鐵路彎道接近告警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李垚，毛起帆，唐學(xué)智，李海豐

（天津商業(yè)大學(xué)，天津 300134）

1 引言

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

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)電路由供電電源、信息處理控制模塊和定壓功放三部分構(gòu)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(jìn)入信號以及控制電路三部分。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)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(tǒng)從MIC采集到所要錄制的語音信號，經(jīng)圖2（a）中電路進(jìn)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(jī)控制下將語音信號存入相應(yīng)地址，當(dāng)檢測到有來車信息時(shí)，語音芯片調(diào)取相應(yīng)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(jīng)過放大后，在APOUT處，將信號接入功放電路中進(jìn)行告警，也可通過耳機(jī)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(yōu)質(zhì)單片錄放音電路，不需經(jīng)過A/D、D/A轉(zhuǎn)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(fā)工具；芯片內(nèi)部集成了大容量的EEPROM，不再需要擴(kuò)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(xiàn)語音的自然效果，減小量化噪聲和失真現(xiàn)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(jī)進(jìn)行通信。因此，該告警系統(tǒng)選用ISD4002語音芯片來完成語音信號的存儲和調(diào)用。

2.1.2 列車進(jìn)入信號

列車進(jìn)入信號為來源于鐵路系統(tǒng)的開關(guān)信號，經(jīng)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(jī)。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(tǒng)的抗干擾性能，同時(shí)具有保護(hù)控制電路的作用。

圖3 數(shù)字信號控制模塊

2.1.3 控制電路

單片機(jī)接收到列車進(jìn)入信號之后開始工作，通過圖4（b）中光電隔離器控制開關(guān)K1接通定壓功放的交流電源，同時(shí)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(yīng)路徑調(diào)取已經(jīng)錄制好的語音信號，經(jīng)過圖1（c）初級放大后將語音信號送入定壓功放進(jìn)行放大，將語音文件播放出來，從而實(shí)現(xiàn)語音告警。

圖4 單片機(jī)模塊

2.2 系統(tǒng)供電

供電電源來自220V市電，通過轉(zhuǎn)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(guān)K1控制。

2.3 功放電路

由于該系統(tǒng)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(biāo)120W設(shè)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(dá)到500m。

3 操作流程

當(dāng)系統(tǒng)開始工作時(shí)，先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化、關(guān)閉中斷，然后判斷其工作狀態(tài)，若需要進(jìn)行錄音，則將撥碼開關(guān)撥到錄音側(cè)，然后通過控制與單片機(jī)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(yīng)存儲路徑中，完成錄制后還可進(jìn)行試聽，確保錄制的語音信號無誤；若已經(jīng)完成錄音，則將撥碼開關(guān)撥到運(yùn)行側(cè)，等待從單片機(jī)傳來的來車信息，當(dāng)收到來車信息后，播報(bào)相應(yīng)的語音提示信息。

圖5 錄音及運(yùn)行流程框圖

4 系統(tǒng)應(yīng)用

為保證系統(tǒng)在鐵路現(xiàn)場復(fù)雜電氣環(huán)境使用的可靠性，系統(tǒng)采取抗干擾設(shè)計(jì)；考慮到信號線路長達(dá)數(shù)千米且布設(shè)于郊外空曠處，為防止雷擊和線路損害等突發(fā)性破壞，系統(tǒng)額外增加了電路保護(hù)設(shè)計(jì)和損害告警觸發(fā)機(jī)制，方便故障排查和檢修。

鐵路彎道接近報(bào)警系統(tǒng)樣機(jī)完成后，經(jīng)鐵路電務(wù)部門施工現(xiàn)場試用，效果明顯，無錯(cuò)報(bào)漏報(bào)，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(jìn)度，節(jié)省了大量資源。