基于EPON的铁路车站信号智能采集系统的研究

郝建伟

摘要：本文结合铁路信号大数据量、实时性的特点，提出采用基于EPON的铁路车站信号智能采集系统，通过对技术的对比和需求分析，采用Atheros新推出的一款业内集成度最高、超低能耗1GB(1G)以太网无源光网络(EPON)芯7723作为系统实现芯片，并设计了其结构和软件模块。经过测试，可以快速响应上位机OLT请求数据，为保证铁路可靠安全运行提供了一种信号采集及传输方案，将在铁路提速中发挥重要作用。

关键词：信号采集；无源光网络；铁路信号；嵌入式

Abstract: this paper combining railway signal large data quantity, real-time characteristics, is proposed based on EPON railway station signal intelligence collection system, and through the comparison of technology and demand analysis, the Atheros new offering a the highest level of integration, low energy consumption 1GB Ethernet passive optical network (EPON) core 7723 as system implementation chip, and design the structure and software module. After testing, can quickly response PC OLT request data, in order to ensure the safe operation of the railway and reliable provides a signal acquisition and transmission scheme, in the raising speed will play an important role.

Key words: signal acquisition; Passive optical network; Railway signal; embedded

中图分类号： TD65+3 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

1 引言

随着铁路信息技术、互联网技术、嵌入式技术飞速发展和我国铁路的建设，我国铁路信号控制系统正在由独立的站控向综合化的线控和面控式的调度集中控制方式转型，铁路传输和应用的信号也多种多样，比如在与铁路的行车指挥、调度、运行控制直接相关的行车安全信息、流量信息、环境信息、电源信息和其它一些铁路高压供电网监测信息、旅客引导信息、风速气象信息等等[1, 2]这些信号无不关系到列车的运行和调度安全。在此形势下，利用通信新技术构建一个稳健、可靠、安全、高速的铁路车站信号智能采集系统是保障铁路运行的重要技术手段。

无源光网络（PON）具有节省光纤资源、对网络协议透明的特点，在光接入网中扮演着越来越重要的角色。同时，英特网（Ethernet）技术经过二十年的发展，以其简便实用，价格低廉的特性，几乎已经完全统治了局域网，并在事实上被证明是承载IP数据包的最佳载体。随着IP业务在城域和干线传输中所占的比例不断攀升，以太网也在通过传输速率、可管理性等方面的改进，逐渐向接入、城域甚至骨干网上渗透。而以太网与PON的结合，便产生了以太网无源光网络（EPON）。它同时具备了以太网和PON的优点，正成为光接入网领域中的热门技术基于以太网的无源光网络( EPON ) 因为其成本低、对业务透明、易于升级、易于维护、便于维修管理等优点，目前被认为是解决终端接入的首选方案[3, 4]。本文针对铁路车站通信信号大业务量、实时性、快捷性等特点，采用基于EPON技术的铁路车站通信信号智能采集终端，以实现车站信号大容量、高速、实时采集和传输。

2 EPON技术

EPON（以太无源光网络）是一种新型的光纤接入网技术，它采用点到多点结构、无源光纤传输，在以太网之上提供多种业务。它在物理层采用了PON技术，在链路层使用以太网协议，利用PON的拓扑结构实现了以太网的接入，它综合了PON技术和以太网技术的优点：低成本；高带宽；扩展性强，灵活快速的服务重组。

在EPON 系统中，数据下行采用广播方式，通过ODN 中的1∶ N 无源分光器分配到PON 上的所有ONU( 用户侧光网络单元) OLT发出的以太网数据报经过一个1:n的无源光分路器或几级分路器传送到每一个ONU。N的典型取值在4～64之间（由可用的光功率预算所限制）。这种行为特征与共享媒质网络相同。在下行方向，因为以太网具有广播特性，与EPON结构和匹配：OLT广播数据包，目的ONU有选择的提取；数据上行则采用TDMA 方式，来自各个ONU 的多种业务信息以TDMA 时分复用模式通过ODN 中的1∶N 无源分光器将各类信息源藕合到同一根光纤，最终送到局端OLT( 光线路终端) 接收端，由于无源光合路器的方向特性，任何一个ONU发出的数据包只能到达OLT，而不能到达其他的ONU。EPON在上行方向上的行为特点与点到点网络相同。但是，不同于一个真正的点到点网络，在EPON中，所有的ONU都属于同一个冲突域――来自不同的ONU的数据包如果同时传输依然可能会冲突。因此在上行方向，EPON需要采用某种仲裁机制来避免数据冲突。

EPON光网络接入技术可以灵活地组成树型、星型、总线型等拓朴结构，在光分支点不需要节点设备，只需要安装一个简单的光分支器即可，因此具有节省光缆资源、带宽资源共享、节省机房投资、设备安全性高、建网速度快、综合建网成本低等优点；应用EPON产品提供接入服务，每1根备用光纤可扩展16/32个新用户，这将大大提高接入能力，减少了大量铺设光纤过程中的施工风险和降低施工成本；在接入覆盖区域附近出现新需求时，只需从光分路器铺设1根较短的分路光纤即可将新用户接入主干网络继而实现扩容；EPON系统强大的网管能力完全可以做到ONU的即插即用，对于铁路通信采用的无线列调系统、传输交换接入系统、数字调度系统将起到更加便捷的接入和融合。这些都大大降低了网络建设规划的难度,加快了开展新业务的速度，相对成本低、维护简单、容易扩展、易于升级是EPON区别于其它接入方式的独特之处。

3 铁路智能采集模块研究

3.1 需求分析

铁路通信信号EPON光网络接入技术采集主要是对铁路沿线各个车站及区间的电流、电压、频率等进行信号的测量和采集，其主要有如下几类信号[7]：

（1）铁路钢轨上牵引电流信号。量程范围为：0~1000A。

（2）25Hz相敏轨道电路轨道接收端交流电压、相位角。量程范围为：电压0~40V；相位角5~180度。

（3）移频自动闭塞系统站内电码化站内发送电压、发送电流、载频及低频频率。量程范围为：1）发送电压0~200V(电化区段);0~50V(非电化区段)。2）发送电流0~5A。3）ZPW2000系列和UM71制式：载频：1650~2650Hz，低频0~30Hz；频偏：11Hz。

（4）集中式无绝缘移频自动闭塞区间移频发送器发送电压、电流、载频、低频；区间移频接收器轨入、轨出1(主轨)、轨出2(小轨)电压、载频、低频；区间移频电缆模拟网络电缆侧电压。量程范围为：1）发送电压0~300V。2）发送电流0~1000mA。3）接收电压：(轨入电压：0~7V，轨出1、轨出2电压0~3V)。4）载频：1650~2650Hz，低频0~30Hz。5）轨道侧电压：0~200V。

3.2 硬件设计

铁路EPON光网络接入智能采集模块通过RS232C串行接口和信号终端相连，通过TCP/IP协议与EPON光网端OLT相连。相对于OLT客户端来说ONU模块是服务器，响应OLT客户端建立连接和数据交互的请求；经过协议转换之后，对信号终端来说，铁路智能采集模块即ONU模块则转变成客户端的角色，来发起对信号终端的建立连接和数据交互的请求，而信号终端就作为服务器进行正确响应。如图2所示：

图2 铁路智能采集模块总体设计

硬件设计选用QCA7723芯片，它是一个集成度非常高的单芯片EPON解决方案，可给光纤网络和电网宽带技术应用带来超低的功耗，它是Atheros新推出的一款业内集成度最高、实现下一代家庭和企业光宽带接入而优化的超低能耗1GB(1G)以太网无源光网络(EPON)芯片。该款芯片解决方案支持北美以太网开通有线电缆数据服务接口(DOCSIS®Provisioning of Ethernet, DPoE)1.0规范、IEEE 802.3ah EPON规范、中国国家电网EPON规范和中国电信(CTC) EPON规范。硬件结构如图2：

图3 硬件结构图

3.3 软件设计

软件实现了系统与信号采集终端的参数与请求终端配置及信息设置，以及通信规约、数据、最大需量及发生时间数据、变量数据（电压、电流、谐波有效值等）、部分冻结数据等。

模块主要由接口和连接控制、模块配置参数管理、数据帧转换模块3部分组成，他们之间的关系见图4：

图4 软件模块结构图

服务器启动之后，首先进性系统配置参数的初始化，如果成功完成初始化，则启动服务器的TCP线程，之后初始化Socket套接字，进行端口的监听。因为先从SC光模块接口接收OLT服务器发送过来的数据，然后通过该模块至采集终端通信规约方向数据帧转换，根据不同类型的数据帧选择发送接口。如果使用RS485接口，则需等待采集装置响应，等接收到采集装置响应的数据帧之后再通过规约方向数据帧的转换，将结果回复OLT服务器。如果任务未完成，则继续从SC光模块接口接收数据进行后续数据帧转换，如果任务完成，则关闭TCP连接。

4 结论

EPON（以太网无源光网络）是最后一公里通信接入的最佳技术选择，基于EPON技术组网是铁路调度、信息传输等环节的理想通信方式，本文设计包括其具体流程和软件结构，并采用嵌入式QCA7723芯片进行了实现，经过测试，可以快速响应上位机OLT请求数据，为保证铁路可靠安全运行提供了一种信号采集及传输方案，将在铁路提速中发挥重要作用。

References:

[1]. 韩熠, 高速铁路安全信息光纤局域网的研究, 2000, 铁道部科学研究院.

[2]. 陈学, 基于ARM与DSP的铁路信号测试仪设计（ARM部分）, 2008, 北京交通大学.

[3]. 高红石旭刚林盈盈陈强, EPON的技术难点及解决方案. 浙江工业大学学报, 2005(01).

[4]. 刘年国, 刘东与杨事正, EPON技术在智能用电小区建设中的应用. 华东电力, 2011(03).

[5]. 张浩, 卜宪德与郭经红, EPON技术在用电信息采集系统中的应用. 电力系统通信, 2010(07).

[6]. 张继东陶智勇, EPON的发展现状与关键技术. 光通信研究, 2002(01).

[7]. 张硕, 基于ARM9的通用铁路信号测试系统的研究, 2009, 北京交通大学.