（微电子学与固体电子学专业论文）铁路区间光通信系统的业务模块设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 于两晏 铁路区间通信是铁路专用通信的重要组成部分，主要是为铁路区间作业人员提供 对外联络的通信设施。鉴于我国铁路区间通信的需求，我们运用光时分多址接入技术， 研发了一套铁路区间光纤通信系统。本文主要介绍该系统的自动电话业务设计和e 1 数 据传输业务设计。 系统主要由站端设备、终端和通信链路构成。系统终端业务是通过站端设备的主 控制单元上业务子板与相应系统的对接实现的。在自动电话业务实现方面，主控单元 底板上可以接多个自动电话业务子板，支持多个终端同时使用自动电话业务。系统的 数据处理模块使用的是c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，复杂可编程逻辑 器件) ，主控单元底板上的主机通过c p l d 的转发实现与系统终端的交互，同时通过 r s 4 8 5 总线和自动电话业务板上的从机通信，实现系统的业务控制。当业务建立时， c p l d 在主机的控制下，实现系统和各业务模块之间业务数据的收发。自动电话业务 板主要由控制模块、语音编解码模块、通话电路、拨号电路和铃音检测电路组成，主 要实现与自动电话系统的对接，业务板上与电话系统对接的地方使用了光电隔离技 术，避免系统受到电话线路的干扰。 在e l 业务的实现方面，主机通过注册，轮询各终端实现业务控制。系统数据传输 码为非归零码，所以在传输e 1 数据前，通过c p l d 编程和极性转换电路，实现非归零 码和h d b 3 码之间的转换。极性转换电路使用的是变压器耦合方式，性能稳定、结构 简单，输出的h d b 3 码型符合i t u t g 7 0 3 规范的要求。 关键词：铁路区间通信；自动电话业务；e l 业务；c p l d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t r a i l w a ys e c t i o nc o m m u n i c a t i o ni sa ni m p o r t a n tp a r to fr a i l w a yc o m m u n i c a t i o n t h e y a r et h ec o m m u n i c a t i o n sf a c i l i t i e sw h i c hp r i m a r i l yp r o v i d ee x t e r n a ll i a i s o nf o rt h er a i l w a y w o r k e r s a c c o r d i n gt ot h en e e d so fr a i l w a ys e c t i o nc o m m u n i c a t i o n ，w eh a v ed e v e l o p e da s e to fr a i l w a ys e c t i o no p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw i t ho p t i c a lt i m ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s st e c h n o l o g y t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ed e s i g no fa u t o m a t i ct e l e p h o n es e r v i c e a n de1d a t at r a n s m i s s i o ns e r v i c ei nt h es y s t e m t h es y s t e m m a i n l yc o n s i s t so fs t a t i o n s i d ee q u i p m e n t ，t e r m i n a l sa n dc o m m u n i c a t i o n l i n k s t e r m i n a ls e r v i c ei sr e a l i z e db yt h ec o n n e c t i o no ft h es e r v i c ef u n c t i o np a r to nt h e m a i nc o n t r o lu n i ta n dt h ec o r r e s p o n d i n gs y s t e m s i nt e r m so fa u t o m a t i ct e l e p h o n es e r v i c e s ， i t s u p p o r t sm u l t i p l et e r m i n a l st ou s ea u t o m a t i ct e l e p h o n es e r v i c es i m u l t a n e o u s l yb y a c c e s s i n gm u l t i p l ea u t o m a t i ct e l e p h o n es e r v i c es u b - b o a r do nt h ef l o o ro fc o n t r o lb o a r d s y s t e m sd a t ap r o c e s s i n gm o d u l ei sac p l d t h eh o s tp r o t o c o l ，f o r w a r d i n gt h r o u g ht h e c p l dc o m m u n i c a t ew i t ht h es y s t e mt e r m i n a l a tt h es a m et i m e ，t h eh o s tc o n t a c t sw i t h s u b o r d i n a t em c uo nt h es e r v i c eb o a r dt h r o u g hr s 一4 8 5b u st or e a l i z et h ec o n t r o lo fs e r v i c e w h e nt h es e r v i c ei se s t a b l i s h e d ，c p l ds e n d sa n dr e c e i v e st h ed a t ab e t w e e ns y s t e m sa n d t h ev a r i o u ss e r v i c em o d u l e su n d e rt h ec o n t r o lo ft h eh o s t a u t o m a t i ct e l e p h o n es e r v i c e b o a r d ，w h i c ha c h i e v e st h ec o n t a c tw i t ht h ea u t o m a t i ct e l e p h o n es y s t e m s ，m a i n l yc o n s i s t so f t h ec o n t r o lm o d u l e ，v o i c ec o d e cm o d u l e ，t h ec a l lc i r c u i t ，d i a l - u pc i r c u i ta n dr i n gd e t e c t i o n c i r c u i t s i no r d e rt oa v o i dt h ei n t e r f e r e n c ew i t ht e l e p h o n el i n e s ，t e l e p h o n es e r v i c eb o a r d c o n n e c t sw i t ha u t o m a t i ct e l e p h o n es y s t e mw h e r et h ep h o t o e l e c t r i ci s o l a t i o nt e c h n o l o g yi s u s e d i nt e r m so fe1s e r v i c e s ，t h eh o s ta c h i e v e st h ec o n t r o lo fe1s e r v i c e sb yr e g i s t e r i n ga n d a c c e s s i n gt h et e r m i n a l so nt u r n t h es y s t e md a t at r a n s m i s s i o nc o d ei sn r z ，s oi nt h ee1 d a t at r a n s m i s s i o n ，t h r o u g hc p l dp r o g r a m m i n ga n d p o l a r i t y c i r c u i tt oa c h i e v et h e c o n v e r s i o nb e t w e e nt h eh d b 3c o d ea n dn r z p o l a r i t yc o n v e r s i o nc i r c u i tu s e st h ew a yo f t r a n s f o r m e rc o u p l e d ，w i t hs t a b l ep e r f o r m a n c e ，s i m p l es t r u c t u r e t h eo u t p u to ft h eh d b 3 c o d em a t c h e sw i t ht h ei t u - t g 7 0 3s p e c i f i c a t i o n s k e yw o r d s ：r a i l w a ys e c t i o nc o m m u n i c a t i o n ；a u t o m a t i ct e l e p h o n es e r v i c e ；e 1s e r v i c e ； c p l d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 铁路区间通信概述 第1 章绪论 铁路是二个庞大的系统，它包括了运、机、工、电、辆等专业部门，各部门围绕 铁路运输协同动作，为保证部门之间的信息通畅，指挥列车的运行铁路历来有一套完 整的专用通信。其中与行车直接相关的有调度、站间、站内、区间等通信业务。区间 通信做为铁路专用通信的一部分，它主要是为区间作业人员提供对外联络的通信设 施。比如区间被迫停车的列车车长或在区间工作的工务、电务、电力等工作人员在必 要情况下，能与车站值班员或有关领导取得业务联系进行紧急防护等【l 】【2 1 。区间电话 应能直接沟通与邻近车站值班员的电话联系，并能接通区段内的列车调度，电力调度， 车务、电务、工务、水电等专用电话回线以及通过有关回线接通长途台。铁路区间通 信系统以两端车站为终端，沿线每隔1 5 公里左右设一通话柱，在通话柱的防尘、防 湿及加锁的固定金属箱内安装有自动式电话机，或者盒内预留通信接口可以提供专用 的通信设备接入【3 】。根据铁路运输通信设计规范( t b l 0 0 0 6 2 0 0 5 ) 对铁路区间通信 系统有如下要求：第一，区间电话应能构成与车站值班员的联系，并能接通该区段内 的列车调度、牵引供电调度电话，以及自动电话。其次，区间应急抢险回线在抢险及 事故救援时应能直达“1 1 7 事故救援台。第三，区间通话柱的设置间隔不应大于2 k r n ， 与轨道中心的水平距离不应小于3 1 m 【4 1 。 1 2 本课题研究背景及意义 我国的铁路通信的发展分为三个时期：第一时期，从1 8 7 6 年到2 0 世纪6 0 年代， 是以架空明线为主的建设发展时期。第二时期，从1 9 7 0 年到1 9 9 0 年是以电缆模拟通 信为主的建设和技术发展时期。第三时期，是以光缆数字通信建设和技术发展时期【5 1 。 自从上世纪8 0 年代光纤通信进入铁路系统以来，光纤通信具有通信容量大、损耗低、 中继距离长、不怕外界强电磁场的干扰，而且光纤耐腐蚀、原材料来源丰富、价格逐 年的降低及光纤通信的技术的逐渐成熟使用光纤通信的成本逐渐下降等优点。铁路光 纤通信发展迅速，1 9 8 8 年，铁道部修订颁布的铁路主要技术政策把原来的“电缆 为主、无线为辅”的规定，改为“大力发展光缆、电缆，积极采用微波、卫星通信”， 1 9 9 4 年铁道部再次修订铁路主要技术政策提出了“铁路干线通信以光纤通信为 主 “新建干线一般采用光缆的要求【5 】。到目前铁路通信系统，除了铁路区间 通信还依赖于金属线对，其它基本都能实现了通信的光纤化。 铁路区间通信的通信节点是沿铁路大约每隔1 5 公里呈线性分布的一种特殊形 式。若要实现光纤化的升级，按现有的技术条件，运用波分复用方式，以很简单的技 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 术手段就能实现，缺点是成本太高。若采用光时分复用方式，以现有的成熟通信技术， 首先把电信号时分复用，然后调制成光信号传输。在组网方式上主要有点到点型、星 型和环网型的方式，点到点或星型的组网方式，像铁路区间通信这种，通信节点呈线 状分布的情况，这种方式明显不适合。 在使用环形组网方式实现铁路区间光纤通信方面，目前存在的方案如图1 1 所示： 区段通信网 车站l a n 干线网 本地交换机 车站 设备 区间语音，数据，图像 车站 设备 区段通信网 车站l a n 干线嘲 本地交换机 图l - l 铁路区间光通信系统结构 该系统由区间设备和车站设备构成，区间设备放在铁路两站之间的区间，提供 了语音，数据，图像接入接口，车站设备收集来自各个区间设备的信息，并根据信息 的归类，分别把他们传到车站l a n 、区间通信网、干线网或本地交换机【6 】。 该通信系统虽然可以实现铁路区间通信的光纤化，为铁路区间通信提供了比较全 面的业务服务，但在区间通信中存在明显不足：首先，数据在每个区间设备都要被全 部接受下来，然后再把该区间的数据复用到系统数据中一起传到下一个区间设备。每 个通信节点对信号都有中继的作用，但是数据处理复杂，成本高，在通信节点之间距 离比较远的情况下，该通信方式的性价比还能接受，比如目前铁路调度系统的2 m 自 愈环就使用这种技术【7 1 ，但不适合铁路区间通信中。其次，每个区间设备都是系统传 输的一部分，如果区间设备有一个出现问题，整个系统的数据传输就会中断，而铁路 区间终端要求提供的是一种即插即用的设备。第三，本系统为有源光网络，要保证区 间通信的通畅，每个区间设备都要不间歇的供电，而对于分布分散的区间节点，供电 系统就是一个很复杂的工程。 除光纤通信以外，在实现铁路区间通信的升级上，还有人提出使用无线的集群通 信方案实现铁路区间通信。在铁路沿线每隔3 0 - 5 0 k i n 设一基站，各基站通过2 m b s 传输链路集中接入中心控制器，再与调度台连接，必要时与程控交换机互联。这种方 案，使用方便，组网灵活，不足之处在于，其通信质量不如光纤通信，而且在山区存 在弱场区，只适用于平原和丘陵，只能提供语音和数据的业务，在铁路抢险中不能提 供视频业务，实现成本也不低哺】。 综上原因，现行国内铁路区间通信的方式大多仍采用并联电话方式，基本每种业 务都要拉一根电话线，因此在长途电缆区段，区间电话一般由2 - - 4 对电缆芯线构成， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 在电气化铁路区段，还要加设的一对芯线与电力调度电话回线接通。目前铁路专用通 信网主要使用c t t 2 0 0 0 l m 、f h 9 8 和z x d 1 0 0 0 等数字专用通信系统，区间通信线 路在铁路中间站接入铁路专用网。依赖金属线传输的区间通信方式存在着明显的缺 陷，首先传输线路容易受电气化铁道接触网产生的电磁干扰的影响，其次通信的传输 速率低，目前区间通信只能提供单一的语音业务服务，第三，随着铜金属资源的短缺， 铜价的不断上涨，使得传统这种以电话并联的区间通信方式的成本越来越不能被接 受。 鉴于铁路区间通信的需求以及铁路区间通信的特殊性，实现铁路区间通信的光进 铜退，我们自主研发了一套用于铁路区间的光纤通信系统，其组网方式如图1 2 所示 | 一一 一| 图1 2 铁路区间光通信系统的组网方式 该系统利用无源光网络，在两端站间用一对光纤连接，数字信号沿光纤以光时分 复用的方式单方向环形传输，区间通信节点采用t 型光纤链路连接的方式接入系统， 在满足铁路区间通信业务带宽要求下，节约了光纤资源，设计的便携式的节点通信终 端，支持即插即用功能，接入系统的每个终端只下载自己需要的数据，上传自身要发 出的数据到指定的时隙，数据处理方便。系统具有高可靠性、维护方便、维护成本低 的特点，而且业务接口丰富，满足铁路区间的多业务接入需求，如语音、视频、各种 监测数据等的综合接入；组网简单、方便；造价较低，比使用对称铜缆传输材料造价 要低。 本设计参照和应用的对象是旅客列车行车速度等于或小于1 6 0 k m h 、货物列车行 车速度等于或小于1 2 0 k m h 的铁路运输通信，不适用于高铁。 1 3 本文的结构安排 本文的主要工作是实现了铁路区间光通信系统的自动电话业务和e l 数据传输业 务。文中首先介绍了铁路区间光纤通信系统的研究背景和意义，而后给出了系统的整 体结构、工作原理和功能，最后分别详细介绍了自动电话业务和e l 业务的设计。在 自动电话业务的设计上，文中先介绍了自动电话业务实现的整体方案，然后分模块介 绍了自动电话业务实现的硬件部分，包括主控制单元的底板部分和自动电话业务子 板；软件设计方面，分别介绍了自动电话的控制设计和业务的数据处理模块c p l d 的 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 曼量皇舅曼薯蔓量置舅量量量量舅罾量舅曩置罾量| 量量量罾量量量量曼l l l l i q l lp l lp 舅舅量量量罾量量鼻量置量曼曼蔓量舅舅置鲁量置曼邑量皇皇 设计。在e l 业务的实现方面，文中在简单介绍了e 1 接口的相关知识后，也采用先整 体方案，再到硬件设计，最后软件设计的写作思路。e 1 的硬件设计，主要是e l 业务 板的编码极性转换电路，软件的设计主要是c p l d 编程实现的非归零码与h d b 3 码之 间的转换和e l 数据的收发设计。 文中共分四章，其具体安排如下： 第一章：绪论。首先介绍了铁路区间通信在铁路通信中的作用和铁路通信规范对 铁路区间通信的要求。其次，描述了我国铁路区间通信的发展及现状，最后阐述了我 们研发的铁路区间通信系统的优势。 第二章：铁路区间光纤通信系统的结构和原理。介绍了铁路区间光纤通信系统的 结构、功能，给出了系统应用时的组网图。其次介绍了系统的通信原理，最后说明了 本文涉及的主要内容。 第三章：系统自动电话业务的设计。首先给出了系统自动电话业务实现的整体方 案，然后分别从硬件和软件两个方面，介绍了该业务的设计。硬件设计方面，采用分 块的设计方法，包括主控底板的相关部件设计和自动电话业务子板设计。自动电话业 务板上有语音编解码模块、通话电路、拨号电路和铃音检测电路和光电隔离电路等组 成。软件设计方面，首先介绍了自动电话业务实现的系统控制，包括主控单元主机设 计、主机与业务从机通信的r s 4 8 5 总线的设计和业务从机的设计等。其次介绍了业 务数据处理模块c p l d 的设计。 第四章：e l 数据业务的设计。首先介绍了e 1 接口的基本知识，给出了e l 业务 实现的整体方案，其次介绍了实现h d b 3 编码的极性转换电路，最后阐述了h d b 3 的编码规则和c p l d 的实现，并对e l 业务的实现进行了测试。 最后是结论、致谢、参考文献、附录和攻读硕士学位期间发表的论文。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章铁路区间光纤通信系统结构及原理 2 1 系统的结构及功能 铁路区间光纤通信系统主要由铁路区间站端设备，上下行站间的通信链路，及接 在区间光通话柱上的手持式终端构成。 铁路区间站端设备放置于铁路车站处，内部主要有系统主控制单元、辅控制单元 和供电单元三部分构成。 区间终端为便携式即用即插设备，它由光同步检测、信道复用与解复用、e l 接 口、音频功率放大、音频p c m 编解码、键盘、液晶显示和电源等模块单元组成，主 要实现铁路区间的语音、图像等数据接入。 通信链路是业务传输的通道，包括传输光纤、安装在光通话柱金属盒内的光耦合 器、光电收发模块、与终端连接的短距离抗干扰高频线等。通话柱的光收发模块是通 过手持终端供电的。把光收发模块做在光通话柱内，是为了提供给使用者的可插拔接 口是电性接口，这样就省去了很多的顾虑，如果把光收发模块做在终端内，与通话柱 间的插拔接口是光接口，恶虐的条件下，非专业人员的频繁插拔使用，容易弄脏或损 坏接头，影响光信号的传输，而更换光接口比较麻烦。系统结构如图2 1 所示。 交 换 机 一 一j 图2 - l 铁路区i 司光通信的结构和功能图 铁路区间光通信系统具体功能如下： ( 1 )区间通话柱间互通或多方通话，当某一终端接入系统中，按键发起多方通话请 求，其它接入系统中的终端接收到通知信号，指示灯亮，此时可以按加入多方 通话键，参与多方通话，按照目前的设计，可实现5 路柱间终端同时通话。 ( 2 ) 终端呼叫上下行站值班员，接入通话柱上的终端按“1 ”键，然后按“o k ”键，可 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 呼叫上行站值班员电话；按“2 ”键，然后按“o k ”键确认，可呼叫下行站值班员 电话，接收端可按“o k ”键建立通话，按“c a n c e l ”按取消通话。 ( 3 ) 值班员呼叫终端，值班员直接按直通电话按键，呼叫接入电话柱上的终端，终 端按“o k ”键接收。 ( 4 ) 终端呼叫外线自动电话，终端接入通话柱上，直接拨要呼叫的电话号码，然后 按“o k ”键确认，通过区间主控制单元上的自动电话业务板转发呼叫外线电话 ( 5 ) 2 m 数据或视频的传输，支持该业务的接口为e 1 接口，接入通话柱上的终端按 “3 ”键，然后按“o k ”键，申请2 m 数据业务传输通道，当业务建立后，可以实 现与区间系统中的主控单元端互通2 m 数据或视频，目前的设计只提供两对收 发数据通道。如果主控单元上的e 1 口通过e 1 转换以太网装置接入网络，则终 端可以通过该业务实现上网功能。 ( 6 ) 接通调度电话，区间通信系统的主控制单元部分，与数字调度系统相连，区间 的工作人员在必要情况下可以通过终端呼叫行调，电调等调度电话。 2 2 系统工作原理 站端设备中主控单元和辅控制单元是两个独立的单元，一个单元接入铁路的上行 区间，一个接入铁路的下行区间，即在某个区间的通信系统中，两站端设备的主控制 单元和辅控制单元是配对使用的，如果区间上行站接入到是站端设备主控单元，那么 下行站应接到站端设备的辅控制单元。在两车站及其区间内，通信系统的构成如图2 2 所示。 图2 - 2 铁路区间光通信系统原理图 站端设备主控制单元和另一终端设备的辅控制单元之间用两根光纤链路相连，光 信号在光纤内单方向传输，在两个站端设备之间形成一个光纤环形数据传输链路。站 端设备的主控制单元在稳定时钟的控制下，按系统数据传输的帧格式，持续周期性发 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 送帧信息码，如图2 3 系统传输数据的帧结构，系统传输两种速率数据6 4 k 和2 0 4 8 m ， 所以有两种帧同步码，2 0 4 8 m 帧同步码及6 4 k 和2 0 4 8 m 共用的帧同步码。2 0 4 8 m 数据的帧长为2 0 4 8 m 数据的8 位码宽度即为1 6 5 3 6 m 数据的6 4 位码宽。6 4 k 数据帧 长为6 4 k 数据的8 位码宽，是2 0 4 8 m 数据帧长的3 2 倍。帧同步码是区间通信终端 上传和下行数据的参考点。 数据帧长= 6 4 k 数据8 位 6 4 k 和2 0 4 8 m 共i , d 帧同步码 2 m 帧同步l 帧问距 码ii1 6 m 数据* 6 4 位 图2 - 3 系统传输数据帧结构图 帧信息码沿光纤链路传输，在通信线路的节点处即铁路区间通信系统的光通话柱 处，由分光器从线路中，分下部分光信号，大部分光信号沿主线路继续往前传输。分 下的光信号由光电收发器转换成电信号送给手持式数字终端，终端在下行数据流中检 测出帧同步码，同时从中动态的提取出与系统同步的时钟，该时钟作为终端收发和处 理数据的时钟，然后以帧同步码为基准，定位帧间时隙位置，终端解下协议时隙的信 息，交给终端的控制m c u ，同时把来自控制m c u 的协议信息上传到协议时隙，像这 样，终端与系统的主控制单元交互控制协议，建立终端业务服务，获得上传和下行数 据时隙。然后终端的控制m c u ，控制终端的数据处理模块，把终端的业务数据，经 码率压缩，放到被分配的上行时隙位置，由光收发器直接转换为光信号，经耦合器耦 合到系统传输光纤中。在系统传输光纤中，各路光信号就以时分复用的方式传输，如 图2 3 所示。在终端上传数据的同时，在控制部分的控制下，解下自己所需要的时隙 中的数据，如果是语音业务服务则把数据送给终端的语音编解码部分重建语音，如果 是数据业务则送到终端中的数据编码部分，转换成e 1 接口数据，从e l 接口输出。终 端按系统的时隙分配，只上传下行实现自己业务的时隙数据，不管传输链路中的其它 数据，每个终端是否接入系统或是否工作不影响系统中的数据传输。 终端下行数据 终端l 上行数据 终端2 上行数据 终端n 上行数据 传输光纤中复 用的光信号 | 同步码 时隙l时隙2时隙n同步码 l 数据l i 图2 3 铁路区间光通信系统的光信号时分复用原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 一|liiii量量置 数据在辅控制单元处，都被接收下来，如果辅控端值班员电话没有使用，它将收 到的数据全部按接收时数据时隙的位置，转发出去。若有业务建立，在解下的数据中， 保留需要的下行时隙的数据，并把自己的语音数据上传到指定时隙。信号在从主控端 传到辅控制端时，中间的节点损耗严重，辅控制单元主要作用是实现信号中继，保证 回路光纤中的信号强度。 主控制单元由主控底板和业务子板构成。底板上分布有光收发模块、主控制 m c u 、数据处理模块、混音电路、时钟模块等。业务板有支持外线自动电话业务的业 务子板、支持e 1 数据业务的子板、值班员电话接口和与调度系统对接的u 接口板。 业务子板与主控底板的对应模块以排线相连。如图2 4 为系统站端设备结构图。 区间各终端复用的数据沿光纤链路环回到站端设备的主控制单元时，主控单元的 数据处理模块，检测出同步码，接收下所有数据。把协议时隙数据送到主控m c u ， 主控制单元上的控制模块是整个系统的大脑，协调整个系统的业务服务；在主控m c u 的控制下，数据处理模块把要实现语音混合的时隙数据，送入混音电路，混音编码后 再上传到指定的时隙：主控单元上分布有e 1 业务板、自动电话业务板、值班员接口 板和u 接口板，数据处理模块把从系统中接收的各终端、各种业务数据，按业务板的 数据要求，经速率转换或码型转换，送给对应的业务板，同时接收来自各业务子板的 数据，经过处理后上传到系统对应的时隙中。其它与主控制单元无关的数据转发。 e 1 业 务 电 路 动 电 话 业 务 板 专瑟掣卜一h 叫数据处理模块 主控制底板 光收发模块 u 接 口 板 混音 电路 时钟 模块 主控制单元 供 电 单 一 兀 值搿话ll 时秽接口i块 辅控l 制卜叫数据处理模块 m c ul i 辅 控 制 板 光收发模块 辅控制单元 站端设备 图2 - 4 铁路区间光通信系统站端设备结构图 本文主要介绍系统中实现自动电话业务和e l 数据传输业务的设计，由系统通信 原理可知，区间通信系统内部主要通过主控制单元上业务服务部分与相应系统的对 板百班员电话接口 于，llli 务 一 业llrllli 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 量量量量皇量曼曼罾量皇皇皇曼舅曼量曼ii i i 量曼曼曼曼曼蔓曼曼皇皇曼皇皇量量置量量量曼鼍舅量罾曼量量量量量量量量量_ _ _ 置墨量量暑一 接，实现业务服务，因此本文主要介绍站端设备主控单元上实现自动电话业务和e 1 数据业务的软硬件设计，主要包括主控单元底板上的主控m c u 和数据处理模块中实 现业务部分及自动电话业务板和e 1 业务板设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第3 章系统自动电话业务设计 3 1 自动电话业务实现的整体方案 系统主控单元实现自动电话业务的整体设计框架如3 1 所示，为了方便后期硬件 电路的测试、维护和升级，硬件设计采用分块设计的方法，包括主控底板和自动电话 业务子板，要能为区间内多个终端同时提供自动电话业务，主控单元就要设置多个自 动电话子板，按目前的设计主控底板上最多可以接8 个自动电话业务板。每个业务板 有固定的i d 号，并固定的占用一对系统收发数据时隙。c p l d 是数据的收发、处理 模块，主控板上m c u 的控制协议经过c p l d 的转发，与系统内部各通信终端进行协 议交互；同时通过4 8 5 总线与自动电话业务板上的从机通信，实现系统各通信终端自 动电话业务的申请、建立和停止。终端申请自动电话业务时，主控m c u 分配一个处 于空闲状态的业务板，供该终端使用。然后m c u 控制c p l d 接收该业务板占用的下 行时隙数据，并提取语音同步时钟，送给该业务板，同时接收来自业务板的信号传到 其占用的上行时隙中。 图3 - 1 铁路区间光通信系统自动电话业务设计框图 3 2 自动电话业务的硬件设计 3 芝1 主控底板的硬件设计 1 m c u 模块 考虑到实际的应用需求和最终设备的设计成本，本设计中主控底板和业务子板的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 控制单元都选用的是a t m e l 公司的8 9 s 5 2 单片机，它一种高性能、低功耗的c m o s 8 位微控制器，具有8 k 的系统可编程f l a s h 存储器，2 5 6 字节r a m ，3 2 位i o 口线， 看门狗定时器，2 个数据指针，三个1 6 位定时器计数器，八个中断源，全双工串行 口，片内晶振及时钟电路，全静态操作支持0 h z - 3 3 h z 。单片机大家都很熟悉，本文 就不再对控制模块的硬件部分做详细介绍【9 】。 2 c p l d 的参数 本设计选用的c p l d 芯片是a l t e r a 公司m a xi i 系列的e p m l 2 7 0 t 1 4 4 c 5 n ，其 参数如表3 1 所示： 表3 1e p m l 2 7 0 t 1 4 4 c 5 n 的参数 e p m l 2 7 0 t 1 4 4 c 5 e p m l 2 7 0 t 1 4 4 c 5 n 型号标识 e p m l 2 7 0基本型号 1 2 7 01 2 7 0 个逻辑单元 t 封装为t q f p 1 4 4 引脚数 c应用级别为商业级 5速度等级 n符合无铅标准 e p m l 2 7 0 t 1 4 4 c 5 e p m l 2 7 0 t 1 4 4 c 5 n 的其它参数 存储类型 f l a s h m u l t i v o l tc o r e 外部电压2 5 v ，3 3 v d e l a yt i m et p d ( m a x ) 6 2 n s 工作温度 0 9 0 编程方式i s p 最大延迟时间t p d ：信号从一脚输入，从另一角输出经过最长的路径的最大延迟时间。 速度等级：m a x i i 系列的c p l d 有三个速度等级分别是3 、5 、7 其中3 最快，这个 等级的划分只是用作一个大致的参考，没有具体的参数【l 们。 3 r s 4 8 5 总线设计及可靠性分析 串行通信方式在各个领域应用非常广泛，现在仍被广泛应用的r s 一2 3 2 串行通信 是出现的比较早的一种，但r s 2 3 2 的传输线路容易受到外界的电器干扰，使得在使 用r s 2 3 2 通信时，常发生信号传输错误；另外，r s 2 3 2 通讯方式在不增加缓冲器的 情况下，最大传输距离只能达到1 5 米】。由于r s 2 3 2 通信速率低、距离短的缺点， 在其基础上改进产生了r s 4 2 2 通信定义接口，它是一种平衡通信接口，最高传输速 率可达到1 0 m b p s ，在速率低于1 0 0 k b p s 时，传输距离可延长到4 0 0 0 英尺，且在一条 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 平衡总线上最多可以连接1 0 个接收器。r s 4 2 2 被命名为t i a e i a 4 2 2 a 标准。它只 是一种多机接收、单机发送的平衡、单向传输接口，为扩展应用范围，1 9 8 3 年电子工 业协会( e i a ) 又在其基础上制定了r s 4 8 5 标准，增加了双向、多点通信能力，即同 一条总线上可以连接多个发送器，可以实现双工通信，扩展了总线能接受共模范围， 同时增加了收发器的冲突保护特性和驱动能力，后命名为t i a e i a 4 8 5 a 标准【l2 1 。 由于r s 4 8 5 传输速率高，能实现一对多点的双向通信，且价格便宜，易实现等 优点。本文中主控m c u 和自动电话业务从机的m c u 之间的通信选择了r s 4 8 5 总线 方式。r s 4 8 5 标准只规定了接口的电气特性，没有涉及电缆、接插件或协议，用户可 以根据自己的需求，在此基础上自己建立高层通信协议。其通信性能如表3 2 所示【1 3 】： 表3 - 2r s 4 8 5 串行通信的性能 规格 t i a e i a 4 8 5 传输模式平衡 最大传输距离4 0 0 0 英尺( 1 2 0 0 m ) 最大数据传输速度 1 0 m b p s 最大差动输出 6 v 最小差动输出 1 5 v 接收器敏感度 o 2 v 发送器负载( 欧姆) 6 0q r s 4 8 5 总线的传输距离和传输速率成反比，只有在距离比较近时才能达到最高的 传输速率，也不是所有的收发器都能达到最大的传输速率，要根据自己的情况选择合 适的收发器。r s 4 8 5 接口现在应用非常的普遍，所以该收发器的型号也很多，比如 m a x i m 公司生产的器件前缀为m a x 、s i p e x 公司的器件前缀为s p 、i n t e r s i l 公司器件 前缀为i s l 或l t c 、t l 公司器件前缀为s n 等等。 本文选用的收发器为m a x 4 8 5 ，它支持的最高速率2 5 m b p s ，允许在同一串行总 线上连接3 2 个收发器，接收灵敏度为士2 0 0 r n a 【l4 1 。其外观如图3 2 r o r e d e d i v c c b a g n d 图3 - 2m a x 4 8 5 收发器的结构图 芯片引脚说明如表3 3 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 表3 3m a x 4 8 5 收发器的管脚功能 管脚号代号管脚说明 l r 0接收器输出脚，当a b2 0 0 m v 时，r o 为高电平；当a b 2 0 0 m v 时，r o 为低电平 2 r e接收使能端，当其为低时r o 可用，当为高时r o 为高阻态 驱动器输出使能端，高电平时，驱动输出使能，此时a 、b 3d e作为总线驱动器，当低电平时，a 、b 为高阻状态，若此时r e 为低电平，则a 、b 作为总线接收器 4 d i驱动输入端，当使能端打开时，输出端a 的输出逻辑与d i 相 同，b 的输出逻辑与d i 相反 5g n d接地端 6a同相接收输入，同相驱动输出端 7b反相接收输入，反相驱动输出端 8v c c接电源端4 7 5 v 5 2 5 v 在应用r s 4 8 5 总线通信时，为了提高信息传输的可靠性，要考虑很多因素对传 输质量的影响。其中比较重要的因素有：反射波干扰、过压瞬间干扰、共模干扰、和 失效性保护。 所谓的反射波是指电信号在线路传输过程中，主要由于传输线路的阻抗不连续和 阻抗不匹配产生一个与入射信号波方向相反的行波即称之为反射波。信号在传输线路 阻抗不连续的地方，会因传输阻抗的突然变小甚至没有引起反射【15 1 。阻抗不连续的地 方常在线路传输的末端及总线与负载的连接处，在传输线的末端，为了有效消除这种 反射波的干扰，就要使传输线路的阻抗连续，常用的方法是在差分传输线的末端跨接 一个终端电阻，该电阻的阻值与传输线的特性阻抗同样大小，这种方法也称为总线匹 配法【1 6 】。由于r s 4 8 5 总线上的信号传输是双向的，因此，在传输线的两端都要加跨 接一个终端电阻，它们的阻值相同。同样数据传输线与收发器之间的阻抗不匹配，也 会引起信号反射。在这种情况下，通常采用加偏置电阻和噪声抑制的方法来减弱反射 信号的影响，在实际应用中，从实现简单方便考虑，常采用加偏置电阻法，而且信号 频率越高，越容易产生反射波干扰，所以在通讯波特率比较高的时候，在线路上加偏 置电阻是很有必要的【”儿1 7 j 。 终端匹配电阻虽然可以很好的解决反射波的干扰，但是它是以消耗更多的功率为 代价的，在实际的设计中，由于反射波干扰大小和总线的传输距离及数据的传输速率 成正比，根据设计经验，如果信号的建立时间比信号在传输线路上单方向传输延迟时 间长3 倍以上，这时因为总线的传输距离短，传输速率低，可以不加终端电阻。利用 这一标准，可以估算出不加终端电阻的总线传输距离。以典型双绞线( 2 4 a w gp v c 电缆) 为例，其上的信号传输速率约为0 2 m n s ，m a x 4 8 5 最小的信号上升时间为2 5 0 n s ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 即估算出大约总线长度1 6 6 米以内，可以不加终端电阻，本文设计的r s 4 8 5 的通信 距离不到l 米所以没有加终端电阻。同理，在通信速率比较低，收发器离总线距离比 较近的情况下也可以不加偏置电阻【1 8 】。 其次常影响r s 4 8 5 总线可靠性的是过压瞬间干扰，它大多数是由于雷击，或静 电引起的，本文设计中总线的传输部分封装在主机箱内，不与外界接触，所以不用设 计过压保护措施。 再者是共模干扰，这是对于那些传输距离比较远的，收发相互独立的通信系统来 说，它们彼此有着各自的接地系统，由于存在着低电位差，使得它们在相互传输信号 时，引入的共模信号大于芯片所能接受共模电压的范围而破坏芯片，m a x 4 8 5 接受的 共模电压的允许范围为7 v 一1 2 v e l 6 】【1 9 】。本设计的总线通信的终端距离很近，全部都很 好的接公共地，解决共模干扰问题。 最后是r s 4 8 5 通信的失效保护问题，在r s 4 8 5 通信的规范中，规定了其接收器 的门限值为+ 2 0 0 m v ，该规范能够提高的接收器的噪声抑制能力，但由于通信终端机 在发送端发送完自己的信息数据后，就会立刻将总线置为第三态，若当出现没有任何 信号驱总线时，此时接受器的输出状态可能为1 也可能为0 ，以上是因为总线闲置造 成的两线之间的电压差低于2 0 0 m y ，出现了不确定情况，其次短路和开路也会可能导 致这种情况的出现，为使在此情况下，接受器输出一个确定值，设计时常在a 端接上 拉电阻，b 端接下拉电阻。目前的有些芯片已经把解决上述问题的电路做在了芯片内， 但本设计选择的m a x 4 8 5 芯片没有集成这个功能【1 5 】【2 0 1 。 根据上述的r s 一4 8 5 总线的应用的分析，本文中的总线通信设计电路如图3 3 所 示： r o r e d e d i 图3 - 3r s - 4 8 5 总线型通信的结构图 d i d e 灶 r o 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 3 2 2 业务板电路的整体结构 站端主控制单元主板 图3 - 4 自动电话业务予板的整体设计图 如图3 4 业务子板由控制m c u 、以m c l 4 5 4 8 l 为核心的语音编解码模块、以 h t 9 2 0 0 a 为核心的双音多频拨号模块、以t l p 5 2 1 4 为核心的光电隔离模块、以 t c m l 5 2 0 a 为核心的铃音检测模块、以t e a l 0 6 2 a 为核心的电话电路和一个控制开关 构成。其工作原理如下：当外界电话经过电话接口呼叫系统时，以t c m l 5 2 0 a 为核 心的铃音检测电路会检测到交换机送来的铃音信号，此时铃音检测芯片输出的信号经 光电隔离后，送给业务板的控制m c u ，然后业务板m c u 通知系统主机外界有电话呼 入，主控m c u 再告知系统内终端，当系统内有终端接收业务时，系统返回响应信号 后，业务板m c u 控制电话接口处的压控开关，把电话信号切入电话芯片即模拟摘机 动作，建立通话；当系统内部终端拨号请求自动电话业务时，系统控制主机接收到拨 号信息后，将其传给业务板m c u ，然后业务板上的m c u 执行模拟摘机动作，控制拨 号电路发出双音多频号码信息，信号经过光电隔离后，经电话送话电路输出到电话线 上。当建立语音通信后，系统的语音数字信号送到语音编解码电路转换成模拟信号经 光电隔离后由电话电路送到电话线。同时接收的电话信号经光电隔离送到编解码芯 片，编码成数字信号送给系统。为了使区间通信系统部分免受电话线路的干扰，设计 中两个系统交流的信号都使进行了光电隔离，使两系统相互独立。图中线框内模块是 属于电话系统部分，单独共地与其他模块独立。 -瞄霉j 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 3 2 3 语音编解码电路 在语音编解码芯片的选择上我们既考虑它的实用性，也要考虑到它的成本。比如 运用比较广泛的t i 公司的音频解码器( t l c 3 2 0 a d 5 0 ) 它的接口芯片采用的是重复采 样的技术，