基于STC12C的铁路信号半自动闭塞光缆传输器设计

2012-11-19 14:56:38来源: 互联网

半自动闭塞铁路线在我国大量存在,而用于两个车站之间接一发列车的闭塞信息有正负脉冲2种信息来完成,传输闭塞信息的传输介质为架空明线或光缆。由于明线或者电缆故障而导致铁路运输中断的现象时有发生,并且一旦明线或者电缆故障后恢复起来较为复杂,通常情况下,恢复的时间在6~10 h左右,这也大大降低了区间半自动闭塞的单线铁路的运输能力。并且随着技术进步及新科技的广泛应用,光缆的应用越来越普遍,大多数铁路车站之间的传输通道已经实现了光纤传输。

信号半自动闭塞光缆传输器用于64D单线半自动闭塞的区间信号传输,其作用是代替原有的电缆或者明线传输,将原有的模拟信号转变为数字信号进行传输,可以实现传输通道的冗余备份,对传输通道进行实时监测,如果主通道发生故障,切换至备用通道,并且可发出报警,亦可将设备的工作状态上传给微机监测等上位工作站。

1 系统功能要求及结构

由于两个车站之间的距离不同,发送电压也不同,其电压范围从40~120 V不等,个别车站可能更高。OCGB信号半自动闭塞光缆传输器的主要功能就是将发送端(甲站)的电压采集后,转换为相应的数字信号通过光缆通道传输至接收端(乙站),并复原为电压信号。根据功能要求及安全性要求,光缆传输器主要由以下几个功能模块构成:输入输出接口单元、电源单元、控制单元、通信单元。基于铁路信号的安全性和可靠性方面的考虑,系统需要完成以下几个方面的特殊功能:

1)控制模块和通信模块均采用“1+1”的备用模式,且控制单元与通信单元之间采用交叉备用的方式进行配置;

2)控制单元采用双CPU进行信号采集;

3)传输通道需冗余备份;

4)输出采用安全与门电路,符合故障导向安全原则;

5)可将本机的工作状态及报警信息上传给上位机进行显示。

根据以上功能,系统组成框图如图1所示。


2 系统硬件设计

在系统的硬件设计中,电源部分采用AC/DC模块电源完成单片机及逆变电路所需的DC12V、DC5V电源及通讯所需的DC5V隔离电源。通信单元采用北京公司生产的双RS232串口转E1通道的通信模块,但是2路RS232通道为切换式工作。在控制单元中,考虑到要用到双串口实现2路传输通道的冗余备份和逆变输出驱动电源,因此选用STC12C5A60S2单片机作为主控单元的控制芯片

2.1 STCl2C5A60S2/AD/PWM系列单片机简介

STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机,是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8~12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250 k/s),针对电机控制,强干扰场合。

 

该芯片具有以下特点:

1)增强型8051 CPU,1T,单时钟/机器周期,指令代码完全兼容传统8051;

2)工作电压:STC12C5A60S2系列工作电压:5.5~3.3 V(5 V单片机)STC12LE5A60S2系列工作电压:3.6~2.2 V(3 V单片机);

3)工作频率范围:0~35 MHz,相当于普通8051的0~420 MHz;

4)用户应用程序空间8k/16k/20k/32k/40k/48k/52k/60k/62k字节;

5)片上集成1 280字节RAM;

6)通用I/O口(36/40/44个);

7)ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程),无需专用编程器,无需专用仿真器可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序,数秒即可完成一片;

8)具有PWM(2路)/PCA(可编程计数器阵列,2路)功能,方便方波输出;

9)共4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1,没有定时器2,但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器;

10)具有双串口功能,可满足该系统中2路通信通道的要求。

2.2 特殊功能要求的电路实现

2.2.1 交叉备用冗余电路

主控芯片STC12C5A60S2有UART0和UART1两个串口,通信单元有S1和S2两个RS232输入接口,如图2所示;将控制单元1的通道1和通道2分别连接到通信单元1和通信单元2的串口1,将控制单元2的通道1和通道2分别连接到通信单元1和通信单元2的串口2,这样就实现了控制单元和通信单元的交叉备用,即在只有一个控制单元和一个通信单元的情况下,系统仍能正常工作。


2.2.2 安全与门电路

该设备的输出为DC24 V电源,驱动现场的ZXJ或者FXJ继电器,为了防止电子产品故障而引起的错误输出,输出部分采用了安全与门电路。对于数字电路来讲,当发生故障时一般表现出固定的高电平1或者固定的低电平0,为了提高整个系统的安全性,把正常的方波信号作为正常的工作信号,2路CPU正常工作时分别产生各自的方波信号,通过安全与门产生一个直流电压驱动继电器。如果任何一路方波电路中有元器件故障而没有方波信号,就不会产生直流电压。这就保证了输出的直流电压不会是错误输出。电路原理图如图3所示。


3 软件设计

本系统的软件设计使用的是编程较为直观的C语言,开发平台使用的是keil uvision4集成开发环境。根据系统功能要求,软件设计可分为采集、通信以及驱动几个部分实现,分别介绍如下:

1)通信

通信部分主要完成2个车站之间的数据交换以及对通信通道的检测,通信有2个通道冗余备份,每250 ms通信一次;

2)采集

采集部分主要完成对现场正负脉冲电压信号的采集,并用单片机的外部中断0(INT0)和外部中断1(INT1)作为单片机的输入,当单片机有中断输入时启动中断响应程序,将代表正脉冲或者负脉冲的数字信号发送至对方车站;

3)驱动

驱动部分主要是将收到的数字信号还原为脉冲电压,根据不同的脉冲,输出不同极性的脉冲。驱动部分的程序框图如图4所示。


4 结束语

基于STC12C5A60S2单片机的铁路信号半自动闭塞光缆传输器经过反复试验、测试,工作稳定,通信可靠,满足故障导向安全的原则,并且通过了铁道部组织的常温、高低温、恒定湿热、电磁兼容、软件测试、专家评估等测试,成为解决半自动闭塞区间电缆故障的设备。

关键字:铁路  铁路信号  信号  半自动  半自动闭塞

编辑:Gem 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2012/1119/article_5063.html
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