基于STC单片机的铁路信号半自动闭塞光缆传输器

摘要：文中介绍了以宏晶公司的STC12C5A60S2单片机为控制单元的用于铁路通信信号领域中的半自动闭塞光缆传输器的设计，并重点介绍了涉及铁路安全的交叉备份电路、安全与门电路以及软件结构。该系统解决了我国铁路现阶段存在的半自动闭塞区间电缆与光缆备份使用的问题，有效的提高了我国半自动闭塞区间铁路的行车效率。
关键词：铁路信号；STC单片机；半自动闭塞；光缆传输器

    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。