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基于CEBus總線的鐵路燈塔控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
摘要：介紹了基于CEBus總線的鐵路燈塔控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用擴(kuò)頻電力線載波通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)鐵路燈塔的自動(dòng)控制。給出了系統(tǒng)的硬件、軟件實(shí)現(xiàn)方法，并介紹了可推廣應(yīng)用的場(chǎng)合。1 系統(tǒng)介紹
鐵路沿線的各站點(diǎn)都裝設(shè)有用于照明的大型燈塔。目前對(duì)燈塔的控制一般采用集中控制方式，在控制室中使用多個(gè)閘刀對(duì)燈塔進(jìn)行一對(duì)一控制。因燈塔和控制室常位于鐵路兩側(cè)，所以施工較困難，而且電纜的投資大，自動(dòng)化水平也不高。采用電力線載波通信技術(shù)，在現(xiàn)成的電力線路上傳輸數(shù)據(jù)，無(wú)需裝設(shè)通信線路，也不占用無(wú)線通信頻道資源，可很好地解決這個(gè)問(wèn)題。但由于電力線上存在高衰減、高噪聲、高變形等問(wèn)題，它不是一個(gè)理想的通信媒介。因此要在電力線上實(shí)現(xiàn)可靠的載波通信，必須選用基于擴(kuò)頻技術(shù)的抗干擾能力強(qiáng)的電力線載波專用Modem芯片來(lái)設(shè)計(jì)鐵路燈塔控制系統(tǒng)。
鐵路燈塔控制系統(tǒng)由一個(gè)主站和若干個(gè)子站構(gòu)成，主站和子站掛接在單相或三上低壓電力線上。主站安裝于控制室內(nèi)，子站安裝于各燈塔底座的控制箱內(nèi)。主站和子站以擴(kuò)頻電力線載波通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。
系統(tǒng)中站和子站的載波通信網(wǎng)絡(luò)接口控制器選用美國(guó)Intellon公司的SSCP300芯片。該芯片是一個(gè)高度集成的電力線收發(fā)器和信道存取接口，提供了CEBus（用戶電子總線）總線標(biāo)準(zhǔn)。CEBus是EIA（美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)）制定并頒布的一種通信標(biāo)準(zhǔn)，目前為EIA-600。CEBus標(biāo)準(zhǔn)是一種應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的開放式通信協(xié)議，采用節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)的通信方式，數(shù)據(jù)傳輸速率為10kbps。CEBbus協(xié)議采用ISO/OSI協(xié)議中的四層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。一個(gè)CEBus信息由報(bào)頭和數(shù)據(jù)包組成，如圖1所示。報(bào)頭是載波偵聽多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)（CSMA/CDCR）協(xié)議的一部分，發(fā)送方用監(jiān)聽傳輸介質(zhì)中是否有其它發(fā)送方占用信道，以獲取對(duì)傳輸通道的控制權(quán)。CEBus采用擴(kuò)頻載波（SSC）技術(shù)，形成“Chirp”掃頻信號(hào)，對(duì)報(bào)頭采用ASK調(diào)制，數(shù)據(jù)包采用PRK調(diào)制，頻率范圍為100kHz～400kHz。
2 硬件結(jié)構(gòu)
2.1 主站及子站的硬件結(jié)構(gòu)
主站及子站的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
主站以PIC16F877單片機(jī)為核心，由指示、鍵盤、RS232接口、在線編程接口、通信接口等單元組成。指示單元用74LS164串/并轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)，接到PIC16F877單片機(jī)的RB5和RB4引腳。鍵盤單元用74LS165并/串轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)，接到PIC16F877單片機(jī)的RA3、RA4和RA5引腳。主站定義了具有如下功能的按鍵：（1）一個(gè)燈塔的東西南北燈組選擇；（2）子站地址選擇；（3）鎖鍵盤；（4）運(yùn)行命令。在線編程接口單元利用PIC16F877單片機(jī)的/MCLR、RB3、RB6、RB7四個(gè)引腳對(duì)CPU的在系統(tǒng)程序及定值進(jìn)行修改。主站利用MAX202實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)RS232通信接口，可與上位監(jiān)控PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，也可外接Modem來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。
子站由PIC16F877單片機(jī)、指示、在線編程接口。固態(tài)繼電器出口、地址編碼、通信接口等單元組成。地址編碼用于設(shè)置本子站的地址碼，用一個(gè)八位開關(guān)與PIC16F877單片機(jī)的RD口連接，共有256個(gè)編碼。每個(gè)子站裝有四個(gè)固態(tài)繼電器，用于開啟和關(guān)閉一個(gè)燈塔的東西南北四個(gè)方向的燈組。
2.2 通信接口
主站和子站的通信接口原理如圖3所示。
SSCP300網(wǎng)絡(luò)控制器提供了一個(gè)與SPI兼容的主處理器接口，將PIC16F877的RC3（SCK）、RC4（SDO）、RC5（SDI）引腳定義用于SPI串行通信，分別與SSCP300的SCLK、SDI、SDO連接。SSCP300的片選信號(hào)/CS、復(fù)位信號(hào)/RST及中斷信號(hào)/INT分別連接與PIC16F877的RB3、RB2及RB1引腳。由SSCP300產(chǎn)生的“Chirp”波形輸出到其SO管腳，經(jīng)放大、三級(jí)濾波、SSCP111媒介接口IC放大后，被傳輸?shù)诫娏�耦合電路并送至電力線。由電力線經(jīng)耦合電路來(lái)的“Chirp”波形經(jīng)無(wú)源六級(jí)LC構(gòu)成的濾波器后，被傳輸?shù)絊SCP300的SI引腳。耦合電路采用鐵氧體磁環(huán)作為耦合變壓器的磁芯，變比為1：1，初次級(jí)線圈的匝數(shù)均為7。采用TVS來(lái)抑制較大幅度或較大加速度的瞬間電壓。
3 軟件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)的軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要包括初始化模塊、輸出控制模塊、鍵盤掃描模塊、通信模塊等。整個(gè)軟件分為主站軟件和子站軟件兩部分。下面以通信模塊軟件的設(shè)計(jì)為例來(lái)說(shuō)明程序設(shè)計(jì)方法。
SSCP300向與之連接的PIC16F877單片機(jī)提供CEBus服務(wù)。PIC16F877單片機(jī)通過(guò)SPI接口對(duì)SSCP300進(jìn)行初始化、層信息設(shè)置、數(shù)據(jù)鏈路的存取控制設(shè)置等操作。完成以上步驟后，可進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。
PIC16F877單片機(jī)與SSCP300間各種形式的數(shù)據(jù)交換由控制命令來(lái)實(shí)現(xiàn)。常用的控制命令、十六進(jìn)制碼及功能如表1所示。一般情況下，命令后緊跟數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，接著為數(shù)據(jù)信息。
表1 常用控制命令
LR
LW
IR
PR
PT
WRS-460X01
0X02
0X03
0X04
0X08
0X09
0X46Reset
Layer_Management_Read
Layer_Management_Write
Interface_Read
Packet_Receive
Packet_Transmit
Write_Register_46復(fù)位
讀層信息
寫層信息
讀標(biāo)志位
接收分組
發(fā)送分組
設(shè)置數(shù)據(jù)鏈路控制
3
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