光传输无人值守站计算机远程监测系统的研制

    摘 要： 介绍了铁路光通信无人值守站远程监测系统的设计方案，给出了相关电量的检测和环境监测的设计与实现，讨论了通信的问题。

    关键词： 远程监测系统 隔离放大 单片机系统 服务比特数据通道 光通信    

    随着铁路通信网规模的扩大，小型通信站采用了各种类型的现代化通信设备，由于设备复杂，可靠性较高，大部分已采取无人值守方式。 但由于缺乏完整的远程监测系统，产生了很多问题。诸如：交流停电或电源的损坏、使用电池供电长时间工作直到电池放光、盗窃、温度过高、火灾、地面浸水等，都有可能造成通信设备的不正常工作而带来不可估量的损失。因而有必要也必须在无人值守的情况下，及时了解小站的工作情况，实现在通信段进行远程监测。针对用户的要求和对小站通信机房的分析研究，提出如下相关的内容：

    · 交流电源；

    · 直流48V电源的电压和电流；

    · 单体蓄电池的电压（共4节12V电池）；

    · 环境温度；

    · 门窗状态；

    · 地面浸水；

    · 火灾。根据需要可以扩展；

    · 玻璃破碎；

    · 红外微波防盗监测；

    · 电池均匀、浮充的状态及相应的电流等。

    １ 系统的构成和功能

    要想实现这一分布式远程监测系统，必须含有如下三个主要部分：中心处理机、数据传输通道、小站监测前置端机。

    1.1 中心处理机

    硬件由多媒体计算机、通信转换器、打印机、UPS电源构成。软件为基于WINDOWS 98平台，用Delphi编制的应用程序，完成通信、数据采集、分析处理、显示、声光告警、记录的存储和查询、打印以及系统维护等。

    1.2 数据传输通道

    主要功能是给中心处理机和小站监测前置端机提供一个数据传输媒体。我们设计的区间上采用TTL电平传输相关命令和数据，也有采用RS-485协议，音频信号等其它方式，这取决于光通信设备。为此我们还专为不同的设备设计有多协议通信转换接口板。

    1.3小站监测前置端机

    该部分的主要任务是完成上述所要监测的内容。

    ２ 小站监测前置端机的设计

    考虑到所要监测的内容及全天候工作的特点和通信的便利，设计时把重点放在如何使该装置能稳定可靠的工作，而没有过分地追求性能价格比。

    该装置由80C31、74HC373、27C64、8255、ADC0809、AD586基准源、看门狗、译码驱动电路、6位LED数码显示、键盘、DC-DC电源模块等构成系统。

   2.1 输入的开关量

    包括功能键、告警解除键、门、窗、烟雾、浸水。还可接红外微波、玻璃破碎。门、窗用干簧管式的磁开关，其它的采用专用开关节点式传感组件监测相关状态。连接见图１。

    2.2 输出的数字量

    采用扩展8255接口电路经译码驱动后完成正常工作指示、报警指示、解除报警指示LED、烟雾的电源控制（直流SSR）、警笛声报警控制（交流SSR），6位LED数码管显示。因无人值守，故采取了显示保护措施，减少电耗并延长寿命。

    2.3 模拟量的采集

    为便于通信，每一模拟量都采用一个字节传送，在设计时采用ADC0809作为模数转换器，避免由电源的变化引入大的测量误差，其供电和参考电压采用AD586基准源供电并记为Vref ，连接示意图见２。

    2.3.1 48V光设备供电电源与４节单体12V蓄电池的检测

    根据光设备供电电源的种类不同，其电路结构上也有所不同。有的设备供电电压等于4节电池电压之和，有的不相等。但不管怎样，这五个电压是关联量，因为在用同一个A/D来采集时必须共地，所以采用隔离放大器。为减少供电电源的路数，经研究决定采用AD202JY作为隔离放大器，采用单15V供电方便可靠，共五路。电路如图3。只需调节电位器即可调节量程。

    2.3.2 电流的检测

    直接采用电流型电量隔离传感器，使输出在检测范围内满足０～5V，经RC滤波和电压跟随器后接入A/D，非常方便，也便于安装。

    2.3.3 交流电压的检测

    在设计时考虑到应让前置端机与交流电隔离，采用变压器降压，应用有效值变换电路ADF536，得到相应的交流电的有效值。采用减法电路，提高检测精度，认为160V以下为无效提供电压，真实的检测范围在160～255V，这样精度由原来的１％提高到0.4%。实际电路见图４。

    2.3.4 温度的检测

    根据实际环境情况选取的测量范围为－10°Ｃ～+50°Ｃ。因已有A/D转换器，选用AD590作为传感器，电路配置基本同图4，只需将图5的输出接图4的Vi 处即可。调试的方法，采用计算法。

    程序框图如图６所示。

    2.3.5 可靠性措施

    为了保证小站前置端机在无人值守时全天候可靠地 运行，采用了如下措施：

    · 看门狗技术，确保微处理器在 有监视的情况下可靠运行；

    · 数字滤波技术，在A/D转换程序中采用数字滤波技术，提高模拟量采集的可靠性。在开关量的采集中为避免误动作，采用延时多次采集并加以判断等；

    · 直流电源的优化设计，采用高可靠性隔离型DC-DC变换模块将直流48V变成所需的直流电压。

    ３ 通信的问题

    为了保证前置端机和中心处理机之间的数据交换，在该系统中采用多点轮询的异步通信方式。即中心处理机按地址呼叫，小站接收后，若该地址与小站地址相同，进行响应，将小站的相关数据送至中心处理机。

    3.1 数据格式

    11bit字结构：1bit起始位，8bit数据，1bit校验位（奇校验），1bit停止位。

    3.2 地址和波特率的设置

    小站前置端机中扩展的8255I/O口中的Ｂ口，接８位拨码开关。其中５位为地址设置（0～31），３位为波特率设置。可实现600、1200、2400、4800、9600bit/s的选取。

    3.3 帧格式

    帧头、信息字段、检验和帧尾。

    3.4 通信通道

    采用光通信设备的2～8复用板中的服务比特数据通道作为通信通道。采用TTL电平进行数据传送，通信链路示意见图７。

    小站通信连接说明：为保证在本站关机或断电的情况下不影响其他站的通信正常进行，充分考虑到一般电路不能线与，否则造成损坏。所以在噪声容限允许的情况下，加一个3.6KΩ限流电阻，此时线与即可正常工作。同时在实验时发现，当小站关机时，RXD输入端等效的输入电阻也影响通信的进行，所以在真正应用时加一个上电吸合的继电器，断电时，自动与小站通信脱离。这样一来，小站开机与否都不影响整个系统的通信工作，效果很好，避免产生由于一个小站而影响整个通信链路的工作，也不必增加备分电源。

    ４ 应用

    该系统已成功地在某铁路局一区间17个站安装使用。从目前运行的情况看，真正解决了在无人值守的情况下，中心站也能及时了解小站的工作情况，避免了事故的发生。