雙音多頻技術(shù)在半自動(dòng)閉塞中的應(yīng)用

楊 進(jìn)，楊 城

（1. 南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 通信信號(hào)學(xué)院，南京 210035；2.南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司 通號(hào)中心，南京 210012）

雙音多頻技術(shù)在半自動(dòng)閉塞中的應(yīng)用

楊 進(jìn)1，楊 城2

（1. 南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 通信信號(hào)學(xué)院，南京 210035；2.南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司 通號(hào)中心，南京 210012）

64D半自動(dòng)閉塞設(shè)備應(yīng)用于鐵路多年，已經(jīng)暴露出很多問(wèn)題。依據(jù)鐵路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了一種基于雙音多頻通信技術(shù)的電子式閉塞機(jī)，用以取代原有繼電器組合，處理電路由雙單片機(jī)構(gòu)成熱備冗余，著重介紹了設(shè)計(jì)的可靠性，并給出了軟件流程圖。該設(shè)計(jì)基于單片機(jī)冗余技術(shù)，可靠性高，便于維護(hù)。

半自動(dòng)閉塞；單片機(jī)；雙音多頻技術(shù)；可靠性

我國(guó)目前仍有上萬(wàn)公里的鐵路配置了半自動(dòng)閉塞設(shè)備，每站的64D半自動(dòng)閉塞系統(tǒng)由閉塞機(jī)、閉塞用軌道電路、站間電纜、閉塞電源以及操作表示設(shè)備組成[1]。鐵路技術(shù)發(fā)展到今天，64D半自動(dòng)閉塞設(shè)備的缺點(diǎn)也逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。繼電器組合架配線復(fù)雜，不利于電務(wù)人員維護(hù)，站間通信逐漸采用的光纖使原有的通信電纜改造具有成本高、不易維護(hù)的缺點(diǎn)，無(wú)疑增加了設(shè)備的故障點(diǎn)，降低可靠性[2]。

本文設(shè)計(jì)了一種使用雙音多頻通信技術(shù)的64D半自動(dòng)閉塞電子化改造方案，處理核心為STC單片機(jī)，熱備冗余配置，符合“故障—安全”原則，所采用的雙音多頻通信技術(shù)（DTMF）抗干擾能力強(qiáng)，雙音信號(hào)由電話局交換機(jī)傳輸，大大簡(jiǎn)化了設(shè)備，提高可靠性。

1 64D工作原理

64D半自動(dòng)閉塞車站之間共傳輸7種信號(hào)，包括請(qǐng)求發(fā)車信號(hào)+、自動(dòng)回執(zhí)信號(hào)-、同意接車信號(hào)+、列車出發(fā)信號(hào)+、到達(dá)復(fù)原信號(hào)-、取消復(fù)原信號(hào)-、事故復(fù)原信號(hào)-。圖1為車站之間信號(hào)傳輸圖，標(biāo)出了兩車站正常辦理閉塞業(yè)務(wù)信號(hào)的傳輸流程。

圖1 車站之間信號(hào)傳輸圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用國(guó)產(chǎn)工業(yè)STC單片機(jī)作為處理器，雙機(jī)熱備，可代替原有組合架，完成閉塞運(yùn)算，對(duì)聯(lián)鎖機(jī)使用“0”和“1”電平，表示繼電器的落下和吸起狀態(tài)，兼容原有電路接口，所設(shè)計(jì)的表示電路，用于提示和報(bào)警。通信電路核心采用CM8880芯片，能夠和電話交換機(jī)接口，完成站間遠(yuǎn)程通信。

2.1 處理電路

處理電路如圖2所示。采用兩片STC12C5-A60S2單片機(jī)，組成雙機(jī)熱備結(jié)構(gòu)。在系統(tǒng)最佳狀態(tài)下，兩片處理器同時(shí)上電，主機(jī)可以對(duì)系統(tǒng)控制，完成通信和閉塞運(yùn)算，同時(shí)向聯(lián)鎖機(jī)發(fā)送區(qū)間狀態(tài)。備機(jī)用于同步，僅僅對(duì)主機(jī)RAM數(shù)據(jù)備份。冗余的RS232通道用于單片機(jī)之間的通信，備機(jī)可以在主機(jī)故障情況下，請(qǐng)求自檢，一旦確認(rèn)主機(jī)故障，備機(jī)將倒機(jī)為主機(jī)并隔離故障計(jì)算機(jī)[4～7]。

圖2 處理電路圖

處理器板卡被固定在繼電器罩中，如圖3所示，方便維護(hù)和使用。U1、U2為74LS07用于抑制接口的感應(yīng)電壓，U3為單片機(jī)，U4為MAX232，提供2條通信線路，一個(gè)軟件周期內(nèi)，備機(jī)未檢測(cè)到一定數(shù)目的心跳脈沖，可自動(dòng)請(qǐng)求備用線路，以避免因線路故障而引發(fā)的錯(cuò)誤倒機(jī)，U5為WatchDog，采用MAX706，U6為74LS07。J1為繼電器座，用于處理器和通信芯片的連接，J2口連接相鄰單片機(jī)，J3用于連接控制臺(tái)上的語(yǔ)音芯片ISD1730，J4口接操作按鈕、指示燈和聯(lián)鎖機(jī)。

2.2 通信電路

DTMF編碼表如表1所示。通信電路以CM8880為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，可雙向通信。DTMF技術(shù)，原本為電話撥號(hào)電路設(shè)計(jì)，每個(gè)號(hào)碼鍵值由2個(gè)模擬信號(hào)合成[8]，在電磁環(huán)境復(fù)雜的場(chǎng)合具有高的可靠性，編程時(shí)，不同的DTMF信號(hào)代表不同的閉塞信號(hào)。通信電路如圖4所示。

表1 DTMF編碼表

X1和X2為外線，并聯(lián)于兩線之間的壓敏電阻用于浪涌防護(hù)。內(nèi)側(cè)為極性保護(hù)電路和發(fā)送放大電路，CM8880的PIN2（IN-）腳為雙音信號(hào)輸入端。外接的晶體提供3.58 M時(shí)鐘源，也是高群和低群8種頻率的來(lái)源，PIN8（TONE）用于DTMF信號(hào)的輸出，CM8880的9根線經(jīng)過(guò)J1引出和單片機(jī)相連。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件為模塊化設(shè)計(jì)，子程序可在一定條件下被調(diào)用，也可以為主程序提供返回值。主要的子程序包含硬件復(fù)位程序、雙音通信程序、雙機(jī)冗余處理程序和閉塞處理程序，雙機(jī)冗余處理程序流程如圖5所示。

雙機(jī)冗余處理程序是本次設(shè)計(jì)的重要程序，符合“故障—安全”原則，程序在已有硬件基礎(chǔ)上，可以最大程度保證系統(tǒng)故障時(shí)倒向安全側(cè)，不會(huì)危及行車安全和設(shè)備安全。

雙機(jī)冗余處理程序基于帶有比較的雙機(jī)熱備方式，每次處理器運(yùn)行，備機(jī)都需要比較主機(jī)輸出結(jié)果，如果相同，備機(jī)同步主機(jī)數(shù)據(jù)，接下來(lái)的一致性標(biāo)志位檢查如果通過(guò)，則結(jié)果正常輸出，否則進(jìn)入自檢程序。如果備機(jī)比較主機(jī)輸出結(jié)果不同，雙機(jī)同時(shí)自檢，通過(guò)自檢的硬件系統(tǒng)主控閉塞機(jī)，如果同時(shí)故障，系統(tǒng)停止，鎖定輸出在安全側(cè)，用于保證列車和設(shè)備的安全[9～10]。

圖3 處理電器板卡圖

圖4 通信電路圖

3 結(jié)束語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)64D閉塞設(shè)備電子化的改造，降低投資和維護(hù)成本，介紹一種以STC單片機(jī)雙機(jī)熱備結(jié)構(gòu)和DTMF技術(shù)為核心的改造方案，超大規(guī)模集成電路代替配線復(fù)雜的繼電器電路，簡(jiǎn)化閉塞設(shè)備，可減少設(shè)備故障點(diǎn)和維護(hù)工作量，提高設(shè)備可靠性。目前該裝置已應(yīng)用于某高校的運(yùn)輸專業(yè)實(shí)訓(xùn)室，系統(tǒng)運(yùn)行一年來(lái)，穩(wěn)定可靠，大幅度地減少了工程造價(jià)和施工難度。同時(shí)該系統(tǒng)對(duì)鐵路現(xiàn)場(chǎng)64D半自動(dòng)閉塞電子化設(shè)備開(kāi)發(fā)也有一定借鑒意義。

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責(zé)任編輯 方 圓

Dual tone multi frequency technique in Semi-automatic Block System

YANG Jin1, YANG Cheng2
( 1.School of Communication & Signals, Nanjing Institute of Railway Technology, Nanjing 210035, China; 2. Centre of Communication and Signal, Nanjing Metro Co., LTD, Nanjing 210012, China )

64D semi automatic block equipment has been used in railway for many years, the system has exposed a lot of problems. According to railway standards, an electronic type block machine based on dual tone multi frequency communication technology was designed. It could be used to replace the original relays. The processing circuit constituted by a double hot standby redundancy. This paper introduced the reliability of design, and the software fl ow chart. The design was based on the single chip microcomputer redundancy technology, it was with high reliability and easy to maintenance.

semi automatic block; single chip microcomputer; dual tone multiple frequency technology; reliability

U284.2∶TP39

A

1005-8451（2014）12-0040-03

2014-06-16

江蘇省軌道交通控制工程技術(shù)研究中心開(kāi)放基金項(xiàng)目（KFJ20120206003）。

楊 進(jìn) ，講師；楊 城，中級(jí)工。