)
由于兩個(gè)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(gè)別車站可能更高。OCGB信號半自動(dòng)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(yīng)的數(shù)字信號通過光纜通道傳輸至接收端(乙站),并復(fù)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(gè)功能模塊構(gòu)成:輸入輸出接口單元、電源單元、控制單元、通信單元?;?strong>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(gè)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(jìn)行配置;
2)控制單元采用雙CPU進(jìn)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(dǎo)向安全原則;
5)可將本機(jī)的工作狀態(tài)及報(bào)警信息上傳給上位機(jī)進(jìn)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(shè)計(jì)
在系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中,電源部分采用AC/DC模塊電源完成單片機(jī)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(shí)現(xiàn)2路傳輸通道的冗余備份和逆變輸出驅(qū)動(dòng)電源,因此選用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控單元的控制芯片
2.1 STCl2C5A60S2/AD/PWM系列單片機(jī)簡介
STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī),是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī),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(fù)位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250 k/s),針對電機(jī)控制,強(qiáng)干擾場合。
該芯片具有以下特點(diǎn):
1)增強(qiáng)型8051 CPU,1T,單時(shí)鐘/機(jī)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(jī))STC12LE5A60S2系列工作電壓:3.6~2.2 V(3 V單片機(jī));
3)工作頻率范圍:0~35 MHz,相當(dāng)于普通8051的0~420 MHz;
4)用戶應(yīng)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(gè));
7)ISP(在系統(tǒng)可編程)/IAP(在應(yīng)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(jì)數(shù)器陣列,2路)功能,方便方波輸出;
9)共4個(gè)16位定時(shí)器兩個(gè)與傳統(tǒng)8051兼容的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,16位定時(shí)器T0和T1,沒有定時(shí)器2,但有獨(dú)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(shí)現(xiàn)2個(gè)16位定時(shí)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(shí)現(xiàn)
2.2.1 交叉?zhèn)溆萌哂嚯娐?/p>
主控芯片STC12C5A60S2有UART0和UART1兩個(gè)串口,通信單元有S1和S2兩個(gè)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(shí)現(xiàn)了控制單元和通信單元的交叉?zhèn)溆?,即在只有一個(gè)控制單元和一個(gè)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(shè)備的輸出為DC24 V電源,驅(qū)動(dòng)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(cuò)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(dāng)發(fā)生故障時(shí)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(gè)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(shí)分別產(chǎn)生各自的方波信號,通過安全與門產(chǎn)生一個(gè)直流電壓驅(qū)動(dòng)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(huì)產(chǎn)生直流電壓。這就保證了輸出的直流電壓不會(huì)是錯(cuò)誤輸出。電路原理圖如圖3所示。
3 軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)可分為采集、通信以及驅(qū)動(dòng)幾個(gè)部分實(shí)現(xiàn),分別介紹如下:
1)通信
通信部分主要完成2個(gè)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(gè)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(fù)脈沖電壓信號的采集,并用單片機(jī)的外部中斷0(INT0)和外部中斷1(INT1)作為單片機(jī)的輸入,當(dāng)單片機(jī)有中斷輸入時(shí)啟動(dòng)中斷響應(yīng)程序,將代表正脈沖或者負(fù)脈沖的數(shù)字信號發(fā)送至對方車站;
3)驅(qū)動(dòng)
驅(qū)動(dòng)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(dòng)部分的程序框圖如圖4所示。
4 結(jié)束語
基于STC12C5A60S2單片機(jī)的鐵路信號半自動(dòng)閉塞光纜傳輸器經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)、測試,工作穩(wěn)定,通信可靠,滿足故障導(dǎo)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(dòng)閉塞區(qū)間電纜故障的設(shè)備。