面向铁路异构监测数据的光电混合接入系统

徐余明，石先明，刘利平，胡祖翰，黄智杰，罗 斌

（1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063；2.西南交通大学信息科学与技术学院，成都 611756）

1 概述

开发统一强大的智能运维管理系统成为轨道交通领域重点关注的问题[1-3]，而底层基础数据的统一高效收集，是支撑智能运维管理系统的基础。对于不同类型的监测数据，可以采取不同的接入传输方式，例如专用视频监控系统通常基于TCP/IP 进行接入[4-5]。同时也存在另外一些类型的传感监测数据，其监测点数量较多且分散，但单一监测点要求的数据传输带宽并不大，业界通常采用工业总线技术来进行采集传输管理[6-7]。对这一类传感监测数据统一高效收集管理时，可能会遇到以下两个方面的困难。第一，不同厂商通常会遵从工业界硬件接口标准，例如采用RS-232、RS-485 总线传输原始传感监测数据，但是传输数据采用的通信控制协议是各自独立开发实现的。因此，尽管RS-232、RS-485 总线提供了一对多通信功能，但如果用统一的管理设备来接入不同厂商的传感监测数据，由于通信控制协议的差异，很可能在传输数据时产生冲突。第二，需要监测的轨道沿线传感数据可能分布在比较广的范围内，不过RS-232、RS-485 总线的传输距离是有限的，所以通常需要使用多个采集控制器分别就近接入传感数据，然后利用GPRS、4G/5G 等无线或有线网络技术连接采集控制器，实现各种远程监测指令的发送和数据的实时采集与传输。如果网络覆盖条件不能满足，RS-232、RS-485 总线有限的传输距离就成为另一个重要制约因素。

为了充分发挥RS-232、RS-485 总线在底层传感监测数据采集传输方面的作用，本文提出一种光电混合多端口铁路异构传感监测数据接入系统，既解决统一接入时面临的不同厂商通信控制协议潜在冲突问题，又通过拓展总线传输通信距离，使其在网络覆盖不理想的条件下也能够很好应用，从而为智能运维管理系统中底层基础数据的高效收集服务。

2 系统结构和工作流程

2.1 系统结构

系统设计方面，需要解决总线型传感监测数据统一接入时面临的不同厂商通信控制协议潜在冲突问题，以及如何拓展总线传输通信距离这两个关键技术。针对第一个问题，通过在系统内部集成自动控制切换开关实现多端口切换，确保同一时刻在总线上只接入同一厂家的同类型监测设备，从而避免协议冲突。针对第二个问题，通过在系统中增加光端口，利用光纤传输长距离监测数据。

光电混合多端口铁路异构传感监测数据接入系统结构示意如图1 所示。系统由主控单元、开关控制单元、网络接口、电端口和光端口组成，它们之间的连接关系如下。

图1 光电混合多端口传感监测数据接入系统结构示意Fig.1 Diagram of photoelectric hybrid multi-port sensing and monitoring data access system

1）主控单元针对使感监测数据的发送、接收2条数据线分别与开关控制单元的两个公共数据传输端相连；主控单元的控制线与开关控制单元的对应逻辑控制端相连。

2）开关控制单元的多组数据传输线分别与各个电端口和光端口的传输线逐一对应连接。

3）电端口的传感监测数据侧为标准的RS-232或RS-485 接口；光端口内部包括光/电和电/光转换电路，对外通过光纤连接。

4）主控单元针对网络侧的发送、接收2 条数据线与UART 转网口模块对应的数据传输端相连。

2.2 工作流程

1）当主控单元接收来自网络侧的远程监测指令，需采集与某一端口（电端口或光端口）相连总线上的传感监测数据时，主控单元利用控制线对开关控制单元发送逻辑控制电平，使开关控制单元的公共数据传输端自动切换，只与其中一组数据传输线相连，其余各组数据传输线与主控单元之间的连接被断开。

2）在第一步的基础上，由于同一端口总线上只允许接入同一厂家的同类型监测设备数据，从而避免了协议冲突。

3）主控单元根据端口接入的厂商设备类别，自动调用相应的内部通信模块与之进行信息交互和传感数据采集。

4）对于光端口情形，增加了光/电和电/光转换环节，具体过程如下。

a.光端口组成示意（该端口对应A1 和B1 这组数据传输线）如图2 所示，由主控单元发往传感监测点的电信号来自A1 传输线，记为下行信号，经过电/光转换以后变为下行光信号；同时，来自监测点的光信号（即传感监测数据），记为上行信号。下行光信号和上行光信号采用不同的光波长为载波，二者通过波分复用器耦合传输，波分复用器的公共端口即为本系统的光端口，它通过光纤与远端监测设备相连。

图2 光端口组成示意Fig.2 Schematic diagram of optical port composition

b.经过波分复用器分离输出的上行光信号（即传感监测数据），经过光/电转换以后，经由开关控制单元连接传输，最终被主控单元接收。

c.如图3 所示，在远端的传感监测点，通过增加RS-485/232 光纤转发器后，利用光纤与本系统的光端口相连，拓展总线传输通信距离。

图3 远端传感监测点光纤连接示意Fig.3 Schematic diagram of optical fiber connection of remote sensing and monitoring point

d.由于光/电和电/光转换环节是在物理传输层实现的，对于主控单元的控制传输通信应用程序而言，光端口与电端口并无区别，可以统一开发。

3 硬件设计

为提高硬件开发效率，网络侧通信直接利用UART 转网口模块，光端口则采用TTL 接口的光收发一体化模块。因此，本文重点介绍主控单元和开关控制单元的硬件设计，这两部分的电路如图4 所示。

图4 主控单元和开关控制单元原理电路Fig.4 Schematic circuit diagram of main control unit and switch control unit

主控单元选用芯片型号为基于ARM Cortex-M4内核的32 位超低功耗单片机STM32L431，其外围时钟电路、复位电路以及JTAG 电路均属于常规设计，这里不做展开。和系统功能紧密相关的是利用了其2 个UART 端口，其中一组UART1 端口传输线RX1 和TX1 实现传感监测数据采集控制。另一组UART2 端口传输线RX2 和TX2 与UART 转网口模块连接，实现网络侧通信功能。

开关控制单元选用的芯片型号是CH448F，CH448F 是 DPOT 模拟开关芯片，内部集成了双通道、八选一、低阻宽带双向模拟开关。主控芯片STM32L431 的 一 组UART 端 口RX1 和TX1 分别与模拟开关的2 个通道公共端AX 和AY 相连，CH448F 的数字控制输入引脚包括 SEL2、SEL1、SEL0、XEN#和 YEN#，它们分别由STM32L431 的相应I/O 端口控制。XEN#和 YEN#是2 个通道的使能引脚，低电平有效，SEL2、SEL1 和SEL0 组合选择不同的通道。CH448F 的控制功能如表1 所示。

表1 CH448F控制功能Tab.1 Table of control function of CH448F

CH448F 的A2X ～A7X 和A2Y ～A7Y 分 别 与RS-485/232 接口转换芯片连接，对外提供标准串口，该部分电路较为常见。A0X、A1X 和A0Y、A1Y 直接与光收发一体化模块连接，对外提供光端口。

4 软件设计

软件开发中，直接利用STM32CubeMX 工具快速建立工程文件，对系统时钟、GPIO 口进行配置和程序初始化，提高开发效率。

主控单元程序流程如图5 所示。程序完成初始化开始运行以后，UART2 端口处于等待接收网络侧远程指令状态。收到远程指令以后，解析判断出需要获取的监测数据来自哪一个端口总线。根据端口需求，主控芯片发出端口控制信号，开关芯片完成端口切换，使UART1 端口传输线RX1 和TX1与对应端口联通，并根据端口设备数据协议，通过UART1 端口获取传感监测数据并缓存在主控单元内部，然后，经过UART2 端口上传到网络。一轮信息交互完成以后，系统又返回到等待接收网络侧远程指令的状态。

图5 主控单元程序流程Fig.5 Flow diagram of programme of main control unit

软件设计中编写了网络侧通信函数，包括Receive_ Instruction_From_Remote 和Send_Data_To_Remote，其中，函数Receive_Instruction_From_Remote 在UART2 端口的接收中断中调用，用于接收网络侧远程指令。函数Send_Data_To_Remote 用于向网络侧发送监测数据。传感监测数据采集控制函数包括Send_ Instruction _To_ Monitor 和Receive_Data_From_Monitor，同 样， 函 数Receive_Data_From_Monitor 在UART1 端口的接收中断中调用，用于接收传感监测数据，函数Send_ Instruction _To_ Monitor 向传感监测点发出控制指令。

需要说明的是，由于不同端口总线上连接的是不同的厂商设备，它们的通信控制协议存在差异，所以，需要先根据端口进行不同的协议串封装，然后再调用函数Send_ Instruction _To_ Monitor发送协议控制指令。对于函数Receive_Data_From_Monitor 接收到的数据字符串，也应该根据对应协议解析出数据以后，才发送到网络侧。

5 结论

目前，在软硬件设计基础上，已完成样机研制，对数据通信功能进行了初步验证。在今后的实际系统应用中，只需根据端口连接的具体厂商设备，针对它们的通信控制协议，在现有底层框架下，开发相应的协议串封装模块就能够正常工作。本文提出的光电混合多端口铁路异构传感监测数据接入系统，既解决了统一接入时面临的不同厂商通信控制协议潜在冲突问题，又利用光纤技术拓展了总线传输通信距离。可以充分发挥工业总线技术在底层传感监测数据采集传输方面的优势，从而为智能运维管理系统中底层基础数据的高效收集服务。