鐵路彎道接近告警系統設計

李垚，毛起帆，唐學智，李海豐

（天津商業大學，天津 300134）

1 引言

鐵路彎道接近告警系統用于鐵路設施維護施工過程中路上施工人員安全保護。該設備在路上由施工人員作業前開啟，系統采用微處理器從鐵路信號信息系統獲取列車接近信息，判斷接近列車來向，根據來向調取提前錄制的語音信息，經定壓功放放大后，在施工現場反復播放，直至列車全車通過施工現場，以便工人決定是否下線避讓，該系統能視接近列車車速為施工人員爭取3～5min的撤離時間，保障作業人員安全，同時避免不必要的施工中斷，提高作業效率。

2 系統結構

系統電路由供電電源、信息處理控制模塊和定壓功放三部分構成[1]：供電電源來自220V市電，提供信息處理控制板所需+5V、+12V直流電壓以及定壓功放所需220V交流電壓；信息處理控制板以微控制器為核心，包括錄音電路、放音電路、信息采集和通道選擇電路、顯示指示電路。(圖1)

2.1 信息處理控制模塊

信息處理控制模塊包括模擬語音信號、列車進入信號以及控制電路三部分。

圖1 系統硬件結構圖

2.1.1 模擬語言信號

圖2 模擬語音信號模塊

錄音過程中，系統從MIC采集到所要錄制的語音信號，經圖2（a）中電路進行放大，再由AUIN口接入圖2（b）所示ISD4002語音芯片，該芯片在單片機控制下將語音信號存入相應地址，當檢測到有來車信息時，語音芯片調取相應路徑的語音信號并通過AUOUT口將語音信號送入圖2（c）所示的放大電路中，經過放大后，在APOUT處，將信號接入功放電路中進行告警，也可通過耳機試聽存儲的語音信號。

ISD4002語音芯片是美國ISD公司出品的新型優質單片錄放音電路，不需經過A/D、D/A轉換便可完成語音的錄入、存儲及分段輸出，因而失真小，使用方便，不需專用語音開發工具；芯片內部集成了大容量的EEPROM，不再需要擴展存儲器,信息也可長久保存；其具有的自動降噪功能，能較好地再現語音的自然效果，減小量化噪聲和失真現象；而且成本低廉、控制簡單，此外，該芯片可通過SPI總線與單片機進行通信。因此，該告警系統選用ISD4002語音芯片來完成語音信號的存儲和調用。

2.1.2 列車進入信號

列車進入信號為來源于鐵路系統的開關信號，經由圖3中的光電隔離器TLP521-1將來車線路信息傳遞給單片機。光電隔離器既可以傳遞來車線路信息，又可以隔絕其他信號干擾，提高了系統的抗干擾性能，同時具有保護控制電路的作用。

圖3 數字信號控制模塊

2.1.3 控制電路

單片機接收到列車進入信號之后開始工作，通過圖4（b）中光電隔離器控制開關K1接通定壓功放的交流電源，同時通過SPI總線將來車線路信息傳遞給ISD4002語音芯片，從芯片中的相應路徑調取已經錄制好的語音信號，經過圖1（c）初級放大后將語音信號送入定壓功放進行放大，將語音文件播放出來，從而實現語音告警。

圖4 單片機模塊

2.2 系統供電

供電電源來自220V市電，通過轉換電路提供信息處理控制板所需+5V、+12V直流電壓，定壓功放所需220V交流電源由開關K1控制。

2.3 功放電路

由于該系統工作在室外，為了能確保放音有效覆蓋范圍，定壓功放采用國標120W設備，并與信息處理控制板音頻輸出做阻抗匹配，以100V定壓輸出，確保放音有效覆蓋距離達到500m。

3 操作流程

當系統開始工作時，先對系統進行初始化、關閉中斷，然后判斷其工作狀態，若需要進行錄音，則將撥碼開關撥到錄音側，然后通過控制與單片機相連的按鈕從而依次將所需要播放語音信號錄入到ISD4002語音芯片的相應存儲路徑中，完成錄制后還可進行試聽，確保錄制的語音信號無誤；若已經完成錄音，則將撥碼開關撥到運行側，等待從單片機傳來的來車信息，當收到來車信息后，播報相應的語音提示信息。

圖5 錄音及運行流程框圖

4 系統應用

為保證系統在鐵路現場復雜電氣環境使用的可靠性，系統采取抗干擾設計；考慮到信號線路長達數千米且布設于郊外空曠處，為防止雷擊和線路損害等突發性破壞，系統額外增加了電路保護設計和損害告警觸發機制，方便故障排查和檢修。

鐵路彎道接近報警系統樣機完成后，經鐵路電務部門施工現場試用，效果明顯，無錯報漏報，提示音清晰明亮，且安裝簡單，使用方便，大大提高了施工效率與進度，節省了大量資源。