基于STC單片機的鐵路信號半自動閉塞光纜傳輸器

侯江濤

（西安鐵路局西安電務(wù)器材廠 陜西 西安 710054）

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-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(fù)起來較為復(fù)雜，通常情況下，恢復(fù)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(shù)進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(shè)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(jié)構(gòu)

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。QCGB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(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?；阼F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(dǎo)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。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

在系統(tǒng)的硬件設(shè)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[1]作為主控單元的控制芯片。

2.1 STC12C5A60S2/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(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(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）；

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?/h3>

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[3]，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

圖2 交叉?zhèn)溆秒娐肥疽鈭DFig.2 Structure diagram of Cross-standby circuit

該設(shè)備的輸出為DC24 V電源，驅(qū)動現(xiàn)場的ZXJ或者FXJ繼電器[2]，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(dāng)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。

圖3 安全與門電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of safety AND-gate circuit

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計[4]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(fù)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(dāng)單片機有中斷輸入時啟動中斷響應(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

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(jié)束語

圖4 驅(qū)動部分程序流程圖Fig.4 Flow chart of drive part

基于STC12C5A60S2單片機的鐵路信號半自動閉塞光纜傳輸器[7]經(jīng)過反復(fù)試驗、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，成為解決半自動閉塞區(qū)間電纜故障的設(shè)備。

[1]STC12C5A60S2系列單片機器件手冊 [EB/OL].2011.http://www.stcmcu.com.

[2]董昱.區(qū)間信號與列車運行控制系統(tǒng)[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

[3]鐵道部運基信號2010[37]號《基于光通信的站間安全信息傳輸系統(tǒng)應(yīng)用基礎(chǔ)條件（暫行）》[S].2010.

[4]郭天祥.新概念51單片機C語言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[5]郝苗宇.半自動閉塞通道替代方案探討[J].鐵道通信信號，2011（11）:72.HAOMiao-yu.Alternative channel solutions of semi-automatic block[J].Railway Signalling&Communication，2011（11）:72.

[6]楊昭軍，徐洪澤，岳強.基于光纖通信的半自動閉塞系統(tǒng)[J].鐵道通信信號，2007（11）:21-23.YANG Zhao-jun，XU Hong-ze，YUE Qiang.Semi-automatic block system based on optical fiber communication[J].Railway Signalling&Communication，2007（11）:21-23.

[7]張華鈞，高麗，史延?xùn)|.基于虛擬儀器技術(shù)的光伏雙軸跟蹤監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2011（5）：50-54.ZHANGHua-jun，GAO Li，SHI Yan-dong.Research of photovoltaic double axes tracking monitoring system based on the virtual instrument technology[J].Industrial Instrumentation&Automation，2011（5）：50-54.