面向鐵路異構監測數據的光電混合接入系統

徐余明，石先明，劉利平，胡祖翰，黃智杰，羅 斌

（1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063；2.西南交通大學信息科學與技術學院，成都 611756）

1 概述

開發統一強大的智能運維管理系統成為軌道交通領域重點關注的問題[1-3]，而底層基礎數據的統一高效收集，是支撐智能運維管理系統的基礎。對于不同類型的監測數據，可以采取不同的接入傳輸方式，例如專用視頻監控系統通常基于TCP/IP 進行接入[4-5]。同時也存在另外一些類型的傳感監測數據，其監測點數量較多且分散，但單一監測點要求的數據傳輸帶寬并不大，業界通常采用工業總線技術來進行采集傳輸管理[6-7]。對這一類傳感監測數據統一高效收集管理時，可能會遇到以下兩個方面的困難。第一，不同廠商通常會遵從工業界硬件接口標準，例如采用RS-232、RS-485 總線傳輸原始傳感監測數據，但是傳輸數據采用的通信控制協議是各自獨立開發實現的。因此，盡管RS-232、RS-485 總線提供了一對多通信功能，但如果用統一的管理設備來接入不同廠商的傳感監測數據，由于通信控制協議的差異，很可能在傳輸數據時產生沖突。第二，需要監測的軌道沿線傳感數據可能分布在比較廣的范圍內，不過RS-232、RS-485 總線的傳輸距離是有限的，所以通常需要使用多個采集控制器分別就近接入傳感數據，然后利用GPRS、4G/5G 等無線或有線網絡技術連接采集控制器，實現各種遠程監測指令的發送和數據的實時采集與傳輸。如果網絡覆蓋條件不能滿足，RS-232、RS-485 總線有限的傳輸距離就成為另一個重要制約因素。

為了充分發揮RS-232、RS-485 總線在底層傳感監測數據采集傳輸方面的作用，本文提出一種光電混合多端口鐵路異構傳感監測數據接入系統，既解決統一接入時面臨的不同廠商通信控制協議潛在沖突問題，又通過拓展總線傳輸通信距離，使其在網絡覆蓋不理想的條件下也能夠很好應用，從而為智能運維管理系統中底層基礎數據的高效收集服務。

2 系統結構和工作流程

2.1 系統結構

系統設計方面，需要解決總線型傳感監測數據統一接入時面臨的不同廠商通信控制協議潛在沖突問題，以及如何拓展總線傳輸通信距離這兩個關鍵技術。針對第一個問題，通過在系統內部集成自動控制切換開關實現多端口切換，確保同一時刻在總線上只接入同一廠家的同類型監測設備，從而避免協議沖突。針對第二個問題，通過在系統中增加光端口，利用光纖傳輸長距離監測數據。

光電混合多端口鐵路異構傳感監測數據接入系統結構示意如圖1 所示。系統由主控單元、開關控制單元、網絡接口、電端口和光端口組成，它們之間的連接關系如下。

圖1 光電混合多端口傳感監測數據接入系統結構示意Fig.1 Diagram of photoelectric hybrid multi-port sensing and monitoring data access system

1）主控單元針對使感監測數據的發送、接收2條數據線分別與開關控制單元的兩個公共數據傳輸端相連；主控單元的控制線與開關控制單元的對應邏輯控制端相連。

2）開關控制單元的多組數據傳輸線分別與各個電端口和光端口的傳輸線逐一對應連接。

3）電端口的傳感監測數據側為標準的RS-232或RS-485 接口；光端口內部包括光/電和電/光轉換電路，對外通過光纖連接。

4）主控單元針對網絡側的發送、接收2 條數據線與UART 轉網口模塊對應的數據傳輸端相連。

2.2 工作流程

1）當主控單元接收來自網絡側的遠程監測指令，需采集與某一端口（電端口或光端口）相連總線上的傳感監測數據時，主控單元利用控制線對開關控制單元發送邏輯控制電平，使開關控制單元的公共數據傳輸端自動切換，只與其中一組數據傳輸線相連，其余各組數據傳輸線與主控單元之間的連接被斷開。

2）在第一步的基礎上，由于同一端口總線上只允許接入同一廠家的同類型監測設備數據，從而避免了協議沖突。

3）主控單元根據端口接入的廠商設備類別，自動調用相應的內部通信模塊與之進行信息交互和傳感數據采集。

4）對于光端口情形，增加了光/電和電/光轉換環節，具體過程如下。

a.光端口組成示意（該端口對應A1 和B1 這組數據傳輸線）如圖2 所示，由主控單元發往傳感監測點的電信號來自A1 傳輸線，記為下行信號，經過電/光轉換以后變為下行光信號；同時，來自監測點的光信號（即傳感監測數據），記為上行信號。下行光信號和上行光信號采用不同的光波長為載波，二者通過波分復用器耦合傳輸，波分復用器的公共端口即為本系統的光端口，它通過光纖與遠端監測設備相連。

圖2 光端口組成示意Fig.2 Schematic diagram of optical port composition

b.經過波分復用器分離輸出的上行光信號（即傳感監測數據），經過光/電轉換以后，經由開關控制單元連接傳輸，最終被主控單元接收。

c.如圖3 所示，在遠端的傳感監測點，通過增加RS-485/232 光纖轉發器后，利用光纖與本系統的光端口相連，拓展總線傳輸通信距離。

圖3 遠端傳感監測點光纖連接示意Fig.3 Schematic diagram of optical fiber connection of remote sensing and monitoring point

d.由于光/電和電/光轉換環節是在物理傳輸層實現的，對于主控單元的控制傳輸通信應用程序而言，光端口與電端口并無區別，可以統一開發。

3 硬件設計

為提高硬件開發效率，網絡側通信直接利用UART 轉網口模塊，光端口則采用TTL 接口的光收發一體化模塊。因此，本文重點介紹主控單元和開關控制單元的硬件設計，這兩部分的電路如圖4 所示。

圖4 主控單元和開關控制單元原理電路Fig.4 Schematic circuit diagram of main control unit and switch control unit

主控單元選用芯片型號為基于ARM Cortex-M4內核的32 位超低功耗單片機STM32L431，其外圍時鐘電路、復位電路以及JTAG 電路均屬于常規設計，這里不做展開。和系統功能緊密相關的是利用了其2 個UART 端口，其中一組UART1 端口傳輸線RX1 和TX1 實現傳感監測數據采集控制。另一組UART2 端口傳輸線RX2 和TX2 與UART 轉網口模塊連接，實現網絡側通信功能。

開關控制單元選用的芯片型號是CH448F，CH448F 是 DPOT 模擬開關芯片，內部集成了雙通道、八選一、低阻寬帶雙向模擬開關。主控芯片STM32L431 的 一 組UART 端 口RX1 和TX1 分別與模擬開關的2 個通道公共端AX 和AY 相連，CH448F 的數字控制輸入引腳包括 SEL2、SEL1、SEL0、XEN#和 YEN#，它們分別由STM32L431 的相應I/O 端口控制。XEN#和 YEN#是2 個通道的使能引腳，低電平有效，SEL2、SEL1 和SEL0 組合選擇不同的通道。CH448F 的控制功能如表1 所示。

表1 CH448F控制功能Tab.1 Table of control function of CH448F

CH448F 的A2X ～A7X 和A2Y ～A7Y 分 別 與RS-485/232 接口轉換芯片連接，對外提供標準串口，該部分電路較為常見。A0X、A1X 和A0Y、A1Y 直接與光收發一體化模塊連接，對外提供光端口。

4 軟件設計

軟件開發中，直接利用STM32CubeMX 工具快速建立工程文件，對系統時鐘、GPIO 口進行配置和程序初始化，提高開發效率。

主控單元程序流程如圖5 所示。程序完成初始化開始運行以后，UART2 端口處于等待接收網絡側遠程指令狀態。收到遠程指令以后，解析判斷出需要獲取的監測數據來自哪一個端口總線。根據端口需求，主控芯片發出端口控制信號，開關芯片完成端口切換，使UART1 端口傳輸線RX1 和TX1與對應端口聯通，并根據端口設備數據協議，通過UART1 端口獲取傳感監測數據并緩存在主控單元內部，然后，經過UART2 端口上傳到網絡。一輪信息交互完成以后，系統又返回到等待接收網絡側遠程指令的狀態。

圖5 主控單元程序流程Fig.5 Flow diagram of programme of main control unit

軟件設計中編寫了網絡側通信函數，包括Receive_ Instruction_From_Remote 和Send_Data_To_Remote，其中，函數Receive_Instruction_From_Remote 在UART2 端口的接收中斷中調用，用于接收網絡側遠程指令。函數Send_Data_To_Remote 用于向網絡側發送監測數據。傳感監測數據采集控制函數包括Send_ Instruction _To_ Monitor 和Receive_Data_From_Monitor，同 樣， 函 數Receive_Data_From_Monitor 在UART1 端口的接收中斷中調用，用于接收傳感監測數據，函數Send_ Instruction _To_ Monitor 向傳感監測點發出控制指令。

需要說明的是，由于不同端口總線上連接的是不同的廠商設備，它們的通信控制協議存在差異，所以，需要先根據端口進行不同的協議串封裝，然后再調用函數Send_ Instruction _To_ Monitor發送協議控制指令。對于函數Receive_Data_From_Monitor 接收到的數據字符串，也應該根據對應協議解析出數據以后，才發送到網絡側。

5 結論

目前，在軟硬件設計基礎上，已完成樣機研制，對數據通信功能進行了初步驗證。在今后的實際系統應用中，只需根據端口連接的具體廠商設備，針對它們的通信控制協議，在現有底層框架下，開發相應的協議串封裝模塊就能夠正常工作。本文提出的光電混合多端口鐵路異構傳感監測數據接入系統，既解決了統一接入時面臨的不同廠商通信控制協議潛在沖突問題，又利用光纖技術拓展了總線傳輸通信距離。可以充分發揮工業總線技術在底層傳感監測數據采集傳輸方面的優勢，從而為智能運維管理系統中底層基礎數據的高效收集服務。