復(fù)用列車音頻總線傳遞控制信號(hào)的方法

摘要：隨著軌道交通行業(yè)對(duì)車載系統(tǒng)的安全性的不斷提高，各設(shè)備供應(yīng)商多采用冗余備份設(shè)計(jì)的方法來確保車載設(shè)備失效后進(jìn)行應(yīng)急保障。以車載乘客信息系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱PIS）為例，正常情況下各設(shè)備通過列車以太網(wǎng)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)或者重要網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，并引發(fā)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮鷷r(shí)，PIS必須最低限度保障一些重要的功能正常使用。一般PIS會(huì)在列車上冗余設(shè)計(jì)一條RS485總線和模擬音頻總線保障廣播功能。本文主要介紹一種基于已有的模擬音頻線路復(fù)用進(jìn)行傳輸控制信號(hào)的方法，實(shí)現(xiàn)精簡(jiǎn)RS485總線，以實(shí)現(xiàn)節(jié)約系統(tǒng)簡(jiǎn)化和提升可靠性。

關(guān)鍵詞：RS485；以太網(wǎng)；乘客信息系統(tǒng)；模擬音頻總線

引言

隨著近年來中國軌道交通行業(yè)的高速發(fā)展，業(yè)主方和車輛制造廠對(duì)各子系統(tǒng)供應(yīng)商提出更高的可靠性，安全性的要求?，F(xiàn)階段，車載PIS的成熟方案均采用以太網(wǎng)總線傳輸控制信號(hào)和音、視頻流媒體數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)列車全數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)架。列車作為大規(guī)模載客運(yùn)營的交通工具，特別重視其運(yùn)營的安全性和可靠性，因此大部分車載PIS供應(yīng)商為列車提供以太網(wǎng)總線的同時(shí)，仍然冗余布置一條模擬音頻總線和RS485總線進(jìn)行音頻和控制數(shù)據(jù)的傳遞，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)的廣播功能。本文的改進(jìn)方案是在目前的冗余備份總線基礎(chǔ)上，通過精簡(jiǎn)列車總線數(shù)量的方式來提高系統(tǒng)可靠性。

1 PIS系統(tǒng)總線介紹

軌道列車基本采用6車編組，車廂間通過3組貫穿整列車的總線實(shí)現(xiàn)各種功能，如圖一所示。

PIS系統(tǒng)為各車廂間設(shè)備通信提供了以太網(wǎng)總線、RS485總線、模擬音頻總線。

?以太網(wǎng)總線

在車廂間鋪設(shè)2根千兆（1Gbps）以太網(wǎng)鏈路，通過鏈路聚合方式實(shí)現(xiàn)前后兩級(jí)列車車廂間數(shù)據(jù)交互。正常狀態(tài)下，提供高達(dá)2Gbps的傳輸帶寬。當(dāng)其中一個(gè)物理端口出現(xiàn)故障時(shí)，也能通過另一端口實(shí)現(xiàn)1Gbps的數(shù)據(jù)傳輸帶寬。該總線為整個(gè)PIS系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)鏈路功能。

?RS485總線

在車廂間通過專用RS485帶屏蔽的雙絞線連接，該總線為列車冗余備份鏈路。在以太網(wǎng)系統(tǒng)故障時(shí)，列車控制主機(jī)切換到模擬模式。模擬模式時(shí)控制數(shù)據(jù)通過RS485總線傳輸。

?模擬音頻總線

模擬音頻總線和RS485一樣也為列車冗余備份鏈路。在模擬模式時(shí)，傳輸?shù)膹V播的模擬信號(hào)。

1.2 以太網(wǎng)總線

現(xiàn)階段軌道列車主流PIS都基于以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)的數(shù)字化工作模式，該方案符合市場(chǎng)需求也有可靠的技術(shù)保障。以太網(wǎng)總線存在下面幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

?接口協(xié)議：通用的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；

?高帶寬：高達(dá)2Gbps的速率保障娛樂視頻和安防監(jiān)控等功能。

?可靠性：以太網(wǎng)技術(shù)在各工業(yè)領(lǐng)域均有使用，其可靠性完全滿足列車行業(yè)的需求。

?安全性：各種軟硬件加密，解密技術(shù)的使用有效的防止數(shù)據(jù)竊聽和篡改。

1.3 冗余備份總線

從安全和可靠性層面來考慮，任何技術(shù)都需充分的考慮其故障模式下的處理機(jī)制。車輛設(shè)計(jì)廠家在為列車布置以太網(wǎng)的同時(shí)，也保留了RS485總線和模擬音頻總線作為冗余備份總線。在列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，相關(guān)設(shè)備會(huì)自動(dòng)切換到備用線路，保障列車的基礎(chǔ)功能正常使用。其中RS485總線是用來傳輸關(guān)鍵控制信號(hào)的，而模擬音頻總線是傳輸需要進(jìn)行播放的聲音模擬信號(hào)的。

2 復(fù)用方案的優(yōu)點(diǎn)

現(xiàn)階段制造商和業(yè)主方都只需要在網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)保障列車的廣播功能正常使用。因此需要通過RS485總線傳輸必須的控制信息就非常的少，基本只有廣播開啟和關(guān)閉，以及一些附帶的到站，開門信息。因此為這些少量的控制信號(hào)布置一條冗余備份總線，就顯得非常的浪費(fèi)，同時(shí)也增加了列車軟件控制邏輯、安裝難度和維護(hù)難度。

基于簡(jiǎn)化控制邏輯的考慮，有供應(yīng)商提出將RS485總線改為一對(duì)2芯的干接點(diǎn)控制線路實(shí)現(xiàn)廣播開啟和關(guān)閉。閉合表示正在進(jìn)行廣播，斷開表示廣播停止。該方法從代碼功能邏輯復(fù)雜度上對(duì)原有方案進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，仍然保留了一對(duì)2芯線纜。

本文介紹的改進(jìn)方案不僅能從控制邏輯上進(jìn)行了簡(jiǎn)化，還在物理鏈路上對(duì)列車總線進(jìn)行精簡(jiǎn)，只保留一條模擬音頻總線作為冗余備份線路。該方案降低了列車生產(chǎn)和后期維護(hù)的難度，并且在簡(jiǎn)化線路后能很大程度的提高了系統(tǒng)的可靠性，使得PIS系統(tǒng)具有更高安全性，可靠性，以及方便維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

3 復(fù)用音頻線路方案

軌道列車通過外部高壓1500V直流線路獲取整車電力能源，通過電源系統(tǒng)為PIS各設(shè)備提供統(tǒng)一的2芯（110V+，110V0）110V直流電源。這種供電方式包含著一個(gè)隱形的功能特性，即各設(shè)備均以110V-電平為參考地，改進(jìn)方案就用到該共地特性。

改進(jìn)方案還使用到變壓器不傳遞直流分量的特性。在音頻總線處，通過隔離變壓器把電路的單端信號(hào)變?yōu)椴罘诌M(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，發(fā)送端在變壓器輸出端的中間抽頭處，為模擬音頻信號(hào)接入一個(gè)偏置直流電平，該電平信號(hào)和模擬音頻信號(hào)通過總線傳輸?shù)浇邮斩俗儔浩?，因?yàn)樽儔浩髦粫?huì)對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行耦合，所以該直流偏置電平不會(huì)影響接收端變壓器的音頻信號(hào)的特性。

通過這2個(gè)電路特性進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，將廣播控制信號(hào)的開、關(guān)信號(hào)，復(fù)用模擬音頻總線進(jìn)行傳輸。方案精簡(jiǎn)掉RS485總線，只保留一對(duì)模擬音頻總線，從而降低邏輯控制復(fù)雜度和減少列車總線線纜數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)列車的可維護(hù)性和可靠性的提高。

3.1電路原理

方案的主體電路設(shè)計(jì)如圖二所示，該電路在廣播系統(tǒng)的相應(yīng)設(shè)備里都需要集成。司機(jī)室控制主機(jī)為主控端，主要用于發(fā)送控制信號(hào)和發(fā)送模擬音頻信號(hào)；而各乘客室控制主機(jī)為受控端，主要通過該電路偵聽模擬音頻總線傳遞的控制信號(hào)和模擬音頻信號(hào)。

VDD110V+ ：列車設(shè)備電源正極；

VDD110V- ：列車設(shè)備電源負(fù)極；

VDD3V3 ：MCU電源正極；

GND ：MCU電源負(fù)極；

PA_OUT_ACTIVE：MCU 的IO輸出引腳；

PA_IN_ACTIVE ：MCU的IO輸入引腳；

PA+，PA- ：列車模擬音頻總線上傳輸?shù)哪M差分音頻信號(hào)；

PA_COM ：列車模擬音頻總線隔離變壓器中心抽頭信號(hào)；

PA_IN：接收差分音頻信號(hào)通過隔離變壓器后單端音頻信號(hào)；

PA_OUT：發(fā)生差分音頻信號(hào)通過隔離變壓器前的單端音頻信號(hào)；

3.2 廣播開啟

司機(jī)室控制主機(jī)開啟廣播功能：

?MCU輸出模擬音頻信號(hào)PA_OUT進(jìn)入變壓器T1，該模擬信號(hào)通過T1后，由單端信號(hào)變?yōu)椴罘中盘?hào)（PA+，PA-），便于在模擬音頻總線線路上進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸。

?MCU設(shè)置PA_OUT_ACTIVE為低電平，光耦G2導(dǎo)通，PA_COM電平被拉低到VDD110V-。因?yàn)橐纛l信號(hào)為差分交流信號(hào)，這里PA_COM只是驅(qū)動(dòng)變壓器中心抽頭，它只會(huì)改變差分信號(hào)的基準(zhǔn)偏置電壓，不會(huì)改變音頻信號(hào)的原有波形。

乘客室接收廣播開啟：

?音頻總線傳輸過來的差分信號(hào)（PA+，PA-）通過變壓器T1，可以轉(zhuǎn)變?yōu)閱味艘纛l信號(hào)PA_IN，該信號(hào)被傳遞到乘客室控制主機(jī)的功放模塊進(jìn)行放大，并在乘客室揚(yáng)聲器進(jìn)行播放。

?司機(jī)室控制主機(jī)驅(qū)動(dòng)的PA_COM變壓器基準(zhǔn)電平會(huì)被（PA+，PA-）傳遞到乘客室控制端，該P(yáng)A_COM的直流分量不會(huì)影響PA_IN的音頻信號(hào)，只會(huì)反應(yīng)在乘客室控制主機(jī)里的PA_COM電平。

?PA_COM通過差分線路得到主控端一致的直流電平偏置，此時(shí)為VDD110V-。

?PA_COM 的VDD110V-電平會(huì)驅(qū)動(dòng)光耦電路G1導(dǎo)通，使PA_IN_ACTIVE為低電平，被MCU捕獲，得知廣播被開啟；

3.3 廣播停止

司機(jī)室控制主機(jī)停止廣播功能：

?MCU停止模擬音頻信號(hào)PA_OUT輸出，在模擬音頻總線線路上無音頻信號(hào)。

?MCU設(shè)置PA_OUT_ACTIVE為高電平，驅(qū)動(dòng)光耦G2截止，PA_COM被VDD110V+通過電阻上拉，此時(shí)PA_COM的直流電平信號(hào)通過音頻總線傳遞到乘客室主機(jī)；

乘客室接收廣播停止：

?PA_COM通過差分線路得到主控端一致的直流電平偏置，此時(shí)為VDD110V+。

?PA_COM 的VDD110V+電平會(huì)驅(qū)動(dòng)光耦電路G1斷開，使PA_IN_ACTIVE為高電平，被MCU捕獲，得知廣播被停止

?乘客室主機(jī)獲知廣播停止后，停止功放模塊對(duì)音頻總線信號(hào)進(jìn)行放大，同時(shí)停止乘客室揚(yáng)聲器的播放。

4 結(jié)論

該文的復(fù)用模擬音頻總線傳輸廣播控制信號(hào)的方案，能大大的降低廣播控制代碼邏輯復(fù)雜度，在主控端和受控端只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的IO引腳的高低輸入輸出處理；該方案通過精簡(jiǎn)總線數(shù)量從而實(shí)現(xiàn)降低列車的生產(chǎn)，維護(hù)難度并提高了可靠性，可維護(hù)性。

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作者簡(jiǎn)介：陳弘，男，廣西桂林人，本科，桂林海威科技股份有限公司工程師，從事軌道交通乘客信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。

（作者單位：桂林海威科技股份有限公司）