基于MAX2990的鐵路道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁向榮

摘 要：采用基于正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)的電力線通信（PLC）調(diào)制解調(diào)器和微控制器MAX2990，設(shè)計(jì)了一種鐵路道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。以現(xiàn)有的電力線為傳輸通道，該系統(tǒng)可對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)備工作狀況、特性參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以保證轉(zhuǎn)轍機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)報(bào)警和處理。試驗(yàn)結(jié)果表明， 該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力和較快的響應(yīng)速度，具有很高的實(shí)用價(jià)值和推廣意義。

關(guān)鍵詞：正交頻分復(fù)用 電力線通信 道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)

中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：

0.引言

在鐵路車站中，需要被監(jiān)測(cè)的轉(zhuǎn)轍機(jī)與通訊主機(jī)的距離遠(yuǎn)近不一，并且數(shù)量多、分布無規(guī)律，新建車站可以鋪設(shè)光纜或雙絞線，而現(xiàn)有車站內(nèi)只能利用既有信號(hào)電纜或電力線，并且現(xiàn)有的可用電纜有限，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠傳輸存在較大難度。通過電力線通信方式進(jìn)行信息傳輸，避免重新鋪設(shè)線纜，破壞已有結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安裝的方便性?；贠FDM的電力線通信技術(shù)無論在介質(zhì)資源、速度和穩(wěn)定性等方面都具有先天優(yōu)勢(shì)。MAX2990采用具有DBPSK調(diào)制和前向糾錯(cuò)（FEC）功能的OFDM技術(shù)及CRC16和CRC32的數(shù)據(jù)校驗(yàn)技術(shù)， 所以能夠在存在窄帶干擾、群延遲、信號(hào)阻塞、脈沖噪聲和選頻衰減等干擾的情況下進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)通信。

基于MAX2990的鐵路道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以現(xiàn)有的電力線為傳輸通道， 可對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)備工作狀況、特性參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明， 該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力和較快的響應(yīng)速度，具有很高的實(shí)用價(jià)值和推廣意義。

1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要包括（傳感器檢測(cè)模塊）、分機(jī)、電力傳輸線路、分線盒、通訊主機(jī)和工控機(jī)等。一組或多組道岔共用一臺(tái)分機(jī)，為滿足車站電氣集中控制室同時(shí)監(jiān)測(cè)多臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)的要求，通訊主機(jī)采用輪詢應(yīng)答和載波偵聽的方式，實(shí)現(xiàn)與多臺(tái)分機(jī)通信。系統(tǒng)的工作流程如下：分機(jī)測(cè)得電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)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(hào)，由MAX2990處理后通過電力線載波傳輸?shù)酵ㄐ胖鳈C(jī)，通訊主機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行集中預(yù)處理，而后經(jīng)CAN卡將數(shù)據(jù)送入工控機(jī)，由工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警和存儲(chǔ)等功能。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分為分機(jī)和通訊主機(jī)設(shè)計(jì)， 1臺(tái)通訊主機(jī)可以實(shí)現(xiàn)與4臺(tái)分機(jī)通信。

2.1 分機(jī)模塊設(shè)計(jì)

分機(jī)模塊以MAX2990為核心，包含電源管理電路、傳感器檢測(cè)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(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的電源處理；（傳感模塊主要是檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，）傳感器設(shè)置在道岔軌旁，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)道岔狀態(tài)變化，同時(shí)實(shí)時(shí)將道岔狀態(tài)變化以直流電流模擬量（0一20mA）方式傳送給分機(jī)；模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；MAX2990用于接收數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行預(yù)處理；通過接口單元，操作人員可以設(shè)置分機(jī)的物理地址（4字節(jié)）；電力線耦合電路將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息耦合到電力線上并傳送。

2.1.1 MAX2990模塊設(shè)計(jì)

MAX2990在單個(gè)芯片內(nèi)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(nèi)有32kB閃存， 用于運(yùn)行MAC編碼和用戶定義的應(yīng)用軟件，還帶有8kB SRAM用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。另外，MAX2990支持通過UART、SPI和I2C等串行接口與電力線和網(wǎng)絡(luò)上的其它設(shè)備進(jìn)行通信。

發(fā)送時(shí)，經(jīng)MAX2990處理的數(shù)字信號(hào)由模擬前端芯片MAX2991進(jìn)行DAC變換成模擬信號(hào)， 經(jīng)電力線耦合電路將信號(hào)送上電力線， 完成信號(hào)的發(fā)送；接收時(shí)，電力線上的信號(hào)先通過低通濾波器濾波后，經(jīng)模擬前端芯片MAX2991送到MAX2990進(jìn)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(tǒng)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(jī)和分機(jī)通信采用輪詢應(yīng)答方式，即主機(jī)依次向各分機(jī)發(fā)送查詢命令幀，目標(biāo)分機(jī)接收到后發(fā)送應(yīng)答幀，主機(jī)必須接收到該應(yīng)答，才能繼續(xù)向下一個(gè)分機(jī)發(fā)送查詢命令。MAX2990的CSMA/CA 通道訪問仲裁和自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求（ARQ）功能保證了可靠的數(shù)據(jù)包發(fā)送和接收。MAX2990的應(yīng)答機(jī)制和重發(fā)機(jī)制以及三重校驗(yàn)機(jī)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(shè)計(jì)

MAX2990實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)的數(shù)字化調(diào)制和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議， 但要實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)換接口， 主要功能是：將MAX2990輸出的數(shù)字化信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)送給電力線路、將電力線路上的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送給MAX2990、對(duì)來自電力線路上的模擬信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)增益放大控制、實(shí)現(xiàn)可編程的低通和高通數(shù)字化濾波。MAX2991模塊電路圖如圖3所示。

2.2 通訊主機(jī)電路設(shè)計(jì)

通訊主機(jī)主要包含電源管理單元電路、LCD顯示單元、聲光報(bào)警單元、CAN接口電路。電源管理單元負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的電源處理，用戶可以通過按鍵對(duì)室內(nèi)機(jī)操作；電力線載波模塊可以將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息與電力線信道匹配并傳送；CAN接口模塊可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接入。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和加工、數(shù)據(jù)顯示給用戶三個(gè)環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)由分機(jī)完成，數(shù)據(jù)分析和加工環(huán)節(jié)由通訊主機(jī)完成，而工控機(jī)負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)顯示環(huán)節(jié)。

分機(jī)從傳感器獲取原始采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行基本的加工處理，通過電力線將其發(fā)送給通訊主機(jī)，通訊主機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和分析，并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，供查詢和進(jìn)一步的分析。如果測(cè)量值超過了預(yù)先設(shè)置的閾值，通訊主機(jī)將產(chǎn)生一個(gè)報(bào)警信息，并立即在工控機(jī)上以聲、光和文字方式提示，產(chǎn)生警告信息。

對(duì)于分機(jī)和通訊主機(jī)的應(yīng)用軟件，均劃分為以下3層：

接口與通信層：負(fù)責(zé)與外部接口和通信的具體實(shí)施，傳感器數(shù)據(jù)接收等。

數(shù)據(jù)交換與緩沖層：完成接口通信層與邏輯處理層之間的數(shù)據(jù)交換，并為輸入和輸出的數(shù)據(jù)提供內(nèi)部緩沖。

邏輯處理層：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和加工。

4.結(jié)束語(yǔ)

基于MAX2990的鐵路道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用電力載波通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)數(shù)據(jù)與室外轉(zhuǎn)轍機(jī)工作電源的共線傳輸，從而降低了系統(tǒng)的通信成本和施工難度；由于MAX2990采用OFDM技術(shù)及CRC16和CRC32數(shù)據(jù)校驗(yàn)技術(shù)，保障了檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。該系統(tǒng)以車站集中控制室的通訊主機(jī)為核心構(gòu)成主從式通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)備工作狀況、特性參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以保證電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)得到及時(shí)的報(bào)警和處理。在實(shí)際運(yùn)行中，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力、較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。

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