孔繁軍

（遼寧省交通高等?？茖W(xué)校 軌道交通工程系，遼寧 沈陽(yáng) 110122）

0 引言

平交道口是鐵路和公路的平面交叉[1]，伴隨著我國(guó)鐵路高質(zhì)量和跨越式發(fā)展，鐵路行車速度和里程數(shù)也相應(yīng)的不斷提高，但在鋼鐵和礦場(chǎng)等地還是存在很多無(wú)人值守的平交道口[2]。為了改善鐵路平交道口尤其是廠礦和偏遠(yuǎn)地區(qū)無(wú)人值守道口的安全狀況，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一種新型實(shí)用的鐵路道口檢測(cè)系統(tǒng)是十分有必要的，該系統(tǒng)可以在列車接近道口前發(fā)車聲音和燈光告警，提示過(guò)往的行人、車輛注意安全，并將道口的欄木放下以阻止公路上的行人與車輛通過(guò)，這對(duì)減少人民群眾生命財(cái)產(chǎn)損失、提高鐵路運(yùn)輸效率具有一定的現(xiàn)實(shí)意義[3]。

1 無(wú)人道口檢測(cè)系統(tǒng)組成

無(wú)人道口檢測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)中，中央處理器為STC89C52，外圍電路主要由紅外對(duì)射模塊、CAN總線模塊、語(yǔ)音播報(bào)模塊、聲光報(bào)警電路、欄木驅(qū)動(dòng)電路以及GPRS模塊組成，如圖1所示。

圖1 無(wú)人道口報(bào)警系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用紅外對(duì)射傳感器來(lái)檢測(cè)火車是否接近，將該傳感器安裝在無(wú)人道口的兩側(cè)。當(dāng)火車經(jīng)過(guò)紅外對(duì)射傳感器處，傳感器就會(huì)產(chǎn)生高電平，該電平經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后送至CAN總線接口。CAN總線電路主要由CAN控制器SJA1000、總線驅(qū)動(dòng)器82C250、光耦6N137組成。SJA1000作為CAN總線控制器通過(guò)對(duì)片內(nèi)寄存器的讀寫(xiě)操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。通過(guò)82C250實(shí)現(xiàn)與物理線路的連接，增強(qiáng)CAN總線的差動(dòng)發(fā)送和接受驅(qū)動(dòng)能力。光耦6N137的作用是增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力防止線路間干擾。單片機(jī)收到列車即將到來(lái)的信息后，使道口欄木落下。與此同時(shí)，進(jìn)行語(yǔ)音和閃光報(bào)警以提醒行人、車輛注意安全。語(yǔ)音播報(bào)采用的是集成ISD4004模塊，可以錄制和播放兩分鐘的播報(bào)內(nèi)容，性價(jià)比較高，也非常實(shí)用。閃光報(bào)警采用紅色閃光燈。GPRS將道口信息傳到監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心提醒列車。列車全部通過(guò)道口后，設(shè)置在道口另一側(cè)的紅外傳感器將列車離去的信息，通過(guò)相同的方式傳給道口的單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)一系列的控制動(dòng)作和程序解除報(bào)警打開(kāi)欄木、停止語(yǔ)音播報(bào)并將道口燈變?yōu)榫G色。

2 系統(tǒng)主要功能和模塊設(shè)計(jì)

2.1 立體式紅外對(duì)射檢測(cè)功能

紅外檢測(cè)點(diǎn)采用立體式檢測(cè)方式，當(dāng)檢測(cè)到火車車輪信息時(shí)，紅外對(duì)射傳感器檢測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，通過(guò)信號(hào)線傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)。

2.1.1 傳感器的數(shù)量

如果系統(tǒng)采用單個(gè)傳感器進(jìn)行檢測(cè)工作，當(dāng)傳感器損壞時(shí)會(huì)使檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)法正常工作，導(dǎo)致系統(tǒng)故障、無(wú)人道口關(guān)閉，影響監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行；更嚴(yán)重的是，當(dāng)列車駛向無(wú)人道口而傳感器故障未能檢測(cè)到該信息時(shí)，公路上的行人和車輛沒(méi)有收到無(wú)人道口的提示或警告信息而正常通過(guò)道口，將有可能導(dǎo)致交通事故，帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，這也不符合鐵路信號(hào)系統(tǒng)的“故障-安全”原則；另外當(dāng)人、牲畜等遮擋住單個(gè)紅外對(duì)射傳感器時(shí)，道口控制臺(tái)接收到該錯(cuò)誤信息，從而錯(cuò)誤的關(guān)閉無(wú)人道口，這會(huì)降低行人和車輛通過(guò)無(wú)人道口的效率，也不符合系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性性能需求。在同一檢測(cè)點(diǎn)，放置多個(gè)傳感器是解決這一問(wèn)題的較好方法，但過(guò)多的傳感器必然會(huì)帶來(lái)較高的經(jīng)濟(jì)成本。綜上所述，系統(tǒng)采用4個(gè)紅外對(duì)射傳感器來(lái)檢測(cè)列車的接近和離去信息。

2.1.2 傳感器的安裝距離

按照鐵路相關(guān)規(guī)定，列車在通過(guò)道口的時(shí)候要減速行駛，一般通過(guò)無(wú)人道口的運(yùn)行速度不會(huì)超過(guò)60 km/h，當(dāng)傳感器檢測(cè)到列車接近時(shí)，要給道口設(shè)備預(yù)留出1 min左右的動(dòng)作時(shí)間，主要是將道口欄木放下和進(jìn)行聲光報(bào)警、語(yǔ)音提示燈，綜上，可以將傳感器安裝在距離無(wú)人道口兩側(cè)1 km左右的鋼軌兩側(cè)。

2.1.3 傳感器的布點(diǎn)方式

鐵路上運(yùn)行的列車種類較多，其中用于運(yùn)載坦克、汽車等大型車輛的列車是沒(méi)有車廂的，針對(duì)這種特殊情況，為了能夠檢測(cè)到全部種類列車的接近信息，系統(tǒng)是以列車車廂底部是否遮擋住紅外對(duì)射傳感器來(lái)判斷是否有列車接近的，因此紅外對(duì)射傳感器的發(fā)射端和接收端一高一低的放置，這樣可使傳感器的光線會(huì)穿過(guò)列車的車廂底部。每對(duì)紅外對(duì)射傳感器由一個(gè)發(fā)射端和一個(gè)接收端組成。4個(gè)紅外對(duì)射傳感器的發(fā)射端在鋼軌的同一側(cè)，而4個(gè)紅外對(duì)射傳感器的接收端在鋼軌的另一側(cè)，每對(duì)紅外對(duì)射傳感器采用一高一低的安裝方式，較低的紅外傳感器高出鋼軌面20～25 cm，較高的紅外對(duì)射傳感器高出鐵軌面2～2.5 m，這種布置可以滿足鐵路限界要求，又能確保經(jīng)過(guò)的列車車廂底部能夠遮擋住發(fā)射端發(fā)出的紅外線。

2.2 語(yǔ)音報(bào)警功能

當(dāng)任一方向的列車接近道口時(shí)，檢測(cè)到的信號(hào)通過(guò)CAN總線傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)控制LED指示燈閃爍并使語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行播報(bào)，向過(guò)往車輛行人發(fā)出列車將至的警報(bào)，提醒行人和車輛注意安全。語(yǔ)音播報(bào)電路由ISD1420語(yǔ)音芯片、一個(gè)麥克、一個(gè)喇叭、幾個(gè)阻容元件、兩個(gè)開(kāi)關(guān)和電源燈外圍電路等組成。該語(yǔ)音播報(bào)電路將ISD1420芯片的A6，A7引腳接5V電源VCC；A0，A1，A2，A3，A5引腳接低電平；單片機(jī)的P1.0引腳和P1.1引腳分別連接接到ISD1420的PLAYE引和A4引腳；ISD1420的錄音控制引腳REC一端接電阻然后接5V電源VCC、另一端連接到按鈕S2然后接地。錄音時(shí)，單片機(jī)的P1.1引腳控制A4引腳為高電平，按下按鈕S2使REC引腳始終保持為低電平，松開(kāi)按鈕S2或者錄音時(shí)間超過(guò)20 s后錄音過(guò)程結(jié)束，錄下的聲音通過(guò)話筒輸入并保存在語(yǔ)音芯片中；播放時(shí)，單片機(jī)的P1.1引腳控制A4引腳為高電平，P1.0引腳給PLAYE引腳一個(gè)邊沿觸發(fā)信號(hào)開(kāi)始進(jìn)行播放。由于錄音引腳REC的優(yōu)先級(jí)高于PLAYL和PLAYE，如果在播放期間遇REC為低電平將導(dǎo)致播放結(jié)束而進(jìn)入錄音狀態(tài)，所以在播放期間要保持REC引腳始終為高電平。

2.3 欄木驅(qū)動(dòng)功能

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的欄木類似于現(xiàn)在汽車進(jìn)入停車場(chǎng)或者小區(qū)的欄桿。在檢測(cè)到火車來(lái)臨信息時(shí)，聲光報(bào)警系統(tǒng)與欄木驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)工作，保證過(guò)往行人以及車輛的安全。本系統(tǒng)道口欄木驅(qū)動(dòng)選用了L298N芯片驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)道口欄木的控制。當(dāng)火車來(lái)臨或者離開(kāi)的信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理之后，單片機(jī)通過(guò)使能端ENA與INT1，INT2，可以實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，電機(jī)帶動(dòng)欄木實(shí)現(xiàn)欄木的開(kāi)和關(guān)。

2.4 GPRS接口

GPRS接口的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的連接，將該無(wú)人道口的數(shù)據(jù)傳送到控制中心，同時(shí)一個(gè)上位機(jī)控制幾個(gè)甚至幾十個(gè)道口的通行狀況，這樣可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)工作點(diǎn)管理檢測(cè)多個(gè)無(wú)人道口的目的。

2.5 CAN總線接口電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)CAN通信，系統(tǒng)的硬件電路中采用的SJA1000芯片，它的主要作用是實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。具體功能實(shí)現(xiàn)方式是通過(guò)CAN總線接收來(lái)自上位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析組態(tài)后，然后再傳給下位機(jī)的控制電路實(shí)現(xiàn)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制功能；而當(dāng)CAN總線接收到來(lái)自單片機(jī)上傳來(lái)的數(shù)據(jù)后，SJA1000芯片就會(huì)相應(yīng)的產(chǎn)生一個(gè)中斷，觸發(fā)單片機(jī)產(chǎn)生中斷，通過(guò)中斷處理程序接收每一幀信息并上傳給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。STC89C52單片機(jī)是CAN總線接口電路的核心，主要功能是實(shí)現(xiàn)CAN總線控制器的初始化、CAN數(shù)據(jù)的收發(fā)語(yǔ)句控制等任務(wù)。

系統(tǒng)采用82C250芯片作為CAN控制器SJA1000與物理總線間的接口，由于鐵路周圍環(huán)境較為荒涼，風(fēng)沙和高頻磁場(chǎng)的存在會(huì)對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生一定的干擾，為此，在CAN控制器和CAN收發(fā)器之間采用光耦6N137進(jìn)行光電隔離，以提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

CAN總線可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，將紅外對(duì)射傳感器檢測(cè)到的信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，傳輸速率高，同時(shí)抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，也是本系統(tǒng)的難點(diǎn)之一。

2.6 道口信號(hào)機(jī)設(shè)計(jì)

道口信號(hào)機(jī)俗稱紅綠燈，和公路路口的紅黃綠信號(hào)燈功能類似，是每個(gè)鐵路道口必須裝備的基本防護(hù)設(shè)備。本設(shè)計(jì)采用一個(gè)紅色和一個(gè)綠色的LED發(fā)光二極管來(lái)模擬無(wú)人道口的信號(hào)機(jī)[4]。

系統(tǒng)的電路板設(shè)計(jì)中，兩個(gè)LED發(fā)光二極管的負(fù)極通過(guò)一個(gè)1 K電阻接至單片機(jī)的IO口，正極直接連接到5 V電源VCC上。若想讓LED燈點(diǎn)亮，只需給該LED燈的負(fù)極所接的IO口一個(gè)低電平即可；同理，若想讓LED滅，則給對(duì)應(yīng)的IO口一個(gè)高電平即可。這樣就可以模擬火車離去時(shí)綠燈亮紅燈滅的情景。為了實(shí)現(xiàn)故障-安全原則，當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)，紅色燈光也變?yōu)闇鐭魻顟B(tài)。

本系統(tǒng)的最終框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

3 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可以提高鐵路無(wú)人道口的行車效率，與將平交道口改為立體式的方式相比，可以減少建設(shè)成本。系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確及時(shí)地預(yù)警，能夠有效避免因道口員或機(jī)車乘務(wù)員執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)有偏差而導(dǎo)致道口事故。同時(shí)能大大節(jié)省人力成本，減少鐵路的運(yùn)營(yíng)成本，提高鐵路的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。