全新一代光电复合应答器传输系统地面设备的制作方法

1.本实用新型涉及轨道交通应答器传输系统中的地面设备。


背景技术：

2.在当今的轨道交通系统对于人们的日常出行、货物运输有重要的作用，也面临着许多安全隐患。
″
应答器传输系统
″
是轨道交通系统不可缺少的一种安全保障措施，用于向列车传输线路坡度、转弯半径、倾斜角度等线路特征，临时限速信息，车站进路信息以及定位信息等列控系统必须知道的信息。
3.应答器传输系统是一种基于电磁耦合原理实现的地面到列车的传输系统(如图1所示)，用于在特定地点从地面向列车传送信息，它能向车载子系统发送报文信息，既可以传送固定信息，也可连接轨旁单元传送可变信息。应答器传输系统中的地面设备包括应答器和地面电子单元(简称leu)。
4.应答器传输系统中的应答器分为无源应答器和有源应答器。无源应答器无需供电，用于传输应答器内部存储的固定信息；而现有的有源应答器需要通过专用高频双绞屏蔽电缆与地面电子单元(leu)连接，它由地面电子单元(leu)供电并提供需要发射的可变应答器报文。该现有的有源应答器电路构成如图2所示，包括c接口部分、a接口部分、以及存储和控制模块。其中，c接口部分连接地面电子单元(leu)，接收地面电子单元(leu)的供电信号以及报文基带信号。地面电子单元(leu)的供电信号和报文基带信号耦合在一对差分线上进行传输，送达到有源应答器。在有源应答器中，存储单元主要存储一些固定的报文信息，在地面电子单元(leu)与有源应答器连接出现故障时，将发送这些固定的报文信息。在有源应答器中，控制模块负责选取需要发送的报文。
5.应答器传输系统地面设备中的地面电子单元(简称leu)是一种数据采集与处理单元，地面电子单元(leu)是整个应答器传输系统中的重要组成部分，它根据外界条件的变化，选择存储在地面电子单元(leu)中的其中一条报文传送给地面有源应答器进行发送，或将列控中心(tcc)发送的应答器报文直接向有源应答器传送，现有地面电子单元(leu)的系统框图如图3所示，其主要功能如下：
6.(1)报文接收
7.输入通道和接口单元采用冗余机制，有双套同时工作，即使有一路通道或接口电路发生故障，也不会影响地面电子单元(leu)与列控中心(tcc)之间的通信。
8.微处理器通过通信接口周期性地从列控中心(tcc)接收报文，并把报文传送到逻辑控制单元，由逻辑控制单元把周期性的报文变为连续的报文输出。如果通道故障或地面电子单元(leu)内部故障，微处理器无法接收到正确的列控中心(tcc)报文，此时，便从报文存储器中选择出相应的默认报文，并传送到逻辑控制单元。
9.此外，采用安全通信协议保证通信的可靠性，除采用常见的编码、帧结构定义和crc校验外，其最大的特点是引入时间戳概念，从而确保了通信信息的正确性、实时性、完整性以及信息顺序的正确性。
10.(2)逻辑控制单元
11.微处理器收到报文后，把报文转储在逻辑控制单元中，逻辑控制单元相当于发送缓冲器，以564.48kbps的速率将报文(如1023比特长的报文)循环地输出。逻辑控制单元除输出报文数据外，还产生c6接口所需要的8.82khz正弦波供电信号。
12.(3)功率放大
13.由于c接口定义的报文数据信号c1和接口供电信号c6在频率上相差很大，需要分别进行功率放大。将经过放大后的c1和c6信号耦合到一个变压器内，从而实现了在一对传输线上传送两种信号。
14.综上，现有的应答器传输系统地面设备存在以下不足：
15.(1)连接地面电子单元(leu)与有源应答器的电缆是专用高频双绞屏蔽电缆，它存在价格昂贵、可靠传输距离短(中华人民共和国铁道行业标准tb/t 3485-2017要求最长不超过2.5km)、传输速率低(564.48kbps)、报文传输时延大。
16.(2)列控中心(tcc)通过通信接口(rs485/422串行接口)将报文信息发送给地面电子单元(leu)，串行接口速率低(38.4kbps)，报文传输延时大。
17.(3)易受雷电干扰，外在电磁干扰能影响到报文基带信号质量。
18.(4)地面电子单元(leu)将放大后的供电信号与报文信号耦合到专用高频双绞屏蔽电缆上传输，导致报文信号受到了供电信号的干扰，降低了系统传输的可靠性。由于供电信号频率(8.82khz)落在报文基带信号频带(564.48khz)内，用于滤除供电信号的带通滤波器也滤除了部分报文基带信号，降低了dbpl解码正确率。
19.(5)由于单个地面电子单元(leu)通常连接多个远近距离不同的有源应答器单元，多个有源应答器收到的信号质量一致性较差。距离近的有源应答器接收信号好，距离远的有源应答器接收信号差。
20.(6)地面电子单元(leu)至有源应答器之间为单工通信，地面电子单元(leu)只能检测到电缆线路是否故障，而有源应答器是否正确接收到报文并不会告知地面电子单元(leu)。


技术实现要素：

21.本实用新型目的在于克服现有技术不足，开发了全新一代的光电复合应答器传输系统地面设备。
22.本实用新型技术方案如下：
23.全新一代光电复合应答器传输系统地面设备，包括光电复合有源应答器和光电复合地面电子单元。其中，一个或者多个光电复合有源应答器和光电复合地面电子单元之间用光电复合缆连接，光电复合地面电子单元和列控中心之间采用光纤通信。
24.第一部分：光电复合有源应答器
25.所述光电复合有源应答器包括a接口部分，o/e接口部分，制造信息存储，报文存储以及应答器控制模块。其中，a接口部分、报文存储以及应答器控制模块，以及它们之间的功能关系皆采用了现有技术，其中a接口部分包括耦合线圈，过滤保护，27m高频接收滤波器，数据收发，a接口工作电源。
26.所述o/e接口部分包括：emc防护模块，o/e接口工作电源模块，gtp接口，gtp外围接
口电路，光口数据收发模块，数据提取模块，逻辑控制模块，串行接口。o/e接口部分对外连接光电复合缆，光电复合缆包括电源线与光纤。
27.所述emc防护模块连接光电复合缆的电源线，作为其输入，emc防护模块的输出与所述o/e接口工作电源模块相连，o/e接口工作电源模块为整个o/e接口部分电路供电。
28.光电复合缆中的光纤通过gtp外围接口电路与所述gtp接口连接，然后经由光口数据收发模块的输入/输出数据线连接到数据提取模块。
29.进一步的，所述光口数据收发模块包括：gtp rx模块、gtp tx模块、gtp数据存储模块和gtp数据回传模块，其中，所述gtp rx模块接收来自gtp接口的报文数据，交由gtp数据存储模块储存，报文数据通过gtp数据回传模块和gtp tx模块回传通信至对端，同时，该报文数据传输到数据提取模块做进一步处理。
30.所述gtp接口通过gtp外围接口电路与光纤连接。
31.所述数据提取模块包括三个子模块：帧校验模块、报文解码模块和差分曼彻斯特编码波形输出模块，其中：
32.所述帧校验模块完成报文校验，检查报文正确性。
33.所述报文解码模块执行报文解码功能，包括三个子模块：位检查模块、码字生成模块和解码输出模块。输入报文首先由位检查模块检查报文的控制位、附加位是否正确；然后由码字生成模块完成10位到11位的码字转换，生成新码字；解码输出模块将解码获得的码字输出到差分曼彻斯特编码波形输出模块。
34.所述差分曼彻斯特编码波形输出模块执行差分曼彻斯特编码并将波形输出到串行接口。
35.所述逻辑控制模块功能是根据操作指令分别对光口数据收发模块、数据提取模块和串行接口进行逻辑控制，逻辑控制主要内容包括使能、复位、同步等。
36.第二部分：光电复合地面电子单元(o/e-leu)
37.光电复合地面电子单元(o/e-leu)包括光信号收发原始报文模块、逻辑控制及编码模块、光信号收发编码报文模块、程序存储模块、报文存储模块、检测记录模块和电源模块等七部分功能模块。
38.所述光信号收发原始报文模块包括：光通信接口和光口数据收发模块一。
39.所述光通信接口包括：gtp接口、gtp接口外围电路。光通信接口完成光电信号的转化，为现有技术。gtp接口也可以由更高速率的gtx接口、gth接口或gtz接口替代。所述光通信接口有相同的两套接口，实现主备冗余配置。
40.所述光口数据收发模块一包括：gtp rx模块、gtp tx模块、gtp数据存储模块和gtp数据回传模块。其中，所述gtp rx模块接收来自gtp接口的报文数据，交由gtp数据存储模块储存，报文数据通过gtp数据回传模块和gtp tx模块回传至列控中心(tcc)，同时，该报文数据传输到逻辑控制及编码模块做进一步处理。
41.所述逻辑控制及编码模块包括：逻辑控制模块、dbpl编码模块(差分双相电平码)和8.82khz正弦波生成模块；所述逻辑控制模块首先根据光信号收发原始报文模块接收的报文信息来判断相应的目标光电复合有源应答器，然后控制dbpl编码模块对报文数据进行编码，最后将编码报文数据传给目标光电复合有源应答器对应的光口数据收发模块二。dbpl编码模块负责对报文数据进行编码。8.82khz正弦波生成模块产生8.82khz正弦波信
号，该正弦波信号通过功率放大模块放大后连接光电复合缆中的电源线，向光电复合有源应答器供电。
42.所述光信号收发编码报文模块实现o/e-leu与光电复合有源应答器之间的光信号传输。包括：光口数据收发模块二、光通信接口。所述光口数据收发模块二包括：gtp rx模块、gtp tx模块、gtp接收数据存储模块和gtp发送数据存储模块。gtp rx模块、gtp tx模块均与光通信接口中的gtp接口连接，gtp rx模块的输出与gtp接收数据存储模块连接，gtp发送数据存储模块的输出与gtp tx模块连接。光信号收发编码报文模块连接光电复合缆中的光纤，与光电复合有源应答器通信。
43.所述程序存储模块为存储器芯片，用于存储光电复合地面电子单元(o/e-leu)运行的程序。
44.所述报文存储模块为存储器芯片，用于存储o/e-leu发送给光电复合有源应答器的默认报文信息。
45.所述检测记录模块为存储器芯片，用于存储o/e-leu系统状态检测结果数据。该检测记录数据通过光口数据收发模块一回传给列控中心(tcc)。
46.所述电源模块为o/e-leu系统提供工作电源。
47.本实用新型的地面设备，改造现有leu和现有有源应答器，采用光电复合缆连接，从而实现gbps全双工高速率光传输，改造后的leu(即光电复合地面电子单元(o/e-leu))与列控中心(tcc)以及改造后的有源应答器(即光电复合有源应答器)之间数据报文传输采用全双工光纤通信，使得构建新一代光电复合应答器传输系统成为可能，以取代传统的轨道交通应答器传输系统。
附图说明
48.图1应答器传输系统通用的模型示意图
49.图2现有有源应答器系统框图
50.图3现有地面电子单元(leu)系统框图
51.图4本技术的光电复合有源应答器系统框图
52.图5本技术的o/e接口部分的光电收发及信号处理电路框图
53.图6本技术的光电复合地面电子单元(o/e-leu)系统框图
54.图7本技术的光电复合地面电子单元(o/e-leu)系统电路框图
具体实施方式
55.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
56.具体方案是在现有应答器传输系统地面设备的基础上进行改造，包括改造的光电复合有源应答器(见图4、图5)和改造的光电复合地面电子单元(o/e-leu)(见图6、图7)。
57.光电复合有源应答器和光电复合地面电子单元(o/e-leu)，具体通过两部分详述。
58.第一部分：光电复合有源应答器
59.如图4所示，为本实用新型提出的光电复合有源应答器框图，包括a接口部分，o/e接口部分，制造信息存储，报文存储以及应答器控制模块。其中，a接口部分、报文存储以及应答器控制模块，以及它们之间的功能关系皆采用了现有技术，其中a接口部分包括耦合线圈，过滤保护，27m高频接收滤波器，数据收发，a接口工作电源。
60.所述o/e接口部分为本技术创新部分，包括：emc防护模块，o/e接口工作电源模块，gtp接口，gtp外围接口电路，光口数据收发模块，数据提取模块，逻辑控制模块，串行接口。举例而非限定，在本实施例中，o/e接口部分用fpga实现。o/e接口部分对外连接光电复合缆，光电复合缆包括电源线与光纤。
61.所述emc防护模块连接光电复合缆的电源线，作为其输入，emc防护模块的输出与所述o/e接口工作电源模块相连，o/e接口工作电源模块为整个o/e接口部分电路供电。
62.光电复合缆中的光纤通过gtp外围接口电路与所述gtp接口连接，然后经由光口数据收发模块的输入/输出数据线连接到数据提取模块。
63.进一步的，如图5所示，所述光口数据收发模块包括：gtp rx模块、gtp tx模块、gtp数据存储模块和gtp数据回传模块，其中，所述gtp rx模块接收来自gtp接口的报文数据，交由gtp数据存储模块储存，报文数据通过gtp数据回传模块和gtp tx模块回传通信至对端，同时，该报文数据传输到数据提取模块做进一步处理。注：为了充分发挥光纤传输大容量的优势，gtp数据回传模块不仅回传gtp数据存储模块中存储的报文，还回传数据提取模块发送到串行接口的报文数据、以及必要的有源应答器工作状态信息。
64.所述gtp接口为fpga自带，通过gtp外围接口电路与光纤接口连接。所述外围gtp接口电路为现有技术，它可由gtx、gth或gtz等光接口替代。
65.所述数据提取模块包括三个子模块：帧校验模块、报文解码模块和差分曼彻斯特编码波形输出模块，其中：
66.所述帧校验模块完成报文校验，检查报文正确性。
67.所述报文解码模块执行报文解码功能，包括三个子模块：位检查模块、码字生成模块和解码输出模块。输入报文首先由位检查模块检查报文的控制位、附加位是否正确；然后由码字生成模块完成10位到11位的码字转换，生成新码字；解码输出模块将解码获得的码字输出到差分曼彻斯特编码波形输出模块。
68.所述差分曼彻斯特编码波形输出模块执行差分曼彻斯特编码并将波形输出到串行接口。
69.所述逻辑控制模块功能是根据操作指令分别对光口数据收发模块、数据提取模块和串行接口进行逻辑控制，逻辑控制主要内容包括使能、复位、同步等。
70.通过以上电路设计，应用时，本实用新型申请的o/e接口部分通过光电复合缆连接光电复合地面电子单元，接收光电复合地面电子单元的供电信号以及报文基带信号。光电复合地面电子单元输出的供电信号和报文基带信号在光电复合缆中分别通过电源线和光纤独立传输，互不影响。送达到光电复合有源应答器后进行以下处理：(1)将输入光电复合缆中的电源线接入电磁兼容性防护模块(emc)，防止输入信号电流电压信号过大损坏光电复合有源应答器设备；然后接入到工作电源模块，形成稳定的o/e接口部分工作电源；(2)将输入光电复合缆中的光纤接入gtp接口，然后经由光口数据收发模块接收报文数据；(3)数据提取模块负责将接收的报文数据进行解码，恢复出原始报文
″0″
、
″1″
比特流；(4)数据提
取模块恢复的报文数据如果通过了校验，则通知光电复合有源应答器控制模块接收到新报文，并反向通过光口数据收发模块将报文信息(或正确接收报文确认消息)回传给光电复合地面电子单元，光电复合地面电子单元接收后同时转发给列控中心(tcc)；否则，向光电复合地面电子单元回传接收失败消息。
71.第二部分：光电复合地面电子单元(o/e-leu)
72.如图6所示的框图，光电复合地面电子单元(o/e-leu)包括光信号收发原始报文模块、逻辑控制及编码模块、光信号收发编码报文模块、程序存储模块、报文存储模块、检测记录模块和电源模块等七部分功能模块。光电复合地面电子单元(o/e-leu)系统具体实现电路图如图7所示。
73.所述光信号收发原始报文模块包括：光通信接口和光口数据收发模块一。其中，光口数据收发模块一为本实用新型创新之处。
74.所述光通信接口包括：gtp接口、gtp接口外围电路。光通信接口完成光电信号的转化，为现有技术。gtp接口也可以由更高速率的gtx接口、gth接口或gtz接口替代。所述光通信接口有相同的两套接口，实现主备冗余配置。
75.所述光口数据收发模块一包括：gtp rx模块、gtp tx模块、gtp数据存储模块和gtp数据回传模块。其中，所述gtp rx模块接收来自gtp接口的报文数据，交由gtp数据存储模块储存，报文数据通过gtp数据回传模块和gtp tx模块回传至列控中心(tcc)，同时，该报文数据传输到逻辑控制及编码模块做进一步处理。
76.所述逻辑控制及编码模块包括：逻辑控制模块、dbpl编码模块(差分双相电平码)和8.82khz正弦波生成模块；所述逻辑控制模块首先根据光信号收发原始报文模块接收的报文信息来判断相应的目标光电复合有源应答器，然后控制dbpl编码模块对报文数据进行编码，最后将编码报文数据传给目标光电复合有源应答器对应的光口数据收发模块二。dbpl编码模块负责对报文数据进行编码，具体流程在中华人民共和国铁道行业标准tb/t 3485-2017中已给出。8.82khz正弦波生成模块产生8.82khz正弦波信号，该正弦波信号通过功率放大模块放大后连接光电复合缆中的电源线，向光电复合有源应答器供电。
77.所述光信号收发编码报文模块实现光电复合地面电子单元(o/e-leu)与光电复合有源应答器之间的光信号传输。包括：光口数据收发模块二、光通信接口。所述光口数据收发模块二包括：gtp rx模块、gtp tx模块、gtp接收数据存储模块和gtp发送数据存储模块。gtp rx模块、gtp tx模块均与光通信接口中的gtp接口连接，gtp rx模块的输出与gtp接收数据存储模块连接，gtp发送数据存储模块的输出与gtp tx模块连接。光信号收发编码报文模块连接光电复合缆中的光纤，与光电复合有源应答器通信。
78.所述程序存储模块为存储器芯片，用于存储光电复合地面电子单元(o/e-leu)运行的程序。
79.所述报文存储模块为存储器芯片，用于存储光电复合地面电子单元(o/e-leu)发送给光电复合有源应答器的默认报文信息。
80.所述检测记录模块为存储器芯片，用于存储光电复合地面电子单元(o/e-leu)系统状态检测结果数据。该检测记录数据通过光口数据收发模块一回传给列控中心(tcc)。
81.所述电源模块为光电复合地面电子单元(o/e-leu)系统提供工作电源。
82.在实施例中o/e接口部分用fpga实现。举例而非限定，还可以采购专用光口收发芯
片与arm、dsp等微处理器芯片进行联合实施，以代替实施例中所述光口数据收发模块包括：gtp rx模块、gtp tx模块、gtp数据存储模块和gtp数据回传模块、逻辑控制模块、帧校验模块、报文解码模块，差分曼彻斯特编码波形输出模块以及串行接口输出。
83.在实施例中采用fpga实现o/e-leu系统。举例而非限定，还可以采购专用光口收发芯片与arm、dsp等微处理器芯片进行联合实施，以代替实施例中所述光口数据收发模块一(包括：gtp rx模块、gtp tx模块、gtp数据存储模块和gtp数据回传模块)、逻辑控制及编码模块、8.82khz正弦波生成模块。
84.将专用高频双绞屏蔽电缆改为光电复合缆，光电复合缆价格低廉、体积小、寿命长，其中光纤传输报文信息，光纤具有绝缘、不易受雷电等电磁干扰破坏，传输距离最长可达数百千米，大大增加了有源应答器铺设范围。
85.本实用新型的地面设备，改造现有leu和现有有源应答器，采用光电复合缆连接，从而实现gbps全双工高速率光传输，改造后的leu(即光电复合地面电子单元(o/e-leu))与列控中心(tcc)以及改造后的有源应答器(即光电复合有源应答器)之间数据报文传输采用全双工光纤通信，使得构建新一代光电复合应答器传输系统成为可能，以取代传统的轨道交通应答器传输系统。