点式LED智能点灯系统的设计

王艳艳

（1-西安思源科创轨道交通技术开发有限公司 陕西 西安710054；2.西安交通大学 陕西 西安710054）

点式LED智能点灯系统的设计

王艳艳1，2

（1-西安思源科创轨道交通技术开发有限公司 陕西 西安710054；2.西安交通大学 陕西 西安710054）

针对传统铁路点灯系统的通信抗干扰能力差，通信距离短的问题，采用电流环通信、软件差时报警的方法进行改进设计，通过实际上道应用验证，整个系统应用寿命增加10倍，且实现站内3公里、区间15公里的点灯单元的故障检测。

点式LED智能点灯系统；大功率点式LED；电流环；通信

随着国民经济、国民素质的不断提高，随着我国铁路的不断提速、不断发展，国家对铁路“安全行车”方面越来越重视、对铁路上道使用器材的技术先进性、质量可靠性把关审核越来越严格，尤其对关系到“行车安全”的铁路信号系统器材更为重视。点灯系统就是保障“行车安全”的基础铁路信号系统，与“行车安全”密不可分，因此对点灯系统的研究具有广阔的前景。

1 系统组成

点灯系统是铁路行车信号的灯丝自动转换装置，是保证铁路行车安全的重要信号部件，是集交流点灯、灯丝转换、故障定位报警为一体的多功能智能点灯系统。点式LED智能点灯系统由LED灯头、点灯单元、信号机构、灯丝继电器、监测主机五部分组成[1-2]，系统整体示意图如图1所示。此系统功能完整、质量可靠，具有如下特点：1）采用5种颜色大功率单颗LED做为光源满足点灯系统对光学特性的要求[7-8]。2）点灯单元采用横流驱动等技术保证正常驱动LED负载[9-10]；采用比较电路以及光敏检测电路检测点灯单元的主、副丝工作正常与否；采用副丝供电电源做为监测报警电路供电电源，真正做到主电路和监测报警电路物理分离[11]。3）监测主机硬件采用Cortex-M3内核的ARM处理器STM32为主控制器，软件采用操作系统方式实现多任务的调度，人机交互采用触摸液晶屏方式实现，可在触摸屏上直接设置点灯单元地址码和灯位名称的对应关系，不需另配下载器[12-13]。4）通信采用电流环通信方式，根据主机与子机通信回路是否有电流通过来判断是否有子机发生故障报警，这种方式可靠性高、抗干扰能力强、传输距离长[14-15]。

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件总体设计

点灯单元是基于STM8单片机，由主控点灯检测模块、通信报警模块、连接模块、电源管理模块、接口模块5部分组成，点灯单元硬件组成框图如图2所示；监测主机是基于STM32103F单片机，由主控核心模块、通信报警模块、电源模块、转接模块、液晶显示模块组成，监测主机硬件组成框图如图3所示。

图1 系统整体示意图

图2 点灯单元硬件组成框图

图3 监测主机硬件组成框图

2.2 系统通信报警硬件设计

系统通信报警电路是基于电流环通信方式设计的，包括监测主机通信报警电路如图4所示、点灯单元通信报警电路如图5所示。电流环通信过程中，传输两种电流信号，一种为电流报警信号，一种为回执电流信号。监测主机电流环电路和点灯单元电流环通信，在有电流信号传输时，可处于三种状态，发送状态、接收状态、环路沟通状态。发送状态即监测主机电流环电路或点灯单元电流环电路处于方波脉冲发送状态，整个电流环回路中有方波脉冲信号在传输；接收状态即监测主机电流环电路或点灯单元电流环电路处于等待接收方波脉冲的阶段；环路沟通状态即监测主机电流环电路或点灯单元电流环电路处于接收状态时，依靠自身电流环回路的发送部分电路，沟通整个电流环回路状态[6]。

电流环通信的工作过程如下：当整个电流环回路无电流信号传输时，监测主机电流环电路处于环路沟通状态和接收状态，点灯单元电流环电路处于接收状态；当点灯单元产生电流报警信号时，点灯单元转换至发送状态，每发送完一次电流报警信号，点灯单元就进入环路沟通状态和接收状态，监测主机仍处于环路沟通状态和接收状态；当监测主机识别出点灯单元发送的电流报警信号时，通过调整、变换、监测主机波形校准电路，把电流报警信号信息，转换成监测主机单片机可识别信号，同时监测主机单片机发送出断开环路沟通状态和接收状态命令，进入发送状态，发送回执电流信号，监测主机每发送完一次回执电流信号，监测主机就进入环路沟通状态和接收状态；当点灯单元识别出回执电流信号后，点灯单元断开环路沟通状态，进入接收状态。

图4 监测主机通信报警电路

3 软件设计

图5 点灯单元通信报警电路

点式LED智能点灯监测系统采用电流环通信的方式实现室内监测主机对室外LED点灯单元故障的定位和报警。室内监测主机有四路检测通道，每路检测通道最多设置50个现场点灯单元的寻址地址，通讯方式是采用分机呼叫，总机应答的方式。由于电流环通信回路是通过回路中电流的通断传递信息，因此在一个通信周期内仅允许一台分机占用总线，若多台分机同时占用总线会导致无法通信。因此分机在通信完成后一定要及时释放总线。

当LED点灯单元发生主副光源切换后，LED点灯监测分机上电工作。分机的单片机在上电完成初始化后，首先读取拨码盘设定的地址码，之后以地址码为基准生成一个随机数，分机单片机的定时器从0开始以这个随机数为溢出值开始延时，这样做的目的是给每个分机分配不同的发送起始时间，避免多台总机同时发送信息造成电流环无法正常通信。当延时结束后，分机的串口开始发送报警信息。电流环通信电路将串口发送出的TTL电平转换为对应的高低电流，通过电流环总线将电流传递到主机的接收电路上。总机的电流环通信电路将总线上的电流转换成对应的TTL电压，从而使主机单片机的串口接收到分机的报警信息[3]。

在接到分机的报警信息后，向该分机发送回执码，若分机接收到总机发过来的回执码则停止发送并永久退出总线，否则分机暂时退出总线并在一段时间之后重新向主机发送报警信息。各通道的点灯单元编码后都需要与现场真实灯名称一一对应[4-5]。

4 结束语

点式LED智能点灯系统主机监测采用电流环通信方式，该通信方式采用环路电流的有无来判断是否有故障发生，这种方式可靠性高、抗干扰能力强、传输距离长，可满足站内3公里，区间15公里传输距离的要求[6]。此种通信方式配合软件差时设计，能减少甚至避免误报警、错报警现象的发生，为现场施工、使用、维护带来极大便利。

[1]林瑜筠.铁路信号基础[M].北京：中国铁道出版社，2011.

[2]LED铁路信号机构通用技术条件[S].2010.

[3]谭浩强.C语言程序设计[M].北京：清华大学出版社，2012.

[4]任哲.嵌入式实时操作系统UC/OS-II原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[5]刘波文.嵌入式实时操作系统UC/OS-II经典实例[M].北京：北京航空航天大学出版社，2014.

[6]江苏浩峰汽车附件有限公司.一种光伏发电系统的电流环通讯电路[Z].CN201120268308.6，2011.

[7]一种大功率铁路信号灯[Z].2012.

[8]一种九合一大功率铁路信号灯[Z].2012.

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[14]海信（山东）空调有限公司.一种电流环通讯转换rs485通讯的转换电路[Z].CN201220188995.5，2012.

[15]江苏浩峰汽车附件有限公司.一种光伏发电系统的电流环通讯电路[Z].CN201110211634.8，2011.

Design of point type LED intelligent lighting system

WANG Yan-yan1，2
（1-Xi'an SiyuanKechuang Rail Transit Tecnology Development Co.，Ltd.，Xi'an 710054，China；2.Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710054，China）

In order to solve the problem ofanti jamming capability of the communication of traditional railway lighting system，the problem of short communication distance，Improved design by using current ring communication and software time interval alarm，Verified by practical application，The life of the whole system is increased by 10 times，the fault detection of the lighting unit to realize 3 kilometers of station，15 kilometers of section.

point type LED intelligent lighting system；high power point type LED；currentring；communication

TN7

：A

：1674-6236（2017）08-0124-03

2016-07-20稿件编号：201607143

王艳艳（1983—）,女，满族，辽宁铁岭人，硕士，工程师。研究方向：铁路信号。