基于电力载波的智能铁路信号点灯系统

摘要：介绍了基于电力载波智能点灯系统的设计由来和系统方案，并简要说明了其电气结构，工作原理、技术特点及应用效果。系统利用电力线作为通信媒介，由硬件电路、单片机接口电路和其它接口电路组成。采用轮询应答和载波侦听的主从通信方式，可实现对多个节点的实时集中监控。
关键词：信号；载波侦听；智能；电力载波通信

    电力线载波通信是利用电力线作为信息传输媒介进行语音通信或数据传输的一种特殊通信方式，电力线载波通信技术已在许多国家和地区得到应用，它直接运用现有的电网线路，不需要额外铺设电缆，又不占用宝贵的无线频谱资源，因此得到不断的发展，其广泛应用于自动抄表系统、智能家居拧制、智能楼宁控制、交通信号灯控制等领域。
    智能铁路信号点灯系统是铁路行车信号的灯丝自动转换装置，是保证铁路行车安全的重要信号器材，是集交流点灯、灯丝转换、故障定位报警为一体的多功能智能点灯系统。目前我国铁路市场巾现有的智能点灯系统主要是以利用继电器接点通过报警线传输信息，这种方式存在两个以上现场点灯单元同时故障，就不能准确的定位出故障灯的具体位置，为了解决上述问题，借鉴电力线载波通信的特点，我们提出了基于电力线载波的智能铁路信号点灯系统。该系统采用电力线载波通信技术，以车站的监测主机为核心构成主从式通信网络方案，实现铁路交通信号灯系统相关数据的传送。

1 系统方案设计
    电力载波智能铁路信号点灯系统由室外点灯单元和室内集中监测总机构成，室外点灯单元通过专用继电器切换主灯丝和副灯丝，检测电路通过检测继电器接点的状态来检测主灯丝和副灯丝的工作状态，并将主灯丝和副灯丝的工作状态信息提供给室外点灯单元的处理器，现场点灯单元的处理器通过调制电路将灯丝工作状态信息发送到电力线上，再通过电力线传送到室内集中监测总机，实现集中报警和故障定位。

2 系统原理设计
    室外点灯单元：由变压器和继电器构成电源系统，是提供铁路信号灯的交流电源，由电力载波模块、单片机STM8S103和检测电路构成监测系统是监测铁路信号灯工作状态。主电路与检测电路相互隔离，只通过光电信息交换，使主电路不受其它因素的影响，最大限度的确保了主电路的安全性。
    室内集中监测总机：主要由电力载波模块、单片机STM32F、液晶显示、按键接口和上传通信电路构成监测系统。其网络电气结构原理框图如图1所示。

    电力载波智能铁路信号点灯系统由于室内集中监控主机有四路检测通道，每路检测通道最多设置64个现场点灯单元的寻址地址，采用的是群呼一答的通讯方式，即每次同时呼叫4个通道同一位序的灯，应答每次只能按通道的不同依序应答相关位序的灯，且每一个灯都要呼叫应答两次，连续两次呼叫无应答即为故障状态，这种方式需要在使用前把站场中所有的点灯单元按各自所在通道分类，并分别编码，各通道的点灯单元编码后都需要与现场真实灯名称一一对应，故障时只显示灯的名称，不显示编码序号，现场点灯单元的编码地址与现场灯的真实名称需要在现场使用前先进行调试，根据现场情况一一设置确定，没有安装灯位的地址码不用呼叫，直接跳过，进行下一次的循环。
2．1 室外点灯单元电路设计
    室外点灯单元原理框图如图2所示，系统以单片机为核心处理器，包含电源管理电路、灯丝故障检测电路、供电故障检测电路、接口单元电路和电力线载波模块构成。故障检测电路主要是检测主、副灯丝的状态并将检测的状态通知单片机；电源检测单元主要检测灯丝的供电状态并将结果传送给单片机；电源管理单元负责整个系统的电源处理；通过接口单元，操作人员可以设置室外点灯单元的物理地址等信息；
电力载波模块可以将检测到的数据信息与电力线信道匹配并传送。

    专用载波模块是采用FSK调制技术的高度集成的电力载波模块，内部集成了发送和接受数据的所有功能，包括防雷、功率放大、电压／电流自动控制、耦合接口等，大大简化了应用电路，所以单片机与载波模块的接口电路如图3所示。

    载波模块单片机机控制端由RX、TX、R／T 3个端口构成，全是TTL电平，TX接单片机TXD端发送数据，RX接单片机RXD端接收数据，R／T为接收／发送控制端，接单片机P1．0口，R／T为高时载波模块处于接收状态，R／T为低时处于发送状态。
2．2 室内集中监测总机电路设计
    室内集中监测总机的原理框图如图4所示，采用最新的Cortex-M3核的ARM处理器STM32为主控制器，包含电源管理单元电路、LCD显示单元、声光报警单元、键盘输入接口、CAN接口电路、时钟电路。电源管理单元负责整个系统的电源处理，用户可以通过按键对室内机操作，电力线载波模块可以将检测到的数据信息与电力线信道匹配并传送，CAN接口模块可以实现数据接入。

    由于铁路行业标准要求主电路与检测电路的电源不能混用，所以监测总机还具有通过一对电缆芯线对现场所有监测节点提供电源并在电源线上传输信息的功能。监测总机通过变压器先使AC220V变为AC50V，再通过热敏电阻防止冲击电流后，经整流桥滤波后输出，为保证可靠性，本设计采用两路电源直流并机输出，如图5所示。

3 软件设计
    监测总机和现场点灯单元各自运行程序，软件设计均采用模块化，整个程序包括初始化、主从通信、数据收发处理、按键及I／O口，液晶显示、CAN总线上传通信等程序模块。设计内容较多，下面主要介绍主从通信设计。
    由于电力线载波通信的应用中大多是半双工通信，主从通信只能采用轮询应答方式，即主节点依次向各从节点发送查询命令帧，目标节点接收到后发送应答帧，主节点必须接收到该应答，才能向下一个节点发送查询。如果从节点较多，则耗时较长，影响实时性。本设计除了采用轮询应答方式外，还增加了载波侦听方式，可以提高信道的利用率。具体办法是所有节点向电力线上发送数据前，先执行载波侦听算法：检测PD状态，若PD=0，则先不立即发送数据，而延时一定时间，再检测PD状态，若为低电平，此时才启动发送；若PD=1，则连续监测PD状态，直到转变为低电平后才进入延时阶段；若同时有多个节点企图发送信息，延时最短的节点可以最优先发送信息，其他延时稍长的节点在延时结束后，便会发现PD已经是高电平了，信道被占用，需要等待下一次发送机会；若现场点灯单元在非查询期间有报警产生，仍可优先获得通道，向电力线发送报警信息，从而提高系统的突发响应时间。相关程序流程图如图6所示。

4 结束语
    以轮询应答和载波侦听相结合的方式是电力载波通信技术应用在实时性要求较高的领域提供了有效解决方案。介绍了电力载波智能点灯系统，以电力线为传输介质，可以实现铁路信号灯的实时集中监控，在实际运行中，集中报警和现场点灯单元的有效通信距离达到了1 200 m，数据传输稳定可靠，响应迅速。