半自动闭塞信息数字化传输技术运用研究

孙铁强

*沈阳铁路局吉林电务段 高级工程师，132001 吉林省吉林

现阶段我国64D型半自动闭塞信息传输是通过通信的架空明线或对称电缆传输的，在传输线路中只传输2种正负脉冲信号，动作两站间的闭塞设备，完成半自动闭塞电路的整个动作过程。随着通信技术的发展，闭塞电话已经全部改为光缆传输，现有的闭塞线路只作为半自动闭塞信息的传输通道，这种传输方式容易受到外界干扰，故障率高且无法实现与计算机联锁电路的接口，已不能满足信号设备发展的要求。

信息数字化传输技术的发展，为改变现有传输方式提供了可能。利用现有闭塞电话使用的通信光缆作为半自动闭塞信息传输通道，传送各种闭塞信息。在闭塞外线端接入数字信息转换设备，将闭塞的模拟电信号转换为数字信号，利用通信光缆传输到对方站。对方站接到数字信号后，再将数字信号转换为模拟电信号，动作原电路的ZXJ、FXJ继电器完成站间闭塞任务。原半自动闭塞电路不需要改变。

沈阳铁路局在2008年于铁道部立项“半自动闭塞信息数字化传输技术运用研究”。主要研究如何利用光纤传输及编码转换技术来实现高效、稳定、可靠的闭塞信息传输系统。该项目研制的DTMF over Fiber简称DoF半自动闭塞信息传输设备，以微控制器 (MCU)为核心，采用CPID、编码调制、光电隔离电路等技术，完成对继电器及控制台表示灯状态的采集，应用编码调制技术将闭塞信息转换为DTMF(双音多频)信号，并通过光纤通道发送到对端进行解码，控制闭塞继电器进行相应的动作。传输设备具有以下功能。

1.实现闭塞电路各继电器状态及表示灯状态信息的采集。

2.完成闭塞信息“电压信号→双音多频编码→光缆传输→双音多频解码→电压信号”的转换及传输。

3.实现单机网管、拨号网管2种设备管理方式，及时取得设备内所存储的继电器、闭塞表示灯状态数据及故障报警数据。

4.实现光缆传输与原有电缆传输的切换功能，实现双电源、双采集通道、双主控制板的冗余备份。

1 DoF半自动闭塞信息传输原理

1.1 继电器信息采集

传输设备可采集32个点:1～26采集点用于采集13个闭塞机的继电器状态，每个继电器采集2组接点信号，以增加采集的可靠性，采样电源为动态直流12V;27～32采集点用于采集闭塞表示灯的状态，采样电源为交流24V。采用光电隔离技术，通过电→光→电的转换隔离，有效地消除干扰源的进入，提高抗干扰能力。

1.2 闭塞信息编码

系统通信部分采用DTMF(双音多频)信号传输方式。DTMF信号具有抗干扰能力强和传输距离长等特点。

如图1所示，一个DTMF信号由2个频率的音频信号叠加构成。这2个音频信号的频率来自2组预分配的频率组:行频组或列频组。每一对这样的音频信号组唯一表示一种闭塞信息。

图1 双音多频编码矩阵

半自动闭塞信息有7种:请求发车+信息、自动回执－信息、同意接车+信息、通知出发+信息、到达复原－信息、取消复原－信息、故障复原－信息。每一种闭塞信息都相应赋予一组双音频，通过软件产生2个正弦波叠加在一起后发送，可保证信号传输的安全性及有效性。

1.3 各类消息数据编码格式

1.3.1 继电器动作消息

格式:开始标识，2字节，固定为A1;继电器消息类型，2字节，固定为AA，表示此消息为继电器动作消息;继电器动作类型，2字节，01标识继电器吸起，02标识继电器落下;冗余校验位2字节，奇偶校验位1字节，均为根据相应校验方法计算后的结果;结束标识，2字节，固定为B1。

以上元素的定义和编码在以下消息中通用。

1.3.2 继电器响应消息

格式:开始标识，2字节;继电器消息类型，2字节，固定为BB;继电器响应码，2字节，00为执行继电器动作成功，01为执行继电器动作失败，09为不能识别所发送信息，请求重新发送;冗余校验位2字节;奇偶校验位1字节;结束标识2字节。

1.3.3 设备间通道测试消息

格式:开始标识2字节;消息类型2字节，固定为11;冗余校验位2字节;奇偶校验位1字节;结束标识2字节。

1.4 数据存储与读取

系统设计采用了大容量铁电存储器，铁电存储器能兼容RAM的一切功能，并且和ROM技术一样，是一种非易失性的存储器。

1.4.1 设备数据存储方式

存储器可以记录一切动作过程，当状态发生变化时进行存储。投入使用的主机和备机均进行采集，各自独立存储日志文件。

日志文件格式:时间、名称、状态、主/备。其中，名称指继电器名称或相应闭塞灯;继电器吸起状态记为↑，落下状态记为↓;表示灯状态标记为L、U、H。

1.4.2 设备数据读取方式

1．本地数据读取方式。在计算机内自动增加相应串口，将USB线缆插入计算机及设备两端，通过计算机上数据处理软件自动将设备内所存储的采集记录读取出来。

2．远程数据读取方式。将RJ11电话线插入本设备Modem模块上，并配置一个可呼叫的电话号码，远程计算机通过拨号方式呼叫该设备，与该设备建立链路连接，通过已制定的通信协议完成设备与计算机的通信，从而将设备内的采集数据及告警数据读取出来。

1.5 光缆传输与实线传输的切换

在系统内部通过2个光通道进行数据传输，两端设备每间隔5 s发送一次通道测试消息，其内容为:AF11B2FA编码。当某通道在30 s内没有接收到对端所发来的测试消息，则认为通路不再可用，发出通道告警，将另一正常通道作为主通道，直到该故障通道检测正常后，报警解除。

如果人为需要在光通道与原实线通道之间进行切换，则可采用设备所配置的开关电路，将传输通道进行切换，系统根据开关信息记录所切换的动作时间点及切换到的通路位置。

2 硬件设计

DoF半自动闭塞信息传输设备由通信板、检测板、传输板、切换板、电源板、母板组成。

2.1 结构设计

1．采用刀片式的安装结构，双机热备设计方式，具有以下特点:①便于拆装、维护;②双机热备使系统工作更加安全、可靠;③独立运行互不影响，内部有自协调机制;④出现故障，可做到无缝切换;⑤系统使用了高性能的CPU和大容量的存储器;⑥系统上电启动后，自行检测功能开始自检，自检通过后，自动转入工作状态。

2．主机硬件接口:①与显示板通信接口(RS-485);②掉电存储芯片 (32KB);③输入信号状态指示驱动;④与调制解调器通信 (RS-232);⑤RS-232转USB与当地电脑通信;⑥两路双音多频信号转换;⑦时钟芯片;⑧看门狗;⑨与主板间接口 (数据地址线以及中断)。

3．主板硬件接口:①所有输入信号的隔离;②与外界通信的隔离 (与调制解调器通信RS-232、RS-232转USB与当地电脑通信);③主备光通道自动切换;④供电电源转换。

4．显示板硬件接口:①12864液晶驱动;②键盘扫描;③与2台主机通信(RS-485);④看门狗。

DoF半自动闭塞信息传输设备硬件框图见图2、图3。

2.2 异常处理

1．为了防止死机现象的出现，系统采用了看门狗技术，看门狗电路是嵌入式系统需要的抗干扰措施之一，是自行监测系统运行的重要保证。

图2 主机内部接口框图

图3 主板外部接口框图

2．采用了双通道通信方式，数据传输过程中系统自行选择通信质量好的通道。系统实时检测通道的通信质量，发现问题，及时报警。设置本地报警和远传报警指示。本地报警指在设备本身指示灯报警，当报警超过3 min(该参数可设置)时，报警取消。远传报警指设备输出24V电源，远端接声光等报警设备，该报警一直保持，直到有操作人员到设备面板上按复位键。报警信息写入报警日志文件。报警码通过LCD显示并可由远程拨号或USB接口读取报警日志文件。为避免报警文件过多，可采用顶进顶出的原则。报警内容:光通道故障报警、主备机故障转换报警、继电器接点采集不同步报警。

3 软件设计

传输设备上电启动后，单片机软件开始工作，对各种参数进行初始化。初始化完毕后进入自检状态，自检通过后进入正常的工作状态。在工作过程中，要进行主、备机协调工作、记录继电器的状态、远程通信、本地键盘处理、报警处理、本地通信等。软件主要包括以下几个功能模块:主机部分、键盘部分、继电器状态检测部分等。详见图4、图5、图6。

图6 键盘主要处理流程图

4 DoF半自动闭塞信息传输设备特点

1．原闭塞信息是用正负2种信息，通过时间先后区分为7种不同意义的信息。本传输设备则对每一种闭塞信息都赋予了不同的双音多频码，更有利于保证逻辑性和可靠性。

2．采用了光电隔离技术对继电器信号进行采集，避免了信号采集过程的干扰，保证了采集状态的准确性。

3．传输设备冗余设计。电源系统、采集接点位置、工作主控板、编码传输通路等，都采用了冗余备份措施，保证系统稳定、可靠运行。

4．远程管理易于维护。传输设备除可在设备端进行管理外，还可通过远程拨号方式进行接入，便于工作人员远程对继电器状态的采集和系统故障的查询。

5．传输通道采用64 kb/s音频通道，可自动测试通道。

5 结束语

我国多数站间已经具备光纤传输通道，将闭塞信号转换为DTMF信号，通过光纤进行点对点传输，在网络层面保证了传输信号的可靠性，在业务层面保证了信号传输的质量要求，消除了传统电缆传输的损耗大、易受干扰的缺点。传输设备的设计、研发，以高可靠性、安全性及对未来传输技术的扩展性为指导，现场应用效果表明，该系统满足半自动闭塞系统的功能和安全性要求，工作稳定可靠，具有较好的应用前景。