RFIDRFID车运行控制系统中的应用

1、RFIDRFID车运行控制系统中的应用摘要 文章简要介绍射频识别技术 (RFID) 的原理、分 类和应用，说明在我国 CTCS-2 级列车运行控制系统中， RFID 技术被应用到实现列控车载设备和地面设备之间的通信。最 后，详细阐述车地信息传输的主要设备地面应答器的结构、 功能以及工作方式。关键词RFID ; CTCS-2 ;应答器 作者简介 陈凯，西安电子科技大学电子工程学院硕士 研究生，研究方向：射频通信，陕西 西安， 710071中图分类号 TN92文献标识码 A 文章编号1007-7723(2008)12-0019-0003一、 RFID 系统概述(一)RFID系统基本原理RFID(R

2、adio Frequency Identification) ，即射频识别技术， 是 20 世纪 90 年代开始兴起的一种自动识别技术。这项技术 利用射频信号通过空间耦合实现无接触式双向通信交换数 据，从而达到目标识别和远程监控管理的目的。其核心技术 包括无线电射频通信、计算机软件硬件、编码学和大规模集 成电路技术等多种现代高新科学技术，是多种跨门类科学技 术的综合体，被广泛应用于身份识别、仓储物流、生产自动 化、安全系统和交通系统，比如第二代身份证、门禁系统， 自动收费系统、高速列车控制设备等。最基本的RFID硬件系统包括标签（Tag）、读写器（Reader） 和天线 （Antenna） 三

3、部分。标签由耦合元件和芯片组成，存储 着一个或多个数字信息序列。读写器的基本任务是触发作为 数据载体的射频标签，接受标签发送的数据或向标签发送数 据，并能通过标准接口 （如 RS232 等）与计算机网络进行通信。 RFID 系统基本模型如图 1 所示。由此模型可以看出， RFID 系统的工作流程为：读写器通过发射天线发送一定频率的射 频信号，等到标签进入发射天线工作区域时产生感应电流， 射频标签获得能量被激活；标签将自身编码等信息通过卡内 置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从标签发送来的 载波信号，经天线调节器传送到读写器，读写器对接收的信 号进行解调和解码后送到后台主系统进行相关处理；主

4、系统 判断该标签的合法性，针对不同的信息做出相应的处理和控 制，发出指令信号控制执行机构动作。（二）RFID系统的分类和应用通过对标签的不同方式的划分，可以把 RFID 系统分为 以下几类：1 按供能方式根据其供能方式可分为有源和无源标签两类。无源标签 所需工作能量需要从读写器发出的射频波束中获取能量，经 过整流、存储后提供电子标签所需的工作电压。与有源标签 相比，具有成本低、不需要维护、使用寿命长等特点。其缺 点是读写器要发射更大的射频功率、识别距离较近等。2 按载波频率分类 按标签载波频率分为低频射频系统、中频射频系统和高 频射频系统。低频射频系统频率主要有 125kHz 和 132.4k

5、Hz 两种；中频射频系统主要为 13.56MHz ；高频射频系统主要 为 433MHz 、915MHz 、2.45GHz 、5.SGHz 等。低频系统主要 用于短距离、 低成本的应用中， 如多数的门禁控制、 校园卡、 货物跟踪等。中频系统用于门禁控制和需要大量数据交换的 应用系统；高频系统应用于需要较长的读写距离和高读写速 度的场合。其天线波束方向较窄且价格较高，应用于列车监 控、高速公路收费等系统中。3 按调制方式的不同分类 按调制方式的不同可分为主动式和被动式。主动式射频 标签用自身的射频能量主动地发送数据给读写器；被动式射 频标签使用调制散射方式发射数据，它必须利用读写器的载 波来调制自

6、己的信号。该类技术适合在门禁或交通系统中， 因为读写器可以确保只激活一定范围之内的射频标签。RFID 系统具有安全性高、数据信息量大、结构简单、 维护方便等优点。随着轨道交通的发展，列车与地面之间需 要交换大量固定信息和可变信息，仅依靠由轨道电路将闭塞 信息送至列车的方式已不能满足要求，尤其在一些特殊的场 合，比如：进出车站、区间信号点、弯道、坡度等。车载和 地面之间需要其他传输信息的通道增加车载控制设备的参 考数据以满足列车安全、舒适运营的要求。所以， RFID 系 统作为高速列车和地面之间传输信息的比较理想的方式，成 为了轨道交通列车控制系统的重要组成部分，也是我国 CTCS（ 中国列车运

7、行控制系统 ）指定使用的设备。二、 RFID 在列车控制系统的应用（一 ）CTCS-2 级列车控制系统中的 RFID 技术 目前，国内铁路地面与机车的信息传递大部分仍依靠轨 道电路完成，我国自行研制开发的 ZPW2000（uM） 系列轨道 电路已在全路大面积装备，具有 18 个低频信息，但是单纯 依靠轨道电路信息已无法满足进一步提速对信号系统的技 术要求。随着第六次大提速的实施，速度将突破160km h达到200250km/h,铁路系统必须拥有与之相适应的列车 控制设备。立足于我国的技术装备，参照欧盟 ETCS 相关标 准，我国自主研发了完全拥有自主知识产权、符合我国技术 政策和铁路运输需要的

8、中国列车运行控制系统 CTCS-2 级实 施方案：在我国 ZPW-2000(uM) 系列自动闭塞轨道电路的基 础上，地面加装点式应答器、车站列控中心等，动车组上装 备列控车载设备，并与车站联锁、行车指挥等有机结合的实 施方案。CTCS 2 级列控系统包括列控车载设备和列控地面设 备。其中列控车载设备中的应答器信息接受模块 (BTM) 和列 控地面设备中的应答器设备之间的数据通信功能利用的就 是 RFID 技术。(二)应答器原理和结构根据CTCS技术规范总则,从CTCS-1级到CTCS - 4级都要用到应答器设备。因此，应答器是铁路既有线路提速 改造和客运专线中不可缺少的设备。应答器设备向列控车

9、载 设备传送以下信息：( 1 )线路基本参数：如线路坡度、轨道区段等参数；(2) 线路速度信息：如线路最大允许速度、列车最大允许 速度等；(3) 临时限速信息： 当由于施工等原因引起的对列车运行 速度进行限制时，向列车提供临时限速信息；(4) 道岔信息：给出前方道岔侧向允许列车运行的速度；(5) 特殊定位信息：如升降弓、进出隧道、鸣笛、列车定位等；(6) 其他数据：固定障碍物信息、列车运行目标数据、链 接数据等。应答器地面设备由无源应答器、有源应答器、地面电子单元(LEU)组成：无源应答器用于发送固定不变的数据，如设置在区间， 发送线路坡度、最大允许运行速度、轨道电路参数、列控等 级切换等信息

10、。有源应答器与 LEU 连接，用于发送来自于 LEU 的报文， 在既有的提速区段，有源应答器设置在车站进站端和出站 端，主要发送进路信息和临时限速信息。LEU 周期接受来自于车站列控中心 (TCC) 的报文，并传 送给有源应答器。列控地面设备的应答器安装于两根钢轨之间 的枕木 上，平时处于休眠状态，不要求外加电源。当列车驶过应答 器时，列控车载设备首先通过电磁感应方式将能量传递给应 答器，地面应答器从整流电路取电开始工作。首先检查与 LEU 之间的链接，将 LEU 传来的数据转换成应答传输报文 循环发送应答器信息接受模块； 在没有收到 LEU 的数据情况 下，将存储的默认报文发送给应答器信息接

11、受模块。应答器与其他设备的连接主要由 A 接口和 c 接口完成。 A 接口是应答器与列控车载设备无线传输接口， c 接口是LEU 与有源应答器间报文传输接口。 图 2 所示就是应答器的结构模块图（三）车载设备与应答器的通信过程 当车载天线接近应答器时，耦合线圈感应到 27MHz 的 磁场，能量接收电路将其转化为电能，从而建立起应答器工 作需要的电源，此时，应答器开始工作。应答器在向列控车 载设备传输数据报文时，不间断地将 1023 位传输报文发出。 它采用频移键控 FSK 方式：中心频率 4.234MHz ，频偏 282.24kHz ,平均传输速率为 564.48kbit /s。当要发送的数据

12、 是逻辑“ 0”时，对应发送频率为 4.234MHz、282.24kHz、 3.951MHz ;当要发送的是逻辑“ T时，对应的发送频率为 4.234MHz、282.24kHz、4.516MHz。应答器控制模块是整个电路的控制核心，当电源建立 后，它首先判断由 c 接口来的数据是否有效，若该数据无效 或无数据，控制模块使用存储在报文存储器中的数据，将其 进行 FSK 调制后， 输出到数据收发模块， 经功率放大后， 由 耦合线圈发出。只要电源存在，控制模块就不间断地发送， 这意味着车载天线一直在应答器上方。当控制模块上电时，判断出 c 接口的数据有效，则控制 模块将发送 c 接口传来的数据。一旦

13、控制模块作出报文选择 （选择存储的数据还是 c 接口传来的数据 ），在这次上电的工 作周期内，无论 c 接口数据有效与否，应答器都不会改变发 送的数据。当车载天线离开应答器上方后，应答器失去了电 源，便停止发送数据。 C 接口的工作电源仅用于该接口的电 路部分，不给控制模块和数据收发供电。因此，有源应答器 也只有在车载天线出现时才发送数据。有源应答器通过与 LEU 的连接，可实时改变传输的数据报文。当与 LEU 通信 故障时（接口“ C”故障），有源应答器可以自动切换到无源应 答器的工作模式，发送预先存储在应答器中的默认报文。此外，应答器还可以通过报文读写工具 BEPT 进行无线 编程和维护，这一过程不需要任何电缆的插拔，这样就提高 了安全等级。无线编程有两项主要功能，它可以读写和管理 无源应答器存储的数据报文，也可以读取制造商信息，包括