基于MAX2990的鐵路道岔轉轍機在線監測系統設計

袁向榮

摘 要：采用基于正交頻分復用（OFDM）技術的電力線通信（PLC）調制解調器和微控制器MAX2990，設計了一種鐵路道岔轉轍機在線監測系統。以現有的電力線為傳輸通道，該系統可對轉轍機設備工作狀況、特性參數進行實時監測，以保證轉轍機出現故障時及時報警和處理。試驗結果表明， 該系統具有較強的抗干擾能力和較快的響應速度，具有很高的實用價值和推廣意義。

關鍵詞：正交頻分復用 電力線通信 道岔轉轍機

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0.引言

在鐵路車站中，需要被監測的轉轍機與通訊主機的距離遠近不一，并且數量多、分布無規律，新建車站可以鋪設光纜或雙絞線，而現有車站內只能利用既有信號電纜或電力線，并且現有的可用電纜有限，監測數據的可靠傳輸存在較大難度。通過電力線通信方式進行信息傳輸，避免重新鋪設線纜，破壞已有結構，可以實現系統安裝的方便性。基于OFDM的電力線通信技術無論在介質資源、速度和穩定性等方面都具有先天優勢。MAX2990采用具有DBPSK調制和前向糾錯（FEC）功能的OFDM技術及CRC16和CRC32的數據校驗技術， 所以能夠在存在窄帶干擾、群延遲、信號阻塞、脈沖噪聲和選頻衰減等干擾的情況下進行可靠的數據通信。

基于MAX2990的鐵路道岔轉轍機在線監測系統，以現有的電力線為傳輸通道， 可對轉轍機設備工作狀況、特性參數進行實時監測。試驗結果表明， 該系統具有較強的抗干擾能力和較快的響應速度，具有很高的實用價值和推廣意義。

1.系統總體設計

本系統主要包括（傳感器檢測模塊）、分機、電力傳輸線路、分線盒、通訊主機和工控機等。一組或多組道岔共用一臺分機，為滿足車站電氣集中控制室同時監測多臺轉轍機的要求，通訊主機采用輪詢應答和載波偵聽的方式，實現與多臺分機通信。系統的工作流程如下：分機測得電動轉轍機功率、工作電流以及工作電壓、軌道繼電器電壓、道岔電壓、電源接地電流等信號，由MAX2990處理后通過電力線載波傳輸到通信主機，通訊主機對這些數據進行集中預處理，而后經CAN卡將數據送入工控機，由工控機進行數據處理，完成數據顯示、報警和存儲等功能。系統整體結構圖如圖1所示。

圖1 系統整體結構圖2.系統硬件設計

系統硬件設計分為分機和通訊主機設計， 1臺通訊主機可以實現與4臺分機通信。

2.1 分機模塊設計

分機模塊以MAX2990為核心，包含電源管理電路、傳感器檢測模塊、模擬前端芯片MAX2991模塊和電力線耦合電路組成。

電源管理電路負責整個系統的電源處理；（傳感模塊主要是檢測電動機的參數，轉換為電信號，）傳感器設置在道岔軌旁，實時監測道岔狀態變化，同時實時將道岔狀態變化以直流電流模擬量（0一20mA）方式傳送給分機；模數轉換器，用于將電信號轉換為數字信號；MAX2990用于接收數字信號并進行預處理；通過接口單元，操作人員可以設置分機的物理地址（4字節）；電力線耦合電路將檢測到的數據信息耦合到電力線上并傳送。

2.1.1 MAX2990模塊設計

MAX2990在單個芯片內集成了物理層（PHY）和媒體訪問控制（MAC）層， 以及Maxim的16位RISC MAXQ微控制器， 芯片內有32kB閃存， 用于運行MAC編碼和用戶定義的應用軟件，還帶有8kB SRAM用于數據存儲。另外，MAX2990支持通過UART、SPI和I2C等串行接口與電力線和網絡上的其它設備進行通信。

發送時，經MAX2990處理的數字信號由模擬前端芯片MAX2991進行DAC變換成模擬信號， 經電力線耦合電路將信號送上電力線， 完成信號的發送；接收時，電力線上的信號先通過低通濾波器濾波后，經模擬前端芯片MAX2991送到MAX2990進行處理。MAX2990模塊電路圖如圖2所示。

圖2 MAX2990模塊電路圖MAX2990共有三種工作模式，本系統中MAX2990采用兩線制傳輸方式，工作在ARIB模式。MAX2990采用半雙工通信，主機和分機通信采用輪詢應答方式，即主機依次向各分機發送查詢命令幀，目標分機接收到后發送應答幀，主機必須接收到該應答，才能繼續向下一個分機發送查詢命令。MAX2990的CSMA/CA 通道訪問仲裁和自動重復請求（ARQ）功能保證了可靠的數據包發送和接收。MAX2990的應答機制和重發機制以及三重校驗機制，使得通信可靠性大大提高。

2.1.2 模擬前端芯片MAX2991電路設計

MAX2990實現了數字信號的數字化調制和數據鏈路層協議， 但要實現電力線通信必須借助模擬前端器件MAX2991的配合。MAX2991是電力線路與MAX2990的通信轉換接口， 主要功能是：將MAX2990輸出的數字化信號轉換成模擬信號送給電力線路、將電力線路上的模擬信號轉換成數字信號送給MAX2990、對來自電力線路上的模擬信號進行自動增益放大控制、實現可編程的低通和高通數字化濾波。MAX2991模塊電路圖如圖3所示。

2.2 通訊主機電路設計

通訊主機主要包含電源管理單元電路、LCD顯示單元、聲光報警單元、CAN接口電路。電源管理單元負責整個系統的電源處理，用戶可以通過按鍵對室內機操作；電力線載波模塊可以將檢測到的數據信息與電力線信道匹配并傳送；CAN接口模塊可以實現數據接入。

3.系統軟件設計

系統軟件分為數據采集、數據分析和加工、數據顯示給用戶三個環節。數據采集環節由分機完成，數據分析和加工環節由通訊主機完成，而工控機負責完成數據顯示環節。

分機從傳感器獲取原始采集數據，進行基本的加工處理，通過電力線將其發送給通訊主機，通訊主機對接收到的數據進行判斷和分析，并將數據存入數據庫，供查詢和進一步的分析。如果測量值超過了預先設置的閾值，通訊主機將產生一個報警信息，并立即在工控機上以聲、光和文字方式提示，產生警告信息。

對于分機和通訊主機的應用軟件，均劃分為以下3層：

接口與通信層：負責與外部接口和通信的具體實施，傳感器數據接收等。

數據交換與緩沖層：完成接口通信層與邏輯處理層之間的數據交換，并為輸入和輸出的數據提供內部緩沖。

邏輯處理層：對數據進行處理和加工。

4.結束語

基于MAX2990的鐵路道岔轉轍機監測系統，采用電力載波通信技術，實現了檢測數據與室外轉轍機工作電源的共線傳輸，從而降低了系統的通信成本和施工難度；由于MAX2990采用OFDM技術及CRC16和CRC32數據校驗技術，保障了檢測數據的可靠傳輸。該系統以車站集中控制室的通訊主機為核心構成主從式通信網絡，實現了對轉轍機設備工作狀況、特性參數的實時監測，以保證電動轉轍機出現故障時得到及時的報警和處理。在實際運行中，該系統具有較強的抗干擾能力、較高的數據傳輸速率。

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