摘 要：采用基于正交频分复用（OFDM）技术的电力线通信（PLC）调制解调器和微控制器MAX2990，设计了一种铁路道岔转辙机在线监测系统。以现有的电力线为传输通道，该系统可对转辙机设备工作状况、特性参数进行实时监测，以保证转辙机出现故障时及时报警和处理。试验结果表明， 该系统具有较强的抗干扰能力和较快的响应速度，具有很高的实用价值和推广意义。
关键词：正交频分复用 电力线通信 道岔转辙机
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0.引言
在铁路车站中，需要被监测的转辙机与通讯主机的距离远近不一，并且数量多、分布无规律，新建车站可以铺设光缆或双绞线，而现有车站内只能利用既有信号电缆或电力线，并且现有的可用电缆有限，监测数据的可靠传输存在较大难度。通过电力线通信方式进行信息传输，避免重新铺设线缆，破坏已有结构，可以实现系统安装的方便性。基于OFDM的电力线通信技术无论在介质资源、速度和稳定性等方面都具有先天优势。MAX2990采用具有DBPSK调制和前向纠错（FEC）功能的OFDM技术及CRC16和CRC32的数据校验技术， 所以能够在存在窄带干扰、群延迟、信号阻塞、脉冲噪声和选频衰减等干扰的情况下进行可靠的数据通信。
基于MAX2990的铁路道岔转辙机在线监测系统，以现有的电力线为传输通道， 可对转辙机设备工作状况、特性参数进行实时监测。试验结果表明， 该系统具有较强的抗干扰能力和较快的响应速度，具有很高的实用价值和推广意义。
1.系统总体设计
本系统主要包括（传感器检测模块）、分机、电力传输线路、分线盒、通讯主机和工控机等。一组或多组道岔共用一台分机，为满足车站电气集中控制室同时监测多台转辙机的要求，通讯主机采用轮询应答和载波侦听的方式，实现与多台分机通信。系统的工作流程如下：分机测得电动转辙机功率、工作电流以及工作电压、轨道继电器电压、道岔电压、电源接地电流等信号，由MAX2990处理后通过电力线载波传输到通信主机，通讯主机对这些数据进行集中预处理，而后经CAN卡将数据送入工控机，由工控机进行数据处理，完成数据显示、报警和存储等功能。系统整体结构图如图1所示。
图1 系统整体结构图2.系统硬件设计
系统硬件设计分为分机和通讯主机设计， 1台通讯主机可以实现与4台分机通信。
2.1 分机模块设计
分机模块以MAX2990为核心，包含电源管理电路、传感器检测模块、模拟前端芯片MAX2991模块和电力线耦合电路组成。
电源管理电路负责整个系统的电源处理；（传感模块主要是检测电动机的参数，转换为电信号，）传感器设置在道岔轨旁，实时监测道岔状态变化，同时实时将道岔状态变化以直流电流模拟量（0一20mA）方式传送给分机；模数转换器，用于将电信号转换为数字信号；MAX2990用于接收数字信号并进行预处理；通过接口单元，操作人员可以设置分机的物理地址（4字节）；电力线耦合电路将检测到的数据信息耦合到电力线上并传送。
2.1.1 MAX2990模块设计
MAX2990在单个芯片内集成了物理层（PHY）和媒体访问控制（MAC）层， 以及Maxim的16位RISC MAXQ微控制器， 芯片内有32kB闪存， 用于运行MAC编码和用户定义的应用软件，还带有8kB SRAM用于数据存储。另外，MAX2990支持通过UART、SPI和I2C等串行接口与电力线和网络上的其它设备进行通信。
发送时，经MAX2990处理的数字信号由模拟前端芯片MAX2991进行DAC变换成模拟信号， 经电力线耦合电路将信号送上电力线， 完成信号的发送；接收时，电力线上的信号先通过低通滤波器滤波后，经模拟前端芯片MAX2991送到MAX2990进行处理。MAX2990模块电路图如图2所示。
图2 MAX2990模块电路图MAX2990共有三种工作模式，本系统中MAX2990采用两线制传输方式，工作在ARIB模式。MAX2990采用半双工通信，主机和分机通信采用轮询应答方式，即主机依次向各分机发送查询命令帧，目标分机接收到后发送应答帧，主机必须接收到该应答，才能继续向下一个分机发送查询命令。MAX2990的CSMA/CA 通道访问仲裁和自动重复请求（ARQ）功能保证了可靠的数据包发送和接收。MAX2990的应答机制和重发机制以及三重校验机制，使得通信可靠性大大提高。
2.1.2 模拟前端芯片MAX2991电路设计
MAX2990实现了数字信号的数字化调制和数据链路层协议， 但要实现电力线通信必须借助模拟前端器件MAX2991的配合。MAX2991是电力线路与MAX2990的通信转换接口， 主要功能是：将MAX2990输出的数字化信号转换成模拟信号送给电力线路、将电力线路上的模拟信号转换成数字信号送给MAX2990、对来自电力线路上的模拟信号进行自动增益放大控制、实现可编程的低通和高通数字化滤波。MAX2991模块电路图如图3所示。
2.2 通讯主机电路设计
通讯主机主要包含电源管理单元电路、LCD显示单元、声光报警单元、CAN接口电路。电源管理单元负责整个系统的电源处理，用户可以通过按键对室内机操作；电力线载波模块可以将检测到的数据信息与电力线信道匹配并传送；CAN接口模块可以实现数据接入。
3.系统软件设计
系统软件分为数据采集、数据分析和加工、数据显示给用户三个环节。数据采集环节由分机完成，数据分析和加工环节由通讯主机完成，而工控机负责完成数据显示环节。
分机从传感器获取原始采集数据，进行基本的加工处理，通过电力线将其发送给通讯主机，通讯主机对接收到的数据进行判断和分析，并将数据存入数据库，供查询和进一步的分析。如果测量值超过了预先设置的阈值，通讯主机将产生一个报警信息，并立即在工控机上以声、光和文字方式提示，产生警告信息。
对于分机和通讯主机的应用软件，均划分为以下3层：
接口与通信层：负责与外部接口和通信的具体实施，传感器数据接收等。
数据交换与缓冲层：完成接口通信层与逻辑处理层之间的数据交换，并为输入和输出的数据提供内部缓冲。
逻辑处理层：对数据进行处理和加工。
4.结束语
基于MAX2990的铁路道岔转辙机监测系统，采用电力载波通信技术，实现了检测数据与室外转辙机工作电源的共线传输，从而降低了系统的通信成本和施工难度；由于MAX2990采用OFDM技术及CRC16和CRC32数据校验技术，保障了检测数据的可靠传输。该系统以车站集中控制室的通讯主机为核心构成主从式通信网络，实现了对转辙机设备工作状况、特性参数的实时监测，以保证电动转辙机出现故障时得到及时的报警和处理。在实际运行中，该系统具有较强的抗干扰能力、较高的数据传输速率。
参考文献：
[1]王彦，刘宏立，杨珂.OFDM - CDMA 技术在大型公共建筑节能监控平台中的应用[J].计算机测量与控制，2009，17（11） ：2200-2202.
[2]王丽，华泽玺，刘明慧，等.基于电力线载波通信的电机振动监测系统设计[J].自动化技术与应用，2011，30（6）.
[3]胡志雄.道岔转辙机电动机在线监测通信方案的设计与实现[学位论文].成都：西南交通大学，2011.
[4]官捷，惠晓成.正交频分复用系统的性能仿真分析[J].计算机测量与控制，2008，4.