（交通信息工程及控制专业论文）查询—应答器系统中可变信息应答器与LEU关键技术的研究.pdf

北京交通大学硕士毕业论文 y87 8 7 2 摘要 摘要 随着列车运行速度的不断提高，铁路运输系统的智能化，对地车之间 的信息量及其传输的可靠性提出了更高的要求。查询应答器就是可应用于 铁路系统的高速点式信息传输设备。 鉴于查询应答器系统对i t s r 的重要意义，结合日益发展的集成电路 及数字仿真技术，本文对查询一应答器系统中可变信息应答器( t r a i l s p a r e n t b a l i s c ) 与l e u ( l i n e s i d ee l e c t r o n i cu _ n i t ：轨旁电子单元) 关键技术进行了研 究，论文主要工作如下： 1 对查询一应答器系统中可变信息应答器进行了研究，提出了可变信息应 答器的设计方案，给出了可变信息应答器的工作原理及其结构。 2 基于e d a 技术提出了可变信息应答器的实现方案，对设计的电路进行 了软件仿真，并用c p l ，d 进行实现。 3 对l e u 进行了系统研究，提出了l e u 的设计方案，给出了l e u 的工 作原理及其结构。 4 提出了l e u 的实现方案，对数字电路部分进行软件仿真以及硬件调 试，实现了相关模拟电路的设计、仿真与调试。 5 对删与地面可变信息应答器之间传输线，即c 接口进行了仿真研 究，建立了c 接口数字仿真模型，基于m a t l a b 平台，对c 接口进行了 仿真，得到了一些有意义的结论。 6 对可变信息应答器及l e u 系统进行联合调试。 关键词：可变信息应答器：l e u ：查询应答器；c p l d ；数字仿真 北京交通，j _ = 学硕士毕业论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a h i g h e rr e q u i r e m e n th a sb e e np u t t i n gf o n a r dt om e e tt h er e q u e s tf o r m o r ei n f o n n a t i o na n dh i 曲e rr e l i a b i l i t yi nt h ed a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e n w a y s i d ea n d 仃a i n ab a l i s ei sat y p i c a lp o i n t - t o p o i n tt m l l s m i s s i o ne q u i p m e n t l e u ( “n e s i d ee l e c 昀n i cu n i t ) i sm et r a c k s i d ec o l l i l e c t i o nb e 啊e e nm ec u r r e n t s i 萨a la 印e c ta i l di t st r a n s p a r e l l t b a l i s e mv i e wo ft h ei m p o n a n c eo fb a l i s ei n s r ，t h ep a p e rs t u d i e st h ek c y t e c h n o l o g yo ft r a n s p a r e n tb a l i s ea n dl e u b a s e d0 ni n t e 掣a t ec i r c u i ta i l dd i g i t a l s i m u l a d o n t h em a i nw o f ki ss h o w na sf - 0 u o w s ： 1 ，s t u d i e dt h e t r a n s p a r e n tb a l i s ei n t l l eb a l i s en 彻s m i s s i o n s y s t e m ， p r c s e n t e dt h es o l u t i o no ft h ed e s i 口a b o u tt r a l l s p a r e n tb a l i s e ，a 1 1 dg a v et h e p r i n c i p l e sa 1 1 da r c h i t e c t i l r e so f t h et r a n s p a r c n tb a l i s e 2 p r e s e n t e dt h es o l u t i o no fm ei m p l e m e n t a t i o na b o u tt r a n s p a r e n tb a l i s e b a s e do ne d at e c l l i l 0 1 0 9 y ，p e r f 0 1 1 e ds o f t w a r es i m u l a t i o no ft 1 1 e d e s i 印e d c i r c u i ta l l di i l l p l e m e n t e di tu s i n gc p l d 3 s t u d i e d 也es y s t e mo fl e u p r e s e n t e dt h es 。l u t i o no fd e s i 朗a b o u tl e u ， g a v em ep r i n c i p l e sa n da r c h j t e c t u r e so f l e u 4 p r e s 髋t c d 龇s o l u t i o no fi i n p l e m e n t a t i o na b o u tl e u ，p e r f o n e ds o f h v m s i m u l a t i o na n dh a r d w a r ed e b u g g i n go fm ed e s i g n e dd i g i t a ic i i u i t ，p e r f b m e d 也ed e s i g n ，s i m u l a t i o na n dd e b u g g 沁go f 也er e l e v a l l ta n a l o gc i r c u i t 5 s t u d i e dt 1 1 es i m u l a d o no fm e 廿姐s m i s s i o n1 i n eb e t w e e nl e u 姐d t t a n s p a r e n tb a l i s e ，c r e a t e dm ed i 舀t a ls i m u l a t i o nm o d e lo f t h et r a n s m i s s i o ni i n e ， p e r 五m l e ds y s t e m s i m u l a t i o nb a s e do nm a t l a ba n da c h j e v e ds o m e s i g n i f i c a f i v ec o n c l u s i o n s 6 p e r f b 咖e di n t e g r a t e dd e b u g g i n go ft h es y s t e mo ft r a n s p 盯e n tb a l i s ea n d i ，e i t k e y w o r d s ：t r a n s p a r e n tb a l j s e ；l e u ；b a l i s e ；c p l d 2 北京交通大学硕士毕业论文 第一章绪论 1 1i t s r 概述 第一章绪论 随着经济发展和技术进步，交通运输已经成为人们经济生活中不可缺 少的重要组成部分。它对保证社会经济体系及日常生活的正常运转发挥着 越来越大的作用。而铁路交通是各国国民经济重要组成部分，对发展中国 家尤为重要。铁路交通系统已经存在一个世纪以上，它为我国国民经济的发 展创下了丰功伟绩。 铁路交通控制关系到铁路行车安全的保证和行车效率的提高。铁路交 通控制系统在过去1 0 0 多年里已经经历了很多阶段，其中尤其是近2 0 多年 发展特别迅速。它已经经历了全人工、半机械、机械、机电、半电子、全 电子、集成电路几个阶段。 现在，在3 c 综合技术，即通信( c o m m u n i c a t i o n ) ，计算机( c o 邮u t e r ) 和控制( c o n t r 0 1 ) 的基础上，随着近2 0 多年来新兴的智能技术( i n t e l li g e n t t e c h n o l o g y ，i t ) 的飞速发展，i t 技术已经开始逐步渗透到铁路交通运输 控制系统中来，因此铁路交通运输控制将与公路交通控制，航空与航海领 域的交通控制等一起构成全面性的智能交通系统( i t s ) ，而铁路交通控制又 有它的特殊性，成为智能铁路交通系统( i t s r ) 。 在实际的控制与管理工作过程中，由于被控对象行为比较模糊，往往 没有精确的数学表达；被控对象有很明显的非线性行为，难以全部用数学 模型方式描述，等等情况，难以有确切的控制和精确的管理。因此，i t s r 的目的是： 1 保障铁路行车有更大的安全性，要尽量考虑到以往难以估计的因素， 其首要目标是提高全铁路运输体系的安全性。 2 研究如何进一步提高行车效率，特别是如何在应用新技术之后，使 运输效率有明显提高。 3 使铁路运输的全局调度管理和控制更趋于有序化，自动化，智能化。 4 使司机在驾驶列车时，能够获得更多的信息，使列车运行更加安全， 北京交通大学硕士毕业论文 第一章绪论 更加可靠。 5 给旅客，货运业主提供更多的信息，以方便其旅程以及货运需求等 等，提高铁路运输系统的服务，增强其在运输系统中的竞争能力。 6 提高铁路员工劳动生产率，改善劳动强度，等等。 总之，i t s r 工作的开展是希望使铁路运输有更好的质量。由于智能技 术和所有的高科技技术都是在日新月异的变化着，所以i t s r 的完善也不 可能是一朝一夕的事情，而只能是逐步完善，逐步深化。 1 1 1i t s r 的发展历史 从1 9 世纪初叶出现蒸汽动力的铁路交通以来，已经经历了几个动力变 迁阶段，而在另一方面，铁路交通也从地面大铁路发展到含有地下铁路或 城市轨道交通。铁路交通的规模则受到社会环境和经济发展的影响，它在 不同国家和不同地区有不同的发展模式，对发展中国家而言，铁路交通仍 然是这些国家主要交通工具的组成部分。随着高速铁路的出现，铁路交通 获得新生。地下铁路网建设和城市轨道交通则始终受到各国的重视。 中国铁路交通建设从解放以来一直受到重视，铁路交通运输承担着全 国运输重担，它们曾经分担全国客货运输的7 0 以上，而且至今仍达4 0 一5 0 以上。因此铁路交通运输在我国社会、人口、环境条件下将会继续会受到 重视。 对铁路交通运输控制系统而言，铁路运行的安全是铁路运行中首位重 要的事，在过去l o o 多年里，对列车运行的安全控制已经经历了全人工、 半人工、半自动、自动等很多阶段，没有安全，就谈不到运输。铁路运输 的安全技术从来就与社会科学技术水平相当，因为铁路交通控制技术属于 应用技术，所以任何先进的电子技术在社会上出现后不久就会反映到铁路 运输的控制中来，构成相应的控制系统。而通信技术、控制技术和计算机 技术构成的3 c 综合技术是促进铁路交通运输控制系统发展的基础，以后也 会一直如此。其次，交通控制的第二功能是提高铁路交通的效率。随着信 息技术的发展，铁路交通控制出现了提供全面交通信息的第三功能，它是 促进铁路交通在交通行业中具有强大竞争力的关键。也是人们社会生活迫 北京交通大学硕士毕业论文第一章绪论 切需要信息的一部分。 随着智能技术( i n t e l l i g e n tt e c h n i q u e ，i t ) 的飞速发展，铁路交通控 制在3 c 技术基础上，i t 技术已经开始逐步渗透进来，成为智能铁路交通系 统( i t s r ) 。中国铁路的i t s r 建设从实质上讲起步较早，如： - 2 0 世纪6 0 、7 0 年代开始就有各类自动闭塞系统的开发及应用； _ 在2 0 世纪8 0 年代及9 0 年代期间，全国就有多种大、中、小型车 站的计算机联锁系统逐步替代原来已广泛应用的电磁继电器为主 的车站联锁装置； _ 在2 0 世纪8 0 年代末就已经开发成功由计算机控制的铁路供电系统 计中调度系统； _ 2 0 世纪9 0 年代开始有铁路信息系统与运输管理信息( t m i s ) 的开发 和研究： _ 2 0 世纪9 0 年代开始有调度管理信息系统( d m i s ) 的开发和研究； 在2 0 世纪9 0 年代，完成了驼峰编组站自动控制系统的开发、研究 与应用； 在2 0 世纪9 0 年代，开始用计算机编制全国范围内的列车运行图， 并在此基础上，引入智能化技术，开发列车运行图自动调整再编制 项目，使列车调度系统的实时控制和管理进入一个新的阶段； _ 2 0 世纪9 0 年代完成了铁路运输中轨道负荷、车辆状态安全监测系 统，它可以对列车超载、偏载、车辆侧滚及减载率等检测和统计。 此系统于1 9 9 6 年投入实际应用。 一2 0 世纪9 0 年代，开始对铁路交通线路的自然灾害宏观进行预警信 息系统的研究，保证线路的安全畅通，等等。 诸如此类数十种乃至上百种系统。这些系统均是i t s r 系统建设的一 部分。仔细分析这些系统，不难发现信息化是它们的主线，这也完全符合 社会上信息化工作的发展。所以，i t s r 的主要工作就是采集铁路运输的各 种信息、研究控制和管理这些信息，使这些信息为我所用，保障行车安全 以及提高行车效率等。 北京交通人学硕士毕业论文 第一章绪论 1 1 2i t s r 的发展现状 铁路交通控制系统在过去1 0 0 多年里已经经历了很多阶段，其中尤其 是近2 0 多年发展特别迅速，它已经经历了全人工、半机械、机械、机电、 半电子、全电子、集成电路几个阶段之后，随着智能技术的发展，逐步渗 透，现在已进入到微机和智能化阶段。 经过几十年的变迁，智能铁路运输系统经过逐步的完善和深化，其基 本组成如下图1 1 所示： 图1 1 ：i t s r 基本组成 1 适用于区间运行控制的智能列车运行自动控制系统 如前所述，铁路交通控制系统的首要目标是保证行车安全，其次是提 高行车效率。丽智能列车运行自动控制系统是以无线通信为基础，以a t p ( 列 车超速防护) 为核心，其主要功能有二：一是防止列车超过规定速度运行， 二是防止列车冒入禁止信号，避免发生撞车问题。它不仅用于地面大铁路， 而且还用于地下铁道、城市轨道交通以及高速铁路等。 4 北京交通大学硕士毕业论文 第一章绪论 2 适用于车站运行控制的车站智能化联锁控制系统 针对车站的行车安全和效率提高，1 0 0 多年来就有车站联锁系统，开始 是人工，之后是机械、电机、电气、继电器、电子等构成的系统。2 0 世纪 7 0 年代后期，瑞典铁路第一次开发出微机控制的联锁系统，从此在车站联 锁系统方面转到了个新的智能化控制的时代。中国铁路交通系统在2 0 世 纪9 0 年代也陆续开发出相应的智能化车站联锁控制系统。全国有多种大、 中、小型车站的计算机联锁系统逐步替代原来已广泛应用的电磁继电器为 主的车站联锁装置。 3 适用于编组站运行控制的编组站运行全自动控制系统 铁路交通运输中设有编组站，这与其它交通系统不同，因为任何列车 均由很多车辆连挂而成，且每列车中各车辆的货物从一开始并不是一定到 达同一目的地，因此只有经过编组才能组成到达同一目的地的列车 为了加速列车的编组，在一些有大量车流集散地设置编组站，而为了 使此编组过程加快，所以在编组站产生了自动控制系统。这种系统的目的， 一方面加速待编车列推进到编组站峰顶，加大解体能力，另一方面将流放 车辆控制得体，使它们既不在中间停留，也不往下向已停留的车辆发生危 及安全的碰撞，加速了编组。 4 适用于区域运行监控和指挥的广域调度智能监控系统 涉及数百公里甚至以上广域范围内列车运行调度集中控制的系统，它 是一个遥信遥控的系统，用以对区域内的行车进行调度指挥。到2 0 世纪8 0 年代后期，由于3 c 技术的蓬勃发展，开始构成广域调度指挥智能监控系统， 它在计算机控制下，在先进的广域网技术支持下，这类调度监控系统可以 使调度员在宽广的显示屏幕前对全域的行车情况进行得心应手的调度指 挥，而且自动记录下行车的一切踪迹。 5 智能运输管理信息系统 智能运输管理信息系统是i t s 求的基本组成部分，通过智能编制各级 运输计划，对车辆装卸和列车运行进行控制和指挥，并向铁路各级管理人 员和列车调度、控制和指挥人员提供及时准确完整的运输信息和服务。 6 智能用户信息服务系统 为用户及时准确地提供各种客货服务信息，最大限度的满足用户的各 北京交通火学硕士毕业论文 第一章绪论 种要求，提供各种便利、优质的服务。 1 2 查询一应答器及l e u 系统概述 安全、可靠、及时、准确地传递数据是s r 的基本要求。i t s r 内部 子系统间的信息数据传输有些部分必须要用到无线信息传输系统。而高速 运行的列车和地面控制系统之间的数据信息的交换即是一个典型的无线传 输过程，需要用到无线信息数据传输系统。 查询应答器是应用于铁路系统的高速点式信息传输设备，应用于特定 地点的地一车信息数据交换。查询一应答器是i t s r 中不可缺少的部分，它完 成了i t s _ r 子系统之问的数据信息的高速无线传输； l e u ( 轨旁电子单元，l i n e s i d ee l e c t r o n i cu n i t ) 是信号标志和地面应答器 ( 打a n s p a r e n tb a l i s e ) 之间的轨旁连接接口 1 2 1 查询一应答器的发展历史 早在5 0 多年前，不少铁路系统都发展了点式停车装置，当列车通过安 装有该点式设备的点时，若为停车信号，则立即从地面通知司机停车，此 类停车装置最早为机械方式，继而发展为电子方式，即机车和地面之间均 有感应线圈，并规定有某种频率的信号，当为停车信息时，车上和路旁两 者的线圈之间发生谐振，产生确切的信息给机车装置，这类装置实际上就 是查询应答器的前身，也是铁路上运用的最初形式。但是由于信息量少， 可靠性不够好，维护工作量大等，于2 0 世纪8 0 年代逐渐停止使用，但这 种地面机车之间短程无线信息数据传输的方式则始终没有中断。 查询应答器就是应用短程无线信息数据传输原理而设计的地一车信息 传输设备。而l e u 则是位于地面的信号标志或车站联锁控制设备与这些点 式装置之间的轨旁连接接口。 在近代铁路系统，查询一应答器和l e u 的研制开发和应用逐步在扩大， 并且趋向于定型化和标准化。 北京交通大学硕士毕业论文 第一章绪论 1 2 2 查询一应答器的发展现状 目前，由于西方发达国家的开发研制起步较早，技术比较成熟，日本、 美国、瑞典、加拿大等许多国家发展了各自的查询一应答器及相关的应用系 统。到2 0 世纪9 0 年代，欧洲各国已逐步建立统一标准，研制开发了 e o b a l i s e ，建立了一个统一尺寸标准、类型标准、接口标准以及技术参数 的参考标准。 我国查询一应答器系统的研制开发起步较晚，没有得到大家广泛认可的 应用。沈阳信号工厂( 2 5 6 k h z 1 6 6 4 m h z ) 和铁科院( 1 2 8 k h z 1 m h z ) 都做出了 实验性质的产品，虽然在现场试验及试用有不少的事例，但是还没有在中 国铁路及城市轨道交通等领域获得大家认可的广泛应用，更没有统一标准、 统一结构、统一参数等。 而现在，随着智能铁路运输系统的发展，列车运行速度的一再提高， 迫切需要有相应的高速信息传输设备。我国的铁路专家借鉴欧洲标准的成 功经验，制定了一系列的技术指标，为中国铁路信号的跨越式发展确定了 总体技术方案和总体规划。 而研制自有的并符合标准的查询一应答器系统就成为当务之急。 1 3 论文研究内容 本文从i t s r 的简介及其对查询应答器系统和l e u 的需求的研究出 发，探讨了地面应答器及l e u 的体系结构，然后介绍了无源地面应答器的 设计研究，在此基础上，着重探讨了可变信息应答器以及l e u 的实现。 文中各章研究的内容安排如下： 第一章：i t s r 简介。首先简单介绍i t s r ；其次介绍了查询应答器系 统以及l e u 的发展历史及现状。 第二章：查询一应答器的结构及相关标准。介绍了查询一应答器的功能， 结构及工作原理，并简要介绍了相关的标准，技术参数等。 第三章：可变信息应答器的设计与实现。研究了可变信息应答器的系 7 北京交通大学硕上毕业论文 第一章绪论 统结构及其实现，并对相关模块进行仿真调试。 第四章：l e u 的系统结构及其实现，并对相关模块进行仿真调试。随 后就是可变信息应答器与l e u 之间传输线系统的仿真。按照具体的传输要 求，对查询应答器和l e u 之间的传输线进行建模以及仿真。 第五章：系统的联调及展望。介绍可变信息应答器和l e u 系统的调试 情况。对可变信息应答器及l e u 的发展进行展望。 第六章：结论。总结论文所作的工作。 北京交通大学硕士毕业论文第二章查询应答器系统原理 第二章查询一应答器系统原理 2 1 查询一应答器功能及特点 2 1 1 查询一应答器功能 查询应答器的总功能就是提供信息。查询一应答器是一种查询后给予应 答的设备，用于s r 中的无线信息传输，用于在特定地点实现地面与机 车之间的相互通信。它包括有一套查询设各一套应答设备，此外一般还包 括应答信息后的处理和控制设备，一般将处理和控制设备归于应答设备， 因为信息处理和控制设备往往随应用系统而变化。但是不管如何，查询应 答器系统中车载和路旁两种设备是必不可少的。 i t s r 中查询器和应答器往往用在运行中的列车和某个固定地点之间 作信息传输。一般是查询器装在列车上，而应答器装在地面轨道上，这样 形成机车查询信息，地面回答所需信息，个别地方也有相反的，具体应用 要根据其功能而定。 2 1 1 查询一应答器特点 查询一应答器是根据列车运行由车载查询器发送查询信息，由地面应答 器实时的向列车传输线路编码数据，不会因为人为因素出现差错。应答器 主要具有如下特点： 1 不管是固定信息应答器还是可变信息应答器，其功耗都控制在很小 的范围内。 2 固定信息应答器可提供固定的信息内容，如里程标、区问长度、限 速值、坡道值等。 3 可变信息应答器可提供实时信息，如股道号、进出站、通过等。 4 无源应答器使用寿命长，无需维护。 北京交通大学硕士毕业论文 第二章查询一应答器系统原理 5 6 7 8 不受话路限制，传输信息量大，有利于实现系统故障导向安全。 电磁场稳定，可以获得高质量的传输效果。 具有高速、高可靠的无线数据传输功能，适于各种条件，即可用于 既有线路，也可用于高速线路，在线路不断改造或机车车辆进行升 级之后，该车载设备和地面设备仍可继续使用。 借助专用设备可以对地面应答器中的数据进行反复编码。 2 2 查询一应答器系统结构及工作原理 2 2 1 系统结构 查询一应答器系统分为2 个部分：车载查询器部分和地面应答器部分。 地面应答器 地面应答器负责向通过的列车传送特定的地面信息，一般安装在轨道 中间。当机车经过地面应答器时，车载查询器的车载天线通过无线射频激 活地面应答器，使其发送预置数据，车载天线进而接收地面应答器所发射 的数据，从而机车获得诸如公里标、限速、坡度等信息，保障列车运行安 全。 地面应答器有很多种，可以按照不同的指标来进行分类，如按功能、 尺寸、安装位置来划分。最主要的则是按照供电来源分为有源地面应答器 和无源地面应答器2 种类型。 无源应答器安装于两根钢轨中心地面上，不需要外加电源，平时处于 休眠状态，仅在列车通过并获得车载天线发送的功率载波能量时被激活， 同时发送调制好的数据编码信息。其编码策略具有强检错、易解调的特点。 点式无源应答器，或称固定信息应答器，设置在车站机车信号起始点( 双接 近区段车站的第一接近信号机) 前方，能向上、下行列车的车载设备发送有 效数据。其主要功能是为列车运行控制系统提供检查机车信号起始点的准 确数据，同时校准里程计累积的定位误差。当机车通过点式无源应答器时， 车载查询器接收机车信号起始点信息，经车载信息处理器处理后提供给列 北京交通大学硕士毕业论文 第二章查询应答器系统原理 车运行控制系统，包括相邻区段的长度、坡度、限速点等参数。列车运行 控制主机将信息加以处理后，通过人一机交互界面发出提示，告诉司机前 方进入接近区段，注意地面信号的显示。在指定设置点式查询应答器的线 路两端，各设1 个无源应答器，为进入区段的机车提供车载设备初始化信 息。车载设备通过该信息，能确定本次机车的运行方向，从而能区分接收 地面应答器信息的运行方向。 有源应答器设置在车站进站信号机前方，由可变信息应答器、轨旁电 子单元( l e u ) 、车站信息编码设备及联接电缆组成。车站信息编码设各与车 站联锁系统结合，采集来自联锁系统的有关信息( 如列车进站的股道号、 股道长度、临时限速等) ，通过串行接口传送到轨旁电子单元，再通过它控 制可变信息应答器的发送，为列车提供实时信息，解决人工输入易出差错 的问题。车站信息编码设备与轨旁电子单元之间的电缆与进站口的信号机、 轨道电路信号传输电缆合并，采用铁路内屏蔽数字信号电缆。可变信息应 答器要向车载运控装置提供列车进站的股道号、股道长度、临时限速等动 态信息，因此查询应答器系统必须与车站联锁系统进行联接。 车载查询器 车载查询器主要包括车载天线和车载信息接收处理器两部分。 车载天线置于机车底部，距轨道约1 8 0 3 0 0 砌。当天线的导体通过高 频电流时，在其周围空间会产生电场与磁场，电磁场能离开导体向空间传 播，形成辐射场。发射天线正是利用辐射场的这种性质，使车载主机传送 的高频信号经过发射天线后能够充分地向空间辐射。当地面应答器被激活 后，应答器发射另一个高频信号，在其电磁波传播的方向，天线就会产生 感应电动势。此时与天线相连的接收设备输入端就会产生高频电流，接收 效果的好坏除了电波的强弱外，还取决于天线的方向性和与接收设备的匹 配情况。 车载信息接收处理器检查、校验、解码和传送接收到的报文；选择激 活位于机车两端的任一天线：与列车运行控制系统进行双向数据传输：并 具有自检和诊断功能。 本论文主要研究的是可变信息应答器以及l e u 及其关键技术，故在下 图中给出了可变信息一应答器系统以及l e u 与车载设备的系统结构图。 ! ! 塞奎望查兰堡主兰些堡兰 塑三皇查塑：鏖篁矍至竺! 垦王生 如图2 1 所示： 一一一一一一一 图2 1 ：可变信息应答器系统结构图 接口a 为车载设备与地面应答器之间的无线传输信道。 接口c 为l e u 与可变信息应答器之间的有线传输信道。 接口s 为l e u 与微机联锁之间的串口以及与信号标志之间的数字开关 量。 2 2 2 工作原理 查询一应答器是通过两者之间的无线电波传输信息来完成其通信功能。 不管是无源应答器还是可变信息应答器，车载查询器的结构是一致的。 车载查询器包含有三个部分： 能源发送线路，信息接收线路，这两者包含于车载天线部分； 车载信息解码器； 车载处理器。 地面部分的l e u 包含有： 2 北京交通大学硕士毕业论文第二章查询应答器系统原理 编码器； 报文码存储器； 报文码调制器。 对于可变信息应答器，其本身自备有电源，它存储的信息是可变的， 当查询器与其耦合谐振时。立即发出应答器内部已存储好的报文信息。地 面应答器包含有： 解调器； d d f s ( 直接数字频率合成) ，并行d a 控制器； 谐振发送线路，即发送天线。 可变信息应答器的信息传输过程如下图2 2 所示： 图2 2 ：地面信息传输流程图 在i t s r 中，信息源来自于微机联锁系统或股道条件或信号机等。l e u 将来自于信号源的信息进行编码得到相应报文的地址信号，对l e u 中的存 储器进行寻址，往外读1 0 2 3 b i t s 的b c h 报文，由调制器调制后经由电缆发 送到现场设备。从l e u 到可变信息应答器的传输距离要求达到5 公里以上， 从存储器出来的报文经由调制器需要转为d b p l ( 双相差分) 码，以适于长距 离传输。 可变信息应答器将接收到的d b p l 报文进行解调得回b c h 报文码，进行 直接数字频率合成得到数字调频波，再经过数模转换，得到经过报文码的 模拟调频波，最后通过平衡驱动放大器，经由天线发送到经过的列车上面。 l斟；览 ；|v；：。 一 怔 u墓l 北京交通大学硕士毕业论文 第二章查询应答器系统原理 上述即为查询一应答器系统中地面设备之间的信息传输流程。 2 3 相关标准及技术指标 查询一应答器在国外应用较早，相对比较成熟，日本，美国，瑞典，加 拿大等许多国家发展了各自的查询应答器及相关应用系统。到2 0 世纪9 0 年代，欧洲各国已逐步建立统一标准，研制开发了e u r o b a l i s e ，建立了一 个统一尺寸标准，类型标准，接口标准以及技术参数的参考标准。 下表给出了目前国内外的一些查询一应答器的参数： d 巅祗窨熊洳趟。$恻剐1露武嘧柱匝jn憾 + n 椰重受 曩 昌忘 n 宙景 委 羹曼星 聪 ；兰 妊 n 樾 受 萎 典皿牮 昌 ：3 甚始 f r= o n 导蚪 受萤 固圃 8 量高始陋 龌 受 n 痞 罱受 举 医咿l 鲎 羔 题逛h遏 葛 兰釜 n 复 慕鹭 受 星虽 n 幡副 受 受 缸茁 等 g = n n n 驾 受 受 趸 誉 蜀 s i 珂目 j 则 镒斟啦酶 n 幽爨踊释 副蜊暖迎旺 制隧嚣倏椎稚毯晕瑚料赫 杈甜爿卅刊巨扑杉嚼挂怕善 北京交通大学硕士毕业论立 第二章查询应答器系统原理 由于e u m b a l i s e 的应用范围比较广，获得了大家广泛认可的应用，我国 的铁路专家借鉴欧洲标准的成功经验，制定了一系列的技术指标，为中国 铁路信号的跨越式发展确定了总体技术方案和总体规划。 接下来简要说明了应答器的技术标准。在此技术标准中，规定了应答 器设备的基本功能、设备类型、技术要求、报文定义；此标准适用于c t c s l 4 各级列车运行控制系统；此标准适应列车最高运行速度5 0 0 k m m 。 2 3 1 查询一应答器描述 查询应答器由地面和车载两部分设备组成。 2 3 1 - 1 地面设各 查询一应答器地面设备包括：地面固定信息应答器，地面可变信息应答 器，与地面有源应答器连接的地面电子单元( l e u ) 。 地面固定信息应答器通过接受应答器车载天线传递的载频能量获得电 能使地面应答器中的信号发生器工作，将事先存储在地面应答器中的数据 发送出去。 地面可变信息应答器通过与其连接的地面电子单元( l e u ) ，可实时更新 地面应答器中的数据，实现地面应答器对变化数据的传输。 2 3 1 2 车载设备 查询一应答器车载设备包括：车载天线、车载处理器、载频发生器与功 率放大器。 载频发生器与功率放大器用于产生激活地面应答器所需的载频能量并 通过车载天线传递给地面应答器。 车载解码器用于对地面应答器的信息进行接收、滤波、数字解调与处 理以及相关数据的传输。处理好的数据通过相应的接口在约定的接口协议 下传送至相关的设备，如a t p 设备、显示设备或者无线设备。 北京交通大学硕士毕业论文 第二章查询应答器系统原理 2 3 1 - 3 地面设备的主要功能 _ 接收应答器车载天线传递的载频能量。 向应答器车载天线发送数据信息。 2 3 1 4 车载设备的主要功能 _ 发送地面应答器需要的能量。 _ 接收地面应答器传递的信息。 _ 分析接收到的数据流，找到完整的报文。 一形成处理好的无错报文。 一确定定位参考点。 循环测试车对地发送通道( 包括天线) 的有效性。 当车载应答器天线在有效作用范围内时，地面应答器需发送连续的信 息。应答器信息形成一个无缝的报文信息流，该报文由同步码、有效信息 以及校验码组成。报文码的长度根据应用的区段定义。一个应答器只能发 送一种长度的报文。 2 3 2 接口定义 接口定义对确保不同应答器设备间互联互通以及信息传输的高效、安 全、可靠具有重要的意义。下面给出了三种接口的定义： “a ”接口定义： a ”接口为地面应答器与车载天线设备之间的通信接口。此接口为无线 传输接口，传输介质为空气间隙，通过电磁耦合来完成地车之间能量以及 数据信息的传输。 “c ”接口定义： “c ”接口为可变信息应答器与地面电子单元( l e u ) 之间的通信接口。此 接口为有线传输接口，传输介质为信号电缆。报文的串行发送接收速率与 空气间隙中的速率相同。 7 北京交通大学硕士毕业论文 第二章查询应答器系统原理 “s ”接口定义： “s ，接口为地面电子单元与车站联锁控制设备或者信号显示设备之间 的通信接口。此接口为有线传输接口，与计算机联锁设备之间应采用r s 4 8 5 、 c a n 总线或者其他串行数据总线方式连接；与继电联锁设备之间可采用具 有故障安全原则的继电器输入接口进行连接。 “b ”接口定义： “b ”接口为应答器与车载控制设备之间的通信接口。此接口为有线传输 接口，应采用r s 4 8 5 、c a n 总线或者其他串行数据总线方式连接。 2 3 3 物理层 可变信息应答器的主要技术指标： 可变信息应答器上行链路( 地一车传输) 中心频率：4 2 3 4 m h z 2 0 0 k h z 系统时钟频率：2 7 0 9 5 m h z 一数据信号调制方式 调制方式：f s k 调制频偏：2 8 2 2 4 i ( i z 调制速率：5 6 4 4 8 k b p s 一有效作用长度：0 5 m 一2 2 m 一车载天线与应答器的距离：2 4 9 册一4 6 9 唧 一应答器带内频率辐射满足： e n 3 0 0 3 3 0 ( 1 9 9 9 年5 月发布) 7 2 1 3 表中定义的辐射要求。 一应答器带外频率辐射满足： e n 5 0 1 2 卜2 中4 1 节中定义的辐射要求，衰减6 d b l e u 的主要技术指标： 一与车站联锁设备间的通信接口 采用串行数据总线传输方式，通信波特率9 6 0 0 b p s 字节帧格式：1 位起始位，8 位数据位，1 位终止位，共1 0 位。 北京交通大学硕士毕业论文 第二章查询应答器系统原理 _ 数据信号调制格式： 调制方式： d b p l 报文码频偏：2 8 2 2 4 k h z 报文码速率：5 6 4 4 8 k b p s 一与可变信息应答器的连接方式 屏蔽数字信号电缆 传输距离：5 k m 误码率： 1 0 e 一5 2 3 4 逻辑层 逻辑层基于应答器技术标准，采用的是e t c s 应答器的编解码策略。 下面对逻辑层做了简单的介绍： 编码方式：b c h 循环码 校验方式：8 5b “s 循环冗余校验 同步方式：块控制首部( b c h b l o c kc o m r o lh e a d e r ) 报文码长：1 0 2 3b i t s 可用码长：8 3 0b i t s 用户报文：由用户定义的应用报文 2 3 5 可变信息应答器数据变更 可变编码的有源应答器其地面应答器的数据报文应可随外部控制条件 产生不少于2 5 6 种的变化信息。 根据需要车站地面控制中心应能对有源地面应答器中存储的数据报文 内容进行修改、更新，其操作过程应符合铁路信号相关技术原则。 列车接近应答器时，应答器内的数据应该保持不变，列车远离应答器 后，数据可以随时变化 使用可变信息应答器时，l e u 应能实时监测与可变信息应答器间的发 送信息通道的状态及信息的正确性。一旦l e u 与可变信息应答器通信中断 1 9 北京交通大学硕士毕业论文 第二章查询一应答器系统原理 或者检测到发送的数据与预期的数据有误，不应产生危及行车安全的行为。 2 3 6 可变信息应答器数据与软件管理 应答器系统设备应采取有效的方法和步骤确保存储数据的正确性： 1 存储的原始数据应准确无误 2 源代码( 线路数据1 应准确无误 3 报文应经特殊代码编译而成 4 数据正确存放在应答器或者l b u 的存储单元的相应位置，即存放在 相应的存储单元，选择地址线时不得有误，必须有相应的安全措施 5 存储的数据要对随即错误有很好的防护，如果有错误要能够被检测到 并能得到及时处理，以防危及行车安全。 6 存储数据的随时读出 7 存储数据的修改必须有严格的授权。 软件只能由经授权的厂家或个人进行修改，每个软件模块需有版本号。 当修改后的软件经调试确认得到批准后，需有新的升级的版本号，同时需 用户签字同意接受新的版本。版本编号要简易明了。 2 0 北京交通大学硕士毕业论文 第三章可变信息应答器的设计与实现 第三章可变信息应答器的设计与实现 本章首先介绍可变信息应答器系统的系统结构及工作原理；然后根据 实际需要，提出可变信息应答器系统的实现方案，并针对其中的关键技术， 尤其是涉及硬件的关键技术进行详细的研究分析。 3 。1 可变信息应答器的总体设计 3 1 l1 系统设计原则 在设计可变信息应答器的过程中，应遵循以下三个原则： 首先，虽然可变信息应答器有电源供电，但是它也不能无节制的消耗 能量，故应答器必须满足低功耗的要求； 其次，上行链路( 地一车传输) 的有效作用长度最小为o 5 ，而假设当列 车以2 0 0 k m h 的速度通过时，上行链路的有效作用时间约为9 m s ，在这个时 间内，地面应答器必须发送至少3 帧的报文至列车，此即为列控系统对报 文码的实时性要求，因此可变信息应答器的工作速度要足够快； 最后，如果使用多个芯片实现可变信息应答器的数字部分功能，还必 须考虑其上电时序的问题。 近年来，随着集成电路制造技术的发展，可编程逻辑器件( p l d ) 在速度 和集成度两方面得到了飞速提高。由于它具有功耗低、体积小、集成度高、 速度快、开发周期短、费用低、用户可定义功能及可重复编程和擦写等许 多优点，应用领域不断扩大，越来越多的电子系统开始采用可编程逻辑器 件来实现数字信号的处理。故此设计的数字部分可以使用c p l d ( 复杂可编程 逻辑阵列) 来实现，通过v h d l 语言以及通过调用a l t e r a 公司的q u a r t u si i 软件的m e g a f u n c t i o n 中的功能模块来描述。 如果使用现有的d d f s 芯片和e p r o m ，其上电复位和配置时间也需要数 毫秒，而且还需要考虑其上电时序的问题。现有的d d f s 芯片无法满足要求， 北京交通大学硕士毕业论文 第三章可变信息应答器的设计与实现 故在应答器的设计中不采用现有的d d f s 芯片。 如果使用一片c p l d 芯片能够实现可变信息应答器数字电路部分，同时 能够满足其实时性，低功耗和可靠工作的要求，而且不用考虑其上电时序， 这种情况是最为理想的。所以，在此考虑用一块c p l d 芯片来实现可变信息 应答器的数字电路部分。 3 1 2 系统结构 根据以上设计原则，提出可变信息应答器系统构成基本如图3 1 所示， 一般可以分为信息源，信号接收解码，报文码调制，d a c ，平衡驱动放大 器，发送天线。 图3 一1 可变信息应答器系统构成 信息源：信号为d b p l 码，来自于l e u ，经过信号电缆，或者其它种 类的传输线，发送到可变信息应答器。 电源模块：给可变信息应答器其他模块的正常工作供应能源。 信号接收解码：主要接收传输线传过来的经过编码的报文码，并解码 得到循环的1 0 2 3b i t sb c h 报文码。 d d f s 模块：主要是对1 0 2 3b i t sb c h 报文码进行调频。传输过程中， 报文码上下边频由不同频率的波形组成，要设置两个频率控制字。输出其 北京交通大学硕士毕业论文 第三章可变信息应答器的设计与实现 高m 位作为波形存储模块的寻址地址。 波形存储模块：以1 0b i t s 二迸制格式存储有一个周期的正弦波的幅度 值。当d d f s 给出m 位作为波形存储器的寻址地址，波形存储器输出相应 的幅度值。 并行d a c ：进行数模转换。将经过调制的b c h 报文码转换为模拟调 频信号。 之后就是将模拟调频波经平衡驱动放大器，发送天线，送往过往的列 车。 3 1 3 工作原理 如前面所述，可变信息应答器是一个位于地面的高速的点式信息传输 设备。其工作原理及流程如下： _编码后的d b p l 报文码经过信号电缆传输到可变信息应答器接口， 经过解码模块解码，得到n r z 报文码； _ 用报文码调制频率控制字，进行直接数字频率合成，得到地址信号， 查找波形存储模块，得到对应的幅度值，进而得到数字调频波； _ 之后将得到的数字调频波送往并行d a c ，可以得到相应的模拟调 频波，经由平衡驱动放大器，发送天线发送到过往的列车上面。 3 2 可变信息应答器的实现 可变信息应答器的实现可分为两个部分：数字部分和模拟部分。数字 部分包括d b p l 报文码解码得到n r z 码，以及数字调频波的产生；模拟部 分则是将得到的数字调频波转换为稳定的模拟波形并经过平衡驱动放大器 后，通过天线将之发送出去。 整个系统的原理框图如图3 ，2 所示： 北京交通大学硕士毕业论文 第三章可变信息应答器的设计与实现 图3 2 ：系统原理框图 北京交通大学硕士毕业论文第三章可变信息应答器的设计与实现 3 2 1 数字部分原理及其设计与实现 3 2 1 1 解码模块的设计与实现 从电缆传输到可变信息应答器的是一个循环的d b p l 报文码，希望经由 解码模块得到一个以5 6 4 k b p s 的固定速率循环发送的1 0 2 3 位n i 屹报文码 s ，以此作为d d f s 主模块的调制信号。 d b p l ，即双相差分码。随着