半自動閉塞信息數字化傳輸技術運用研究

孫鐵強

*沈陽鐵路局吉林電務段 高級工程師，132001 吉林省吉林

現階段我國64D型半自動閉塞信息傳輸是通過通信的架空明線或對稱電纜傳輸的，在傳輸線路中只傳輸2種正負脈沖信號，動作兩站間的閉塞設備，完成半自動閉塞電路的整個動作過程。隨著通信技術的發(fā)展，閉塞電話已經全部改為光纜傳輸，現有的閉塞線路只作為半自動閉塞信息的傳輸通道，這種傳輸方式容易受到外界干擾，故障率高且無法實現與計算機聯(lián)鎖電路的接口，已不能滿足信號設備發(fā)展的要求。

信息數字化傳輸技術的發(fā)展，為改變現有傳輸方式提供了可能。利用現有閉塞電話使用的通信光纜作為半自動閉塞信息傳輸通道，傳送各種閉塞信息。在閉塞外線端接入數字信息轉換設備，將閉塞的模擬電信號轉換為數字信號，利用通信光纜傳輸到對方站。對方站接到數字信號后，再將數字信號轉換為模擬電信號，動作原電路的ZXJ、FXJ繼電器完成站間閉塞任務。原半自動閉塞電路不需要改變。

沈陽鐵路局在2008年于鐵道部立項“半自動閉塞信息數字化傳輸技術運用研究”。主要研究如何利用光纖傳輸及編碼轉換技術來實現高效、穩(wěn)定、可靠的閉塞信息傳輸系統(tǒng)。該項目研制的DTMF over Fiber簡稱DoF半自動閉塞信息傳輸設備，以微控制器 (MCU)為核心，采用CPID、編碼調制、光電隔離電路等技術，完成對繼電器及控制臺表示燈狀態(tài)的采集，應用編碼調制技術將閉塞信息轉換為DTMF(雙音多頻)信號，并通過光纖通道發(fā)送到對端進行解碼，控制閉塞繼電器進行相應的動作。傳輸設備具有以下功能。

1.實現閉塞電路各繼電器狀態(tài)及表示燈狀態(tài)信息的采集。

2.完成閉塞信息“電壓信號→雙音多頻編碼→光纜傳輸→雙音多頻解碼→電壓信號”的轉換及傳輸。

3.實現單機網管、撥號網管2種設備管理方式，及時取得設備內所存儲的繼電器、閉塞表示燈狀態(tài)數據及故障報警數據。

4.實現光纜傳輸與原有電纜傳輸的切換功能，實現雙電源、雙采集通道、雙主控制板的冗余備份。

1 DoF半自動閉塞信息傳輸原理

1.1 繼電器信息采集

傳輸設備可采集32個點:1～26采集點用于采集13個閉塞機的繼電器狀態(tài)，每個繼電器采集2組接點信號，以增加采集的可靠性，采樣電源為動態(tài)直流12V;27～32采集點用于采集閉塞表示燈的狀態(tài)，采樣電源為交流24V。采用光電隔離技術，通過電→光→電的轉換隔離，有效地消除干擾源的進入，提高抗干擾能力。

1.2 閉塞信息編碼

系統(tǒng)通信部分采用DTMF(雙音多頻)信號傳輸方式。DTMF信號具有抗干擾能力強和傳輸距離長等特點。

如圖1所示，一個DTMF信號由2個頻率的音頻信號疊加構成。這2個音頻信號的頻率來自2組預分配的頻率組:行頻組或列頻組。每一對這樣的音頻信號組唯一表示一種閉塞信息。

圖1 雙音多頻編碼矩陣

半自動閉塞信息有7種:請求發(fā)車+信息、自動回執(zhí)－信息、同意接車+信息、通知出發(fā)+信息、到達復原－信息、取消復原－信息、故障復原－信息。每一種閉塞信息都相應賦予一組雙音頻，通過軟件產生2個正弦波疊加在一起后發(fā)送，可保證信號傳輸的安全性及有效性。

1.3 各類消息數據編碼格式

1.3.1 繼電器動作消息

格式:開始標識，2字節(jié)，固定為A1;繼電器消息類型，2字節(jié)，固定為AA，表示此消息為繼電器動作消息;繼電器動作類型，2字節(jié)，01標識繼電器吸起，02標識繼電器落下;冗余校驗位2字節(jié)，奇偶校驗位1字節(jié)，均為根據相應校驗方法計算后的結果;結束標識，2字節(jié)，固定為B1。

以上元素的定義和編碼在以下消息中通用。

1.3.2 繼電器響應消息

格式:開始標識，2字節(jié);繼電器消息類型，2字節(jié)，固定為BB;繼電器響應碼，2字節(jié)，00為執(zhí)行繼電器動作成功，01為執(zhí)行繼電器動作失敗，09為不能識別所發(fā)送信息，請求重新發(fā)送;冗余校驗位2字節(jié);奇偶校驗位1字節(jié);結束標識2字節(jié)。

1.3.3 設備間通道測試消息

格式:開始標識2字節(jié);消息類型2字節(jié)，固定為11;冗余校驗位2字節(jié);奇偶校驗位1字節(jié);結束標識2字節(jié)。

1.4 數據存儲與讀取

系統(tǒng)設計采用了大容量鐵電存儲器，鐵電存儲器能兼容RAM的一切功能，并且和ROM技術一樣，是一種非易失性的存儲器。

1.4.1 設備數據存儲方式

存儲器可以記錄一切動作過程，當狀態(tài)發(fā)生變化時進行存儲。投入使用的主機和備機均進行采集，各自獨立存儲日志文件。

日志文件格式:時間、名稱、狀態(tài)、主/備。其中，名稱指繼電器名稱或相應閉塞燈;繼電器吸起狀態(tài)記為↑，落下狀態(tài)記為↓;表示燈狀態(tài)標記為L、U、H。

1.4.2 設備數據讀取方式

1．本地數據讀取方式。在計算機內自動增加相應串口，將USB線纜插入計算機及設備兩端，通過計算機上數據處理軟件自動將設備內所存儲的采集記錄讀取出來。

2．遠程數據讀取方式。將RJ11電話線插入本設備Modem模塊上，并配置一個可呼叫的電話號碼，遠程計算機通過撥號方式呼叫該設備，與該設備建立鏈路連接，通過已制定的通信協(xié)議完成設備與計算機的通信，從而將設備內的采集數據及告警數據讀取出來。

1.5 光纜傳輸與實線傳輸的切換

在系統(tǒng)內部通過2個光通道進行數據傳輸，兩端設備每間隔5 s發(fā)送一次通道測試消息，其內容為:AF11B2FA編碼。當某通道在30 s內沒有接收到對端所發(fā)來的測試消息，則認為通路不再可用，發(fā)出通道告警，將另一正常通道作為主通道，直到該故障通道檢測正常后，報警解除。

如果人為需要在光通道與原實線通道之間進行切換，則可采用設備所配置的開關電路，將傳輸通道進行切換，系統(tǒng)根據開關信息記錄所切換的動作時間點及切換到的通路位置。

2 硬件設計

DoF半自動閉塞信息傳輸設備由通信板、檢測板、傳輸板、切換板、電源板、母板組成。

2.1 結構設計

1．采用刀片式的安裝結構，雙機熱備設計方式，具有以下特點:①便于拆裝、維護;②雙機熱備使系統(tǒng)工作更加安全、可靠;③獨立運行互不影響，內部有自協(xié)調機制;④出現故障，可做到無縫切換;⑤系統(tǒng)使用了高性能的CPU和大容量的存儲器;⑥系統(tǒng)上電啟動后，自行檢測功能開始自檢，自檢通過后，自動轉入工作狀態(tài)。

2．主機硬件接口:①與顯示板通信接口(RS-485);②掉電存儲芯片 (32KB);③輸入信號狀態(tài)指示驅動;④與調制解調器通信 (RS-232);⑤RS-232轉USB與當地電腦通信;⑥兩路雙音多頻信號轉換;⑦時鐘芯片;⑧看門狗;⑨與主板間接口 (數據地址線以及中斷)。

3．主板硬件接口:①所有輸入信號的隔離;②與外界通信的隔離 (與調制解調器通信RS-232、RS-232轉USB與當地電腦通信);③主備光通道自動切換;④供電電源轉換。

4．顯示板硬件接口:①12864液晶驅動;②鍵盤掃描;③與2臺主機通信(RS-485);④看門狗。

DoF半自動閉塞信息傳輸設備硬件框圖見圖2、圖3。

2.2 異常處理

1．為了防止死機現象的出現，系統(tǒng)采用了看門狗技術，看門狗電路是嵌入式系統(tǒng)需要的抗干擾措施之一，是自行監(jiān)測系統(tǒng)運行的重要保證。

圖2 主機內部接口框圖

圖3 主板外部接口框圖

2．采用了雙通道通信方式，數據傳輸過程中系統(tǒng)自行選擇通信質量好的通道。系統(tǒng)實時檢測通道的通信質量，發(fā)現問題，及時報警。設置本地報警和遠傳報警指示。本地報警指在設備本身指示燈報警，當報警超過3 min(該參數可設置)時，報警取消。遠傳報警指設備輸出24V電源，遠端接聲光等報警設備，該報警一直保持，直到有操作人員到設備面板上按復位鍵。報警信息寫入報警日志文件。報警碼通過LCD顯示并可由遠程撥號或USB接口讀取報警日志文件。為避免報警文件過多，可采用頂進頂出的原則。報警內容:光通道故障報警、主備機故障轉換報警、繼電器接點采集不同步報警。

3 軟件設計

傳輸設備上電啟動后，單片機軟件開始工作，對各種參數進行初始化。初始化完畢后進入自檢狀態(tài)，自檢通過后進入正常的工作狀態(tài)。在工作過程中，要進行主、備機協(xié)調工作、記錄繼電器的狀態(tài)、遠程通信、本地鍵盤處理、報警處理、本地通信等。軟件主要包括以下幾個功能模塊:主機部分、鍵盤部分、繼電器狀態(tài)檢測部分等。詳見圖4、圖5、圖6。

圖6 鍵盤主要處理流程圖

4 DoF半自動閉塞信息傳輸設備特點

1．原閉塞信息是用正負2種信息，通過時間先后區(qū)分為7種不同意義的信息。本傳輸設備則對每一種閉塞信息都賦予了不同的雙音多頻碼，更有利于保證邏輯性和可靠性。

2．采用了光電隔離技術對繼電器信號進行采集，避免了信號采集過程的干擾，保證了采集狀態(tài)的準確性。

3．傳輸設備冗余設計。電源系統(tǒng)、采集接點位置、工作主控板、編碼傳輸通路等，都采用了冗余備份措施，保證系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運行。

4．遠程管理易于維護。傳輸設備除可在設備端進行管理外，還可通過遠程撥號方式進行接入，便于工作人員遠程對繼電器狀態(tài)的采集和系統(tǒng)故障的查詢。

5．傳輸通道采用64 kb/s音頻通道，可自動測試通道。

5 結束語

我國多數站間已經具備光纖傳輸通道，將閉塞信號轉換為DTMF信號，通過光纖進行點對點傳輸，在網絡層面保證了傳輸信號的可靠性，在業(yè)務層面保證了信號傳輸的質量要求，消除了傳統(tǒng)電纜傳輸的損耗大、易受干擾的缺點。傳輸設備的設計、研發(fā)，以高可靠性、安全性及對未來傳輸技術的擴展性為指導，現場應用效果表明，該系統(tǒng)滿足半自動閉塞系統(tǒng)的功能和安全性要求，工作穩(wěn)定可靠，具有較好的應用前景。