基于STC单片机的铁路信号半自动闭塞光缆传输器

侯江涛

（西安铁路局西安电务器材厂 陕西 西安 710054）

半自动闭塞铁路线在我国大量存在，而用于两个车站之间接-发列车的闭塞信息有正负脉冲2种信息来完成，传输闭塞信息的传输介质为架空明线或光缆。由于明线或者电缆故障而导致铁路运输中断的现象时有发生，并且一旦明线或者电缆故障后恢复起来较为复杂，通常情况下，恢复的时间在6～10 h左右，这也大大降低了区间半自动闭塞的单线铁路的运输能力。并且随着技术进步及新科技的广泛应用，光缆的应用越来越普遍，大多数铁路车站之间的传输通道已经实现了光纤传输。

信号半自动闭塞光缆传输器用于64D单线半自动闭塞的区间信号传输，其作用是代替原有的电缆或者明线传输，将原有的模拟信号转变为数字信号进行传输，可以实现传输通道的冗余备份，对传输通道进行实时监测，如果主通道发生故障，切换至备用通道，并且可发出报警，亦可将设备的工作状态上传给微机监测等上位工作站。

1 系统功能要求及结构

由于两个车站之间的距离不同，发送电压也不同，其电压范围从40～120 V不等，个别车站可能更高。QCGB信号半自动闭塞光缆传输器的主要功能就是将发送端（甲站）的电压采集后，转换为相应的数字信号通过光缆通道传输至接收端（乙站），并复原为电压信号。根据功能要求及安全性要求，光缆传输器主要由以下几个功能模块构成：输入输出接口单元、电源单元、控制单元、通信单元。基于铁路信号的安全性和可靠性方面的考虑，系统需要完成以下几个方面的特殊功能：

1）控制模块和通信模块均采用“1+1”的备用模式，且控制单元与通信单元之间采用交叉备用的方式进行配置；

2）控制单元采用双CPU进行信号采集；

3）传输通道需冗余备份；

4）输出采用安全与门电路，符合故障导向安全原则；

5）可将本机的工作状态及报警信息上传给上位机进行显示。

根据以上功能，系统组成框图如图1所示。

图1 系统结构示意图Fig.1 Structure diagram of system

2 系统硬件设计

在系统的硬件设计中，电源部分采用AC/DC模块电源完成单片机及逆变电路所需的DC12V、DC5V电源及通讯所需的DC5V隔离电源。通信单元采用北京公司生产的双RS232串口转E1通道的通信模块，但是2路RS232通道为切换式工作。在控制单元中，考虑到要用到双串口实现2路传输通道的冗余备份和逆变输出驱动电源，因此选用STC12C5A60S2单片机[1]作为主控单元的控制芯片。

2.1 STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机简介

STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250 k/s），针对电机控制，强干扰场合。

该芯片具有以下特点：

1）增强型 8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051；

2）工作电压：STC12C5A60S2 系列工作电压：5.5～3.3 V（5 V 单片机）STC12LE5A60S2 系列工作电压：3.6～2.2 V（3 V单片机）；

3）工作频率范围：0～35 MHz，相当于普通 8051的0～420 MHz；

4）用户应用程序空间8k/16k/20k/32k/40k/48k/52k/60k/62k字节；

5）片上集成1 280字节RAM；6）通用 I/O 口（36/40/44 个）；

7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；

8）具有 PWM（2路）/PCA（可编程计数器阵列，2路）功能，方便方波输出；

9）共4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器；

10）具有双串口功能，可满足该系统中2路通信通道的要求。

2.2 特殊功能要求的电路实现2.2.1 交叉备用冗余电路

主控芯片STC12C5A60S2有UART0和UART1两个串口，通信单元有S1和 S2两个RS232输入接口[3]，如图 2所示：将控制单元1的通道1和通道2分别连接到通信单元1和通信单元2的串口1，将控制单元2的通道1和通道2分别连接到通信单元1和通信单元2的串口2，这样就实现了控制单元和通信单元的交叉备用，即在只有一个控制单元和一个通信单元的情况下，系统仍能正常工作。

2.2.2 安全与门电路

图2 交叉备用电路示意图Fig.2 Structure diagram of Cross-standby circuit

该设备的输出为DC24 V电源，驱动现场的ZXJ或者FXJ继电器[2]，为了防止电子产品故障而引起的错误输出，输出部分采用了安全与门电路。对于数字电路来讲，当发生故障时一般表现出固定的高电平1或者固定的低电平0，为了提高整个系统的安全性，把正常的方波信号作为正常的工作信号，2路CPU正常工作时分别产生各自的方波信号，通过安全与门产生一个直流电压驱动继电器。如果任何一路方波电路中有元器件故障而没有方波信号，就不会产生直流电压。这就保证了输出的直流电压不会是错误输出。电路原理图如图3所示。

图3 安全与门电路原理图Fig.3 Schematic diagram of safety AND-gate circuit

3 软件设计

本系统的软件设计[4]使用的是编程较为直观的C语言，开发平台使用的是keil uvision4集成开发环境。根据系统功能要求，软件设计可分为采集、通信以及驱动几个部分实现，分别介绍如下：

1）通信

通信部分主要完成2个车站之间的数据交换以及对通信通道的检测，通信有2个通道冗余备份，每250 ms通信一次；

2）采集

采集部分主要完成对现场正负脉冲电压信号的采集，并用单片机的外部中断0（INT0）和外部中断 1（INT1）作为单片机的输入，当单片机有中断输入时启动中断响应程序，将代表正脉冲或者负脉冲的数字信号发送至对方车站；

3）驱动

驱动部分主要是将收到的数字信号还原为脉冲电压，根据不同的脉冲，输出不同极性的脉冲。驱动部分的程序框图如图4所示。

4 结束语

图4 驱动部分程序流程图Fig.4 Flow chart of drive part

基于STC12C5A60S2单片机的铁路信号半自动闭塞光缆传输器[7]经过反复试验、测试，工作稳定，通信可靠，满足故障导向安全的原则，并且通过了铁道部组织的常温、高低温、恒定湿热、电磁兼容、软件测试、专家评估等测试，成为解决半自动闭塞区间电缆故障的设备。

[1]STC12C5A60S2系列单片机器件手册 [EB/OL].2011.http://www.stcmcu.com.

[2]董昱.区间信号与列车运行控制系统[M].北京：中国铁道出版社，2008.

[3]铁道部运基信号2010[37]号《基于光通信的站间安全信息传输系统应用基础条件（暂行）》[S].2010.

[4]郭天祥.新概念51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社，2009.

[5]郝苗宇.半自动闭塞通道替代方案探讨[J].铁道通信信号，2011（11）:72.HAOMiao-yu.Alternative channel solutions of semi-automatic block[J].Railway Signalling&Communication，2011（11）:72.

[6]杨昭军，徐洪泽，岳强.基于光纤通信的半自动闭塞系统[J].铁道通信信号，2007（11）:21-23.YANG Zhao-jun，XU Hong-ze，YUE Qiang.Semi-automatic block system based on optical fiber communication[J].Railway Signalling&Communication，2007（11）:21-23.

[7]张华钧，高丽，史延东.基于虚拟仪器技术的光伏双轴跟踪监测系统研究[J].工业仪表与自动化装置，2011（5）：50-54.ZHANGHua-jun，GAO Li，SHI Yan-dong.Research of photovoltaic double axes tracking monitoring system based on the virtual instrument technology[J].Industrial Instrumentation&Automation，2011（5）：50-54.