基于電力載波的智能鐵路信號點燈系統(tǒng)

摘要：介紹了基于電力載波智能點燈系統(tǒng)的設(shè)計由來和系統(tǒng)方案，并簡要說明了其電氣結(jié)構(gòu)，工作原理、技術(shù)特點及應(yīng)用效果。系統(tǒng)利用電力線作為通信媒介，由硬件電路、單片機接口電路和其它接口電路組成。采用輪詢應(yīng)答和載波偵聽的主從通信方式，可實現(xiàn)對多個節(jié)點的實時集中監(jiān)控。
關(guān)鍵詞：信號；載波偵聽；智能；電力載波通信

電力線載波通信是利用電力線作為信息傳輸媒介進行語音通信或數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N特殊通信方式，電力線載波通信技術(shù)已在許多國家和地區(qū)得到應(yīng)用，它直接運用現(xiàn)有的電網(wǎng)線路，不需要額外鋪設(shè)電纜，又不占用寶貴的無線頻譜資源，因此得到不斷的發(fā)展，其廣泛應(yīng)用于自動抄表系統(tǒng)、智能家居擰制、智能樓寧控制、交通信號燈控制等領(lǐng)域。
智能鐵路信號點燈系統(tǒng)是鐵路行車信號的燈絲自動轉(zhuǎn)換裝置，是保證鐵路行車安全的重要信號器材，是集交流點燈、燈絲轉(zhuǎn)換、故障定位報警為一體的多功能智能點燈系統(tǒng)。目前我國鐵路市場巾現(xiàn)有的智能點燈系統(tǒng)主要是以利用繼電器接點通過報警線傳輸信息，這種方式存在兩個以上現(xiàn)場點燈單元同時故障，就不能準確的定位出故障燈的具體位置，為了解決上述問題，借鑒電力線載波通信的特點，我們提出了基于電力線載波的智能鐵路信號點燈系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用電力線載波通信技術(shù)，以車站的監(jiān)測主機為核心構(gòu)成主從式通信網(wǎng)絡(luò)方案，實現(xiàn)鐵路交通信號燈系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的傳送。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計
電力載波智能鐵路信號點燈系統(tǒng)由室外點燈單元和室內(nèi)集中監(jiān)測總機構(gòu)成，室外點燈單元通過專用繼電器切換主燈絲和副燈絲，檢測電路通過檢測繼電器接點的狀態(tài)來檢測主燈絲和副燈絲的工作狀態(tài)，并將主燈絲和副燈絲的工作狀態(tài)信息提供給室外點燈單元的處理器，現(xiàn)場點燈單元的處理器通過調(diào)制電路將燈絲工作狀態(tài)信息發(fā)送到電力線上，再通過電力線傳送到室內(nèi)集中監(jiān)測總機，實現(xiàn)集中報警和故障定位。

2 系統(tǒng)原理設(shè)計
室外點燈單元：由變壓器和繼電器構(gòu)成電源系統(tǒng)，是提供鐵路信號燈的交流電源，由電力載波模塊、單片機STM8S103和檢測電路構(gòu)成監(jiān)測系統(tǒng)是監(jiān)測鐵路信號燈工作狀態(tài)。主電路與檢測電路相互隔離，只通過光電信息交換，使主電路不受其它因素的影響，最大限度的確保了主電路的安全性。
室內(nèi)集中監(jiān)測總機：主要由電力載波模塊、單片機STM32F、液晶顯示、按鍵接口和上傳通信電路構(gòu)成監(jiān)測系統(tǒng)。其網(wǎng)絡(luò)電氣結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示。

由于鐵路行業(yè)標準要求主電路與檢測電路的電源不能混用，所以監(jiān)測總機還具有通過一對電纜芯線對現(xiàn)場所有監(jiān)測節(jié)點提供電源并在電源線上傳輸信息的功能。監(jiān)測總機通過變壓器先使AC220V變?yōu)锳C50V，再通過熱敏電阻防止沖擊電流后，經(jīng)整流橋濾波后輸出，為保證可靠性，本設(shè)計采用兩路電源直流并機輸出，如圖5所示。

3 軟件設(shè)計
監(jiān)測總機和現(xiàn)場點燈單元各自運行程序，軟件設(shè)計均采用模塊化，整個程序包括初始化、主從通信、數(shù)據(jù)收發(fā)處理、按鍵及I／O口，液晶顯示、CAN總線上傳通信等程序模塊。設(shè)計內(nèi)容較多，下面主要介紹主從通信設(shè)計。
由于電力線載波通信的應(yīng)用中大多是半雙工通信，主從通信只能采用輪詢應(yīng)答方式，即主節(jié)點依次向各從節(jié)點發(fā)送查詢命令幀，目標節(jié)點接收到后發(fā)送應(yīng)答幀，主節(jié)點必須接收到該應(yīng)答，才能向下一個節(jié)點發(fā)送查詢。如果從節(jié)點較多，則耗時較長，影響實時性。本設(shè)計除了采用輪詢應(yīng)答方式外，還增加了載波偵聽方式，可以提高信道的利用率。具體辦法是所有節(jié)點向電力線上發(fā)送數(shù)據(jù)前，先執(zhí)行載波偵聽算法：檢測PD狀態(tài)，若PD=0，則先不立即發(fā)送數(shù)據(jù)，而延時一定時間，再檢測PD狀態(tài)，若為低電平，此時才啟動發(fā)送；若PD=1，則連續(xù)監(jiān)測PD狀態(tài)，直到轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖胶蟛胚M入延時階段；若同時有多個節(jié)點企圖發(fā)送信息，延時最短的節(jié)點可以最優(yōu)先發(fā)送信息，其他延時稍長的節(jié)點在延時結(jié)束后，便會發(fā)現(xiàn)PD已經(jīng)是高電平了，信道被占用，需要等待下一次發(fā)送機會；若現(xiàn)場點燈單元在非查詢期間有報警產(chǎn)生，仍可優(yōu)先獲得通道，向電力線發(fā)送報警信息，從而提高系統(tǒng)的突發(fā)響應(yīng)時間。相關(guān)程序流程圖如圖6所示。

4 結(jié)束語
以輪詢應(yīng)答和載波偵聽相結(jié)合的方式是電力載波通信技術(shù)應(yīng)用在實時性要求較高的領(lǐng)域提供了有效解決方案。介紹了電力載波智能點燈系統(tǒng)，以電力線為傳輸介質(zhì)，可以實現(xiàn)鐵路信號燈的實時集中監(jiān)控，在實際運行中，集中報警和現(xiàn)場點燈單元的有效通信距離達到了1 200 m，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，響應(yīng)迅速。