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J基于點(diǎn)式LED的，智能點(diǎn)燈系統(tǒng)的設(shè)計論文
隨著國民經(jīng)濟(jì)、國民素質(zhì)的不斷提高，隨著我國鐵路的不斷提速、不斷發(fā)展，國家對鐵路“安全行車”方面越來越重視、對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)審核越來越嚴(yán)格，尤其對關(guān)系到“行車安全”的鐵路信號系統(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)鐵路信號系統(tǒng)，與“行車安全”密不可分，因此對點(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)是鐵路行車信號的燈絲自動轉(zhuǎn)換裝置，是保證鐵路行車安全的重要信號部件， 是集交流點(diǎn)燈、燈絲轉(zhuǎn)換、故障定位報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、信號機(jī)構(gòu)、燈絲繼電器、監(jiān)測主機(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)對光學(xué)特性的要求。2)點(diǎn)燈單元采用橫流驅(qū)動等技術(shù)保證正常驅(qū)動LED負(fù)載;采用比較電路以及光敏檢測電路檢測點(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)測報警電路供電電源，真正做到主電路和監(jiān)測報警電路物理分離。
3)監(jiān)測主機(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來判斷是否有子機(jī)發(fā)生故障報警，這種方式可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離長[。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計
點(diǎn)燈單元是基于STM8 單片機(jī)， 由主控點(diǎn)燈檢測模塊、通信報警模塊、連接模塊、電源管理模塊、接口模塊5 部分組成， 監(jiān)測主機(jī)是基于STM32103F 單片機(jī)，由主控核心模塊、通信報警模塊、電源模塊、轉(zhuǎn)接模塊、液晶顯示模塊組成，
2.2 系統(tǒng)通信報警硬件設(shè)計
系統(tǒng)通信報警電路是基于電流環(huán)通信方式設(shè)計的，包括監(jiān)測主機(jī)通信報警電路如圖4 所示、點(diǎn)燈單元通信報警電路如圖5 所示。電流環(huán)通信過程中，傳輸兩種電流信號，一種為電流報警信號，一種為回執(zhí)電流信號。監(jiān)測主機(jī)電流環(huán)電路和點(diǎn)燈單元電流環(huán)通信，在有電流信號傳輸時，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)， 整個電流環(huán)回路中有方波脈沖信號在傳輸; 接收狀態(tài)即監(jiān)測主機(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， 依靠自身電流環(huán)回路的發(fā)送部分電路，溝通整個電流環(huán)回路狀態(tài)。
電流環(huán)通信的工作過程如下： 當(dāng)整個電流環(huán)回路無電流信號傳輸時， 監(jiān)測主機(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)生電流報警信號時，點(diǎn)燈單元轉(zhuǎn)換至發(fā)送狀態(tài)，每發(fā)送完一次電流報警信號，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)測主機(jī)識別出點(diǎn)燈單元發(fā)送的電流報警信號時， 通過調(diào)整、變換、監(jiān)測主機(jī)波形校準(zhǔn)電路，把電流報警信號信息，轉(zhuǎn)換成監(jiān)測主機(jī)單片機(jī)可識別信號， 同時監(jiān)測主機(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，監(jiān)測主機(jī)每發(fā)送完一次回執(zhí)電流信號， 監(jiān)測主機(jī)就進(jìn)入環(huán)路溝通狀態(tài)和接收狀態(tài);當(dāng)點(diǎn)燈單元識別出回執(zhí)電流信號后，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
點(diǎn)式LED 智能點(diǎn)燈監(jiān)測系統(tǒng)采用電流環(huán)通信的方式實(shí)現(xiàn)室內(nèi)監(jiān)測主機(jī)對室外LED 點(diǎn)燈單元故障的定位和報警。室內(nèi)監(jiān)測主機(jī)有四路檢測通道，每路檢測通道最多設(shè)置50 個現(xiàn)場點(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)通信回路是通過回路中電流的通斷傳遞信息， 因此在一個通信周期內(nèi)僅允許一臺分機(jī)占用總線，若多臺分機(jī)同時占用總線會導(dǎo)致無法通信。因此分機(jī)在通信完成后一定要及時釋放總線。
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)生成一個隨機(jī)數(shù)， 分機(jī)單片機(jī)的定時器從0 開始以這個隨機(jī)數(shù)為溢出值開始延時， 這樣做的目的是給每個分機(jī)分配不同的發(fā)送起始時間， 避免多臺總機(jī)同時發(fā)送信息造成電流環(huán)無法正常通信。當(dāng)延時結(jié)束后，分機(jī)的串口開始發(fā)送報警信息。電流環(huán)通信電路將串口發(fā)送出的TTL 電平轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的高低電流， 通過電流環(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)的報警信息。
在接到分機(jī)的報警信息后， 向該分機(jī)發(fā)送回執(zhí)碼， 若分機(jī)接收到總機(jī)發(fā)過來的回執(zhí)碼則停止發(fā)送并永久退出總線， 否則分機(jī)暫時退出總線并在一段時間之后重新向主機(jī)發(fā)送報警信息。各通道的點(diǎn)燈單元編碼后都需要與現(xiàn)場真實(shí)燈名稱一一對應(yīng)。
4 結(jié)束語
點(diǎn)式LED 智能點(diǎn)燈系統(tǒng)主機(jī)監(jiān)測采用電流環(huán)通信方式， 該通信方式采用環(huán)路電流的有無來判斷是否有故障發(fā)生， 這種方式可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離長，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設(shè)計，能減少甚至避免誤報警、錯報警現(xiàn)象的發(fā)生，為現(xiàn)場施工、使用、維護(hù)帶來極大便利。
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