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。