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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。關(guān)鍵詞：CEBus總線擴(kuò)頻電力線載波
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)，無需裝設(shè)通信線路，也不占用無線通信頻道資源，可很好地解決這個(gè)問題。但由于電力線上存在高衰減、高噪聲、高變形等問題，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/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)耦合電路來的“Chirp”波形經(jīng)無源六級(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)為例來說明程序設(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
命令碼命令值命令名稱功能RST
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
3.1SSCP300的初始化
當(dāng)電源接通或執(zhí)行復(fù)位命令時(shí)，SSCP300將執(zhí)行一個(gè)內(nèi)部診斷和建立序列。直到此序列被執(zhí)行完畢，命令才能被送至SSCP300。在對(duì)SSCP300進(jìn)行初始化之前，PIC16F877要完成I/O口的初始化、片內(nèi)RAM初始化以及SPI接口的初始化。
3.2層信息設(shè)置
初始化完成后可進(jìn)行層信息設(shè)置。層信息設(shè)置的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為7個(gè)字節(jié)，字節(jié)0為控制方式，一般設(shè)為數(shù)據(jù)鏈路（DLL）方式；字節(jié)1為組地址的低八位；字節(jié)2為組地址的高八位；字節(jié)3為設(shè)備地址的低八位；字節(jié)4為設(shè)備地址的高八位；字節(jié)5為系統(tǒng)地址的低八位；字節(jié)6為系統(tǒng)地址的高八位。在設(shè)置地址時(shí)應(yīng)注意某些段內(nèi)的地址為保留地址，不要使用，如0x0000為廣播地址。
在層信息設(shè)置的過程中，首先單片機(jī)向SSCP300寫入LW命令及數(shù)據(jù)長(zhǎng)度“0X07”,然后確定好0～6字節(jié)的數(shù)據(jù)信息。層信息設(shè)置完成后，應(yīng)用LR命令讀回，判斷讀回信息與寫入信息是否一致。如果一致則說明設(shè)置成功，否則應(yīng)重新初始化后再設(shè)置層信息。
3.3數(shù)據(jù)鏈路存取控制設(shè)置
若節(jié)點(diǎn)之間的通信采用地址應(yīng)答方式ADRACK或地址非應(yīng)答方式ADRUACK，則應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈路存儲(chǔ)控制設(shè)置，由命令WRS-46來實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為1。可設(shè)置的內(nèi)容為：（1）在主處理器的每個(gè)發(fā)送期內(nèi)需要發(fā)送ADRUACK的次數(shù)；（2）在信道間存取的時(shí)間；（3）對(duì)于ACK和ADRUACK，是否需要嘗試多信道存取。
3.4數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收
數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收分別由命令PT和PR來實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)送出PT命令后，接著送出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、控制域、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的設(shè)備和系統(tǒng)地址、源節(jié)點(diǎn)的設(shè)備和系統(tǒng)地址、數(shù)據(jù)信息等。應(yīng)答或非應(yīng)答通信方式由控制域決定。源節(jié)點(diǎn)地址應(yīng)和初始化的地址一致，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不超過32字節(jié)。發(fā)送完成后應(yīng)讀回標(biāo)志位，判斷是否發(fā)送成功。當(dāng)SSCP300接收到有效數(shù)據(jù)幀時(shí)，將向單片機(jī)提供一個(gè)中斷信號(hào)，單片機(jī)檢測(cè)到該信號(hào)后發(fā)送PR命令，讀回SSCP300接收到的數(shù)據(jù)幀其格式與發(fā)送數(shù)據(jù)幀類似。接收完成后也應(yīng)進(jìn)行正確性判斷。
基于CEBus總線的鐵路燈塔控制系統(tǒng)采用“Chirp”方式進(jìn)行載波，實(shí)現(xiàn)了對(duì)通信信號(hào)的擴(kuò)頻；以低壓電力線作為通信媒介，免去了構(gòu)建新的通信信道的不便，具有通信速度快、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)還可應(yīng)用在自動(dòng)抄表系統(tǒng)、智能大廈、智能小區(qū)以及一些干擾大、布線困難的工自動(dòng)化系統(tǒng)中。
由于電力線不是一種理想的通信媒介，所以在應(yīng)用時(shí)應(yīng)考慮到下幾點(diǎn)：（1）電力線載波信號(hào)只能在一個(gè)配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送。若要跨越變壓器區(qū)域范圍，則應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)雙耦合節(jié)點(diǎn)。（2）信號(hào)在電力線上傳輸存在衰減問題，一般信號(hào)的衰減隨著傳輸距離的增加而增加�？刹捎锰岣咻d波信號(hào)功率、三相耦合、中繼等方式來解決。（3）電力線上存在高噪聲。（4）電力線網(wǎng)絡(luò)會(huì)引起數(shù)據(jù)信號(hào)變形。
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