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J基于點(diǎn)式LED的，智能點(diǎn)燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)論文
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)民素質(zhì)的不斷提高，隨著我國(guó)鐵路的不斷提速、不斷發(fā)展，國(guó)家對(duì)鐵路“安全行車”方面越來(lái)越重視、對(duì)鐵路上道使用器材的技術(shù)先進(jìn)性、質(zhì)量可靠性把關(guān)審核越來(lái)越嚴(yán)格，尤其對(duì)關(guān)系到“行車安全”的鐵路信號(hào)系統(tǒng)器材更為重視。點(diǎn)燈系統(tǒng)就是保障“行車安全”的基礎(chǔ)鐵路信號(hào)系統(tǒng)，與“行車安全”密不可分，因此對(duì)點(diǎn)燈系統(tǒng)的研究具有廣闊的前景。
1 系統(tǒng)組成
點(diǎn)燈系統(tǒng)是鐵路行車信號(hào)的燈絲自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置，是保證鐵路行車安全的重要信號(hào)部件， 是集交流點(diǎn)燈、燈絲轉(zhuǎn)換、故障定位報(bào)警為一體的多功能智能點(diǎn)燈系統(tǒng)。點(diǎn)式LED 智能點(diǎn)燈系統(tǒng)由LED 燈頭、點(diǎn)燈單元、信號(hào)機(jī)構(gòu)、燈絲繼電器、監(jiān)測(cè)主機(jī)五部分組成，系統(tǒng)整體示意圖如圖1 所示。此系統(tǒng)功能完整、質(zhì)量可靠，具有如下特點(diǎn)：
1)采用5 種顏色大功率單顆LED 做為光源滿足點(diǎn)燈系統(tǒng)對(duì)光學(xué)特性的要求。2)點(diǎn)燈單元采用橫流驅(qū)動(dòng)等技術(shù)保證正常驅(qū)動(dòng)LED負(fù)載;采用比較電路以及光敏檢測(cè)電路檢測(cè)點(diǎn)燈單元的主、副絲工作正常與否;采用副絲供電電源做為監(jiān)測(cè)報(bào)警電路供電電源，真正做到主電路和監(jiān)測(cè)報(bào)警電路物理分離。
3)監(jiān)測(cè)主機(jī)硬件采用Cortex-M3內(nèi)核的ARM 處理器STM32 為主控制器，軟件采用操作系統(tǒng)方式實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的調(diào)度，人機(jī)交互采用觸摸液晶屏方式實(shí)現(xiàn)，可在觸摸屏上直接設(shè)置點(diǎn)燈單元地址
碼和燈位名稱的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不需另配下載器。
4)通信采用電流環(huán)通信方式，根據(jù)主機(jī)與子機(jī)通信回路是否有電流通過(guò)來(lái)判斷是否有子機(jī)發(fā)生故障報(bào)警，這種方式可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離長(zhǎng)[。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)
點(diǎn)燈單元是基于STM8 單片機(jī)， 由主控點(diǎn)燈檢測(cè)模塊、通信報(bào)警模塊、連接模塊、電源管理模塊、接口模塊5 部分組成， 監(jiān)測(cè)主機(jī)是基于STM32103F 單片機(jī)，由主控核心模塊、通信報(bào)警模塊、電源模塊、轉(zhuǎn)接模塊、液晶顯示模塊組成，
2.2 系統(tǒng)通信報(bào)警硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)通信報(bào)警電路是基于電流環(huán)通信方式設(shè)計(jì)的，包括監(jiān)測(cè)主機(jī)通信報(bào)警電路如圖4 所示、點(diǎn)燈單元通信報(bào)警電路如圖5 所示。電流環(huán)通信過(guò)程中，傳輸兩種電流信號(hào)，一種為電流報(bào)警信號(hào)，一種為回執(zhí)電流信號(hào)。監(jiān)測(cè)主機(jī)電流環(huán)電路和點(diǎn)燈單元電流環(huán)通信，在有電流信號(hào)傳輸時(shí)，可處于三種狀態(tài)，發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)、環(huán)路溝通狀態(tài)。發(fā)送狀態(tài)即監(jiān)測(cè)主機(jī)電流環(huán)電路或點(diǎn)燈單元電流環(huán)電路處于方波脈沖發(fā)送狀態(tài)， 整個(gè)電流環(huán)回路中有方波脈沖信號(hào)在傳輸; 接收狀態(tài)即監(jiān)測(cè)主機(jī)電流環(huán)電路或點(diǎn)燈單元電流環(huán)電路處于等待接收方波脈沖的階段; 環(huán)路溝通狀態(tài)即監(jiān)測(cè)主機(jī)電流環(huán)電路或點(diǎn)燈單元電流環(huán)電路處于接收狀態(tài)時(shí)， 依靠自身電流環(huán)回路的發(fā)送部分電路，溝通整個(gè)電流環(huán)回路狀態(tài)。
電流環(huán)通信的工作過(guò)程如下： 當(dāng)整個(gè)電流環(huán)回路無(wú)電流信號(hào)傳輸時(shí)， 監(jiān)測(cè)主機(jī)電流環(huán)電路處于環(huán)路溝通狀態(tài)和接收狀態(tài)， 點(diǎn)燈單元電流環(huán)電路處于接收狀態(tài);當(dāng)點(diǎn)燈單元產(chǎn)生電流報(bào)警信號(hào)時(shí)，點(diǎn)燈單元轉(zhuǎn)換至發(fā)送狀態(tài)，每發(fā)送完一次電流報(bào)警信號(hào)，點(diǎn)燈單元就進(jìn)入環(huán)路溝通狀態(tài)和接收狀態(tài)， 監(jiān)測(cè)主機(jī)仍處于環(huán)路溝通狀態(tài)和接收狀態(tài); 當(dāng)監(jiān)測(cè)主機(jī)識(shí)別出點(diǎn)燈單元發(fā)送的電流報(bào)警信號(hào)時(shí)， 通過(guò)調(diào)整、變換、監(jiān)測(cè)主機(jī)波形校準(zhǔn)電路，把電流報(bào)警信號(hào)信息，轉(zhuǎn)換成監(jiān)測(cè)主機(jī)單片機(jī)可識(shí)別信號(hào)， 同時(shí)監(jiān)測(cè)主機(jī)單片機(jī)發(fā)送出斷開環(huán)路溝通狀態(tài)和接收狀態(tài)命令，進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)，發(fā)送回執(zhí)電流信號(hào)，監(jiān)測(cè)主機(jī)每發(fā)送完一次回執(zhí)電流信號(hào)， 監(jiān)測(cè)主機(jī)就進(jìn)入環(huán)路溝通狀態(tài)和接收狀態(tài);當(dāng)點(diǎn)燈單元識(shí)別出回執(zhí)電流信號(hào)后，點(diǎn)燈單元斷開環(huán)路溝通狀態(tài)，進(jìn)入接收狀態(tài)。
3 軟件設(shè)計(jì)
點(diǎn)式LED 智能點(diǎn)燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用電流環(huán)通信的方式實(shí)現(xiàn)室內(nèi)監(jiān)測(cè)主機(jī)對(duì)室外LED 點(diǎn)燈單元故障的定位和報(bào)警。室內(nèi)監(jiān)測(cè)主機(jī)有四路檢測(cè)通道，每路檢測(cè)通道最多設(shè)置50 個(gè)現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)燈單元的尋址地址，通訊方式是采用分機(jī)呼叫，總機(jī)應(yīng)答的方式。由于電流環(huán)通信回路是通過(guò)回路中電流的通斷傳遞信息， 因此在一個(gè)通信周期內(nèi)僅允許一臺(tái)分機(jī)占用總線，若多臺(tái)分機(jī)同時(shí)占用總線會(huì)導(dǎo)致無(wú)法通信。因此分機(jī)在通信完成后一定要及時(shí)釋放總線。
當(dāng)LED 點(diǎn)燈單元發(fā)生主副光源切換后，LED 點(diǎn)燈監(jiān)測(cè)分機(jī)上電工作。分機(jī)的單片機(jī)在上電完成初始化后，首先讀取撥碼盤設(shè)定的地址碼，之后以地址碼為基準(zhǔn)生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)， 分機(jī)單片機(jī)的定時(shí)器從0 開始以這個(gè)隨機(jī)數(shù)為溢出值開始延時(shí)， 這樣做的目的是給每個(gè)分機(jī)分配不同的發(fā)送起始時(shí)間， 避免多臺(tái)總機(jī)同時(shí)發(fā)送信息造成電流環(huán)無(wú)法正常通信。當(dāng)延時(shí)結(jié)束后，分機(jī)的串口開始發(fā)送報(bào)警信息。電流環(huán)通信電路將串口發(fā)送出的TTL 電平轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的高低電流， 通過(guò)電流環(huán)總線將電流傳遞到主機(jī)的接收電路上。總機(jī)的電流環(huán)通信電路將總線上的電流轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的TTL 電壓， 從而使主機(jī)單片機(jī)的串口接收到分機(jī)的報(bào)警信息。
在接到分機(jī)的報(bào)警信息后， 向該分機(jī)發(fā)送回執(zhí)碼， 若分機(jī)接收到總機(jī)發(fā)過(guò)來(lái)的回執(zhí)碼則停止發(fā)送并永久退出總線， 否則分機(jī)暫時(shí)退出總線并在一段時(shí)間之后重新向主機(jī)發(fā)送報(bào)警信息。各通道的點(diǎn)燈單元編碼后都需要與現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)燈名稱一一對(duì)應(yīng)。
4 結(jié)束語(yǔ)
點(diǎn)式LED 智能點(diǎn)燈系統(tǒng)主機(jī)監(jiān)測(cè)采用電流環(huán)通信方式， 該通信方式采用環(huán)路電流的有無(wú)來(lái)判斷是否有故障發(fā)生， 這種方式可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離長(zhǎng)，可滿足站內(nèi)3 公里，區(qū)間15 公里傳輸距離的要求[6]。此種通信方式配合軟件差時(shí)設(shè)計(jì)，能減少甚至避免誤報(bào)警、錯(cuò)報(bào)警現(xiàn)象的發(fā)生，為現(xiàn)場(chǎng)施工、使用、維護(hù)帶來(lái)極大便利。
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