點(diǎn)式LED智能點(diǎn)燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王艷艷

（1-西安思源科創(chuàng)軌道交通技術(shù)開發(fā)有限公司 陜西 西安710054；2.西安交通大學(xué) 陜西 西安710054）

點(diǎn)式LED智能點(diǎn)燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王艷艷1，2

（1-西安思源科創(chuàng)軌道交通技術(shù)開發(fā)有限公司 陜西 西安710054；2.西安交通大學(xué) 陜西 西安710054）

針對(duì)傳統(tǒng)鐵路點(diǎn)燈系統(tǒng)的通信抗干擾能力差，通信距離短的問題，采用電流環(huán)通信、軟件差時(shí)報(bào)警的方法進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，通過實(shí)際上道應(yīng)用驗(yàn)證，整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用壽命增加10倍，且實(shí)現(xiàn)站內(nèi)3公里、區(qū)間15公里的點(diǎn)燈單元的故障檢測(cè)。

點(diǎn)式LED智能點(diǎn)燈系統(tǒng)；大功率點(diǎn)式LED；電流環(huán)；通信

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)民素質(zhì)的不斷提高，隨著我國(guó)鐵路的不斷提速、不斷發(fā)展，國(guó)家對(duì)鐵路“安全行車”方面越來(lái)越重視、對(duì)鐵路上道使用器材的技術(shù)先進(jìn)性、質(zhì)量可靠性把關(guān)審核越來(lái)越嚴(yán)格，尤其對(duì)關(guān)系到“行車安全”的鐵路信號(hào)系統(tǒng)器材更為重視。點(diǎn)燈系統(tǒng)就是保障“行車安全”的基礎(chǔ)鐵路信號(hào)系統(tǒng)，與“行車安全”密不可分，因此對(duì)點(diǎn)燈系統(tǒng)的研究具有廣闊的前景。

1 系統(tǒng)組成

點(diǎn)燈系統(tǒng)是鐵路行車信號(hào)的燈絲自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置，是保證鐵路行車安全的重要信號(hào)部件，是集交流點(diǎn)燈、燈絲轉(zhuǎn)換、故障定位報(bào)警為一體的多功能智能點(diǎn)燈系統(tǒng)。點(diǎn)式LED智能點(diǎn)燈系統(tǒng)由LED燈頭、點(diǎn)燈單元、信號(hào)機(jī)構(gòu)、燈絲繼電器、監(jiān)測(cè)主機(jī)五部分組成[1-2]，系統(tǒng)整體示意圖如圖1所示。此系統(tǒng)功能完整、質(zhì)量可靠，具有如下特點(diǎn)：1）采用5種顏色大功率單顆LED做為光源滿足點(diǎn)燈系統(tǒng)對(duì)光學(xué)特性的要求[7-8]。2）點(diǎn)燈單元采用橫流驅(qū)動(dòng)等技術(shù)保證正常驅(qū)動(dòng)LED負(fù)載[9-10]；采用比較電路以及光敏檢測(cè)電路檢測(cè)點(diǎn)燈單元的主、副絲工作正常與否；采用副絲供電電源做為監(jiān)測(cè)報(bào)警電路供電電源，真正做到主電路和監(jiān)測(cè)報(bào)警電路物理分離[11]。3）監(jiān)測(cè)主機(jī)硬件采用Cortex-M3內(nèi)核的ARM處理器STM32為主控制器，軟件采用操作系統(tǒng)方式實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的調(diào)度，人機(jī)交互采用觸摸液晶屏方式實(shí)現(xiàn)，可在觸摸屏上直接設(shè)置點(diǎn)燈單元地址碼和燈位名稱的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不需另配下載器[12-13]。4）通信采用電流環(huán)通信方式，根據(jù)主機(jī)與子機(jī)通信回路是否有電流通過來(lái)判斷是否有子機(jī)發(fā)生故障報(bào)警，這種方式可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離長(zhǎng)[14-15]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

點(diǎn)燈單元是基于STM8單片機(jī)，由主控點(diǎn)燈檢測(cè)模塊、通信報(bào)警模塊、連接模塊、電源管理模塊、接口模塊5部分組成，點(diǎn)燈單元硬件組成框圖如圖2所示；監(jiān)測(cè)主機(jī)是基于STM32103F單片機(jī)，由主控核心模塊、通信報(bào)警模塊、電源模塊、轉(zhuǎn)接模塊、液晶顯示模塊組成，監(jiān)測(cè)主機(jī)硬件組成框圖如圖3所示。

圖1 系統(tǒng)整體示意圖

圖2 點(diǎn)燈單元硬件組成框圖

圖3 監(jiān)測(cè)主機(jī)硬件組成框圖

2.2 系統(tǒng)通信報(bào)警硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通信報(bào)警電路是基于電流環(huán)通信方式設(shè)計(jì)的，包括監(jiān)測(cè)主機(jī)通信報(bào)警電路如圖4所示、點(diǎn)燈單元通信報(bào)警電路如圖5所示。電流環(huán)通信過程中，傳輸兩種電流信號(hào)，一種為電流報(bào)警信號(hào)，一種為回執(zhí)電流信號(hào)。監(jiān)測(cè)主機(jī)電流環(huán)電路和點(diǎn)燈單元電流環(huán)通信，在有電流信號(hào)傳輸時(shí)，可處于三種狀態(tài)，發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)、環(huán)路溝通狀態(tài)。發(fā)送狀態(tài)即監(jiān)測(cè)主機(jī)電流環(huán)電路或點(diǎn)燈單元電流環(huán)電路處于方波脈沖發(fā)送狀態(tài)，整個(gè)電流環(huán)回路中有方波脈沖信號(hào)在傳輸；接收狀態(tài)即監(jiān)測(cè)主機(jī)電流環(huán)電路或點(diǎn)燈單元電流環(huán)電路處于等待接收方波脈沖的階段；環(huán)路溝通狀態(tài)即監(jiān)測(cè)主機(jī)電流環(huán)電路或點(diǎn)燈單元電流環(huán)電路處于接收狀態(tài)時(shí)，依靠自身電流環(huán)回路的發(fā)送部分電路，溝通整個(gè)電流環(huán)回路狀態(tài)[6]。

電流環(huán)通信的工作過程如下：當(dāng)整個(gè)電流環(huán)回路無(wú)電流信號(hào)傳輸時(shí)，監(jiān)測(cè)主機(jī)電流環(huán)電路處于環(huán)路溝通狀態(tài)和接收狀態(tài)，點(diǎn)燈單元電流環(huán)電路處于接收狀態(tài)；當(dāng)點(diǎn)燈單元產(chǎn)生電流報(bào)警信號(hào)時(shí)，點(diǎn)燈單元轉(zhuǎn)換至發(fā)送狀態(tài)，每發(fā)送完一次電流報(bào)警信號(hào)，點(diǎn)燈單元就進(jìn)入環(huán)路溝通狀態(tài)和接收狀態(tài)，監(jiān)測(cè)主機(jī)仍處于環(huán)路溝通狀態(tài)和接收狀態(tài)；當(dāng)監(jiān)測(cè)主機(jī)識(shí)別出點(diǎn)燈單元發(fā)送的電流報(bào)警信號(hào)時(shí)，通過調(diào)整、變換、監(jiān)測(cè)主機(jī)波形校準(zhǔn)電路，把電流報(bào)警信號(hào)信息，轉(zhuǎn)換成監(jiān)測(cè)主機(jī)單片機(jī)可識(shí)別信號(hào)，同時(shí)監(jiān)測(cè)主機(jī)單片機(jī)發(fā)送出斷開環(huán)路溝通狀態(tài)和接收狀態(tài)命令，進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)，發(fā)送回執(zhí)電流信號(hào)，監(jiān)測(cè)主機(jī)每發(fā)送完一次回執(zhí)電流信號(hào)，監(jiān)測(cè)主機(jī)就進(jìn)入環(huán)路溝通狀態(tài)和接收狀態(tài)；當(dāng)點(diǎn)燈單元識(shí)別出回執(zhí)電流信號(hào)后，點(diǎn)燈單元斷開環(huán)路溝通狀態(tài)，進(jìn)入接收狀態(tài)。

圖4 監(jiān)測(cè)主機(jī)通信報(bào)警電路

3 軟件設(shè)計(jì)

圖5 點(diǎn)燈單元通信報(bào)警電路

點(diǎn)式LED智能點(diǎn)燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用電流環(huán)通信的方式實(shí)現(xiàn)室內(nèi)監(jiān)測(cè)主機(jī)對(duì)室外LED點(diǎn)燈單元故障的定位和報(bào)警。室內(nèi)監(jiān)測(cè)主機(jī)有四路檢測(cè)通道，每路檢測(cè)通道最多設(shè)置50個(gè)現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)燈單元的尋址地址，通訊方式是采用分機(jī)呼叫，總機(jī)應(yīng)答的方式。由于電流環(huán)通信回路是通過回路中電流的通斷傳遞信息，因此在一個(gè)通信周期內(nèi)僅允許一臺(tái)分機(jī)占用總線，若多臺(tái)分機(jī)同時(shí)占用總線會(huì)導(dǎo)致無(wú)法通信。因此分機(jī)在通信完成后一定要及時(shí)釋放總線。

當(dāng)LED點(diǎn)燈單元發(fā)生主副光源切換后，LED點(diǎn)燈監(jiān)測(cè)分機(jī)上電工作。分機(jī)的單片機(jī)在上電完成初始化后，首先讀取撥碼盤設(shè)定的地址碼，之后以地址碼為基準(zhǔn)生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)，分機(jī)單片機(jī)的定時(shí)器從0開始以這個(gè)隨機(jī)數(shù)為溢出值開始延時(shí)，這樣做的目的是給每個(gè)分機(jī)分配不同的發(fā)送起始時(shí)間，避免多臺(tái)總機(jī)同時(shí)發(fā)送信息造成電流環(huán)無(wú)法正常通信。當(dāng)延時(shí)結(jié)束后，分機(jī)的串口開始發(fā)送報(bào)警信息。電流環(huán)通信電路將串口發(fā)送出的TTL電平轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的高低電流，通過電流環(huán)總線將電流傳遞到主機(jī)的接收電路上。總機(jī)的電流環(huán)通信電路將總線上的電流轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的TTL電壓，從而使主機(jī)單片機(jī)的串口接收到分機(jī)的報(bào)警信息[3]。

在接到分機(jī)的報(bào)警信息后，向該分機(jī)發(fā)送回執(zhí)碼，若分機(jī)接收到總機(jī)發(fā)過來(lái)的回執(zhí)碼則停止發(fā)送并永久退出總線，否則分機(jī)暫時(shí)退出總線并在一段時(shí)間之后重新向主機(jī)發(fā)送報(bào)警信息。各通道的點(diǎn)燈單元編碼后都需要與現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)燈名稱一一對(duì)應(yīng)[4-5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

點(diǎn)式LED智能點(diǎn)燈系統(tǒng)主機(jī)監(jiān)測(cè)采用電流環(huán)通信方式，該通信方式采用環(huán)路電流的有無(wú)來(lái)判斷是否有故障發(fā)生，這種方式可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離長(zhǎng)，可滿足站內(nèi)3公里，區(qū)間15公里傳輸距離的要求[6]。此種通信方式配合軟件差時(shí)設(shè)計(jì)，能減少甚至避免誤報(bào)警、錯(cuò)報(bào)警現(xiàn)象的發(fā)生，為現(xiàn)場(chǎng)施工、使用、維護(hù)帶來(lái)極大便利。

[1]林瑜筠.鐵路信號(hào)基礎(chǔ)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2011.

[2]LED鐵路信號(hào)機(jī)構(gòu)通用技術(shù)條件[S].2010.

[3]譚浩強(qiáng).C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[4]任哲.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)UC/OS-II原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[5]劉波文.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)UC/OS-II經(jīng)典實(shí)例[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2014.

[6]江蘇浩峰汽車附件有限公司.一種光伏發(fā)電系統(tǒng)的電流環(huán)通訊電路[Z].CN201120268308.6，2011.

[7]一種大功率鐵路信號(hào)燈[Z].2012.

[8]一種九合一大功率鐵路信號(hào)燈[Z].2012.

[9]來(lái)清民.高亮度LED照明及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

[10]周志敏.LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)100例[M].中國(guó)電力出版社，2010

[11]余璆.數(shù)字電子技術(shù) [M].北京：中國(guó)電力出版社，2014.

[12]張燕妮.ARM Cortex-M3嵌入式開發(fā)實(shí)例詳解——基于NXP LPC17XX[M].電子工業(yè)出版社，2013.

[13]張勇.ARM Cortex-M3嵌入式開發(fā)與實(shí)踐——基于LPC1788和μC/OS-II[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015.

[14]海信（山東）空調(diào)有限公司.一種電流環(huán)通訊轉(zhuǎn)換rs485通訊的轉(zhuǎn)換電路[Z].CN201220188995.5，2012.

[15]江蘇浩峰汽車附件有限公司.一種光伏發(fā)電系統(tǒng)的電流環(huán)通訊電路[Z].CN201110211634.8，2011.

Design of point type LED intelligent lighting system

WANG Yan-yan1，2
（1-Xi'an SiyuanKechuang Rail Transit Tecnology Development Co.，Ltd.，Xi'an 710054，China；2.Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710054，China）

In order to solve the problem ofanti jamming capability of the communication of traditional railway lighting system，the problem of short communication distance，Improved design by using current ring communication and software time interval alarm，Verified by practical application，The life of the whole system is increased by 10 times，the fault detection of the lighting unit to realize 3 kilometers of station，15 kilometers of section.

point type LED intelligent lighting system；high power point type LED；currentring；communication

TN7

：A

：1674-6236（2017）08-0124-03

2016-07-20稿件編號(hào)：201607143

王艷艷（1983—）,女，滿族，遼寧鐵嶺人，碩士，工程師。研究方向：鐵路信號(hào)。