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-發列車的閉塞信息有正負脈沖2種信息來完成，傳輸閉塞信息的傳輸介質為架空明線或光纜。由于明線或者電纜故障而導致鐵路運輸中斷的現象時有發生，并且一旦明線或者電纜故障后恢復起來較為復雜，通常情況下，恢復的時間在6～10 h左右，這也大大降低了區間半自動閉塞的單線鐵路的運輸能力。并且隨著技術進步及新科技的廣泛應用，光纜的應用越來越普遍，大多數鐵路車站之間的傳輸通道已經實現了光纖傳輸。

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變為數字信號進行傳輸，可以實現傳輸通道的冗余備份，對傳輸通道進行實時監測，如果主通道發生故障，切換至備用通道，并且可發出報警，亦可將設備的工作狀態上傳給微機監測等上位工作站。

1 系統功能要求及結構

由于兩個車站之間的距離不同，發送電壓也不同，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送端（甲站）的電壓采集后，轉換為相應的數字信號通過光纜通道傳輸至接收端（乙站），并復原為電壓信號。根據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成：輸入輸出接口單元、電源單元、控制單元、通信單元。基于鐵路信號的安全性和可靠性方面的考慮，系統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備用的方式進行配置；

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，符合故障導向安全原則；

5）可將本機的工作狀態及報警信息上傳給上位機進行顯示。

根據以上功能，系統組成框圖如圖1所示。

圖1 系統結構示意圖Fig.1 Structure diagram of system

2 系統硬件設計

在系統的硬件設計中，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的雙RS232串口轉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2路傳輸通道的冗余備份和逆變輸出驅動電源，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8051，但速度快8～12倍。內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換（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，相當于普通 8051的0～420 MHz；

4）用戶應用程序空間8k/16k/20k/32k/40k/48k/52k/60k/62k字節；

5）片上集成1 280字節RAM；6）通用 I/O 口（36/40/44 個）；

7）ISP（在系統可編程）/IAP（在應用可編程），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，數秒即可完成一片；

8）具有 PWM（2路）/PCA（可編程計數器陣列，2路）功能，方便方波輸出；

9）共4個16位定時器兩個與傳統8051兼容的定時器/計數器，16位定時器T0和T1，沒有定時器2，但有獨立波特率發生器做串行通訊的波特率發生器再加上2路PCA模塊可再實現2個16位定時器；

10）具有雙串口功能，可滿足該系統中2路通信通道的要求。

2.2 特殊功能要求的電路實現2.2.1 交叉備用冗余電路

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，這樣就實現了控制單元和通信單元的交叉備用，即在只有一個控制單元和一個通信單元的情況下，系統仍能正常工作。

2.2.2 安全與門電路

圖2 交叉備用電路示意圖Fig.2 Structure diagram of Cross-standby circuit

該設備的輸出為DC24 V電源，驅動現場的ZXJ或者FXJ繼電器[2]，為了防止電子產品故障而引起的錯誤輸出，輸出部分采用了安全與門電路。對于數字電路來講，當發生故障時一般表現出固定的高電平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正常工作時分別產生各自的方波信號，通過安全與門產生一個直流電壓驅動繼電器。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 軟件設計

本系統的軟件設計[4]使用的是編程較為直觀的C語言，開發平臺使用的是keil uvision4集成開發環境。根據系統功能要求，軟件設計可分為采集、通信以及驅動幾個部分實現，分別介紹如下：

1）通信

通信部分主要完成2個車站之間的數據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場正負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，當單片機有中斷輸入時啟動中斷響應程序，將代表正脈沖或者負脈沖的數字信號發送至對方車站；

3）驅動

驅動部分主要是將收到的數字信號還原為脈沖電壓，根據不同的脈沖，輸出不同極性的脈沖。驅動部分的程序框圖如圖4所示。

4 結束語

圖4 驅動部分程序流程圖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]經過反復試驗、測試，工作穩定，通信可靠，滿足故障導向安全的原則，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間電纜故障的設備。

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

[2]董昱.區間信號與列車運行控制系統[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應用基礎條件（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[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，史延東.基于虛擬儀器技術的光伏雙軸跟蹤監測系統研究[J].工業儀表與自動化裝置，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.