（交通信息工程及控制专业论文）应答器报文模拟发送器的研究.pdf

中文摘要 摘要：c t c s ( c h i n at r a i nc o n t r o ls y s t e m ，中国列车控制系统) 是保证列车安全运 行、提高运输效率的安全苛求系统，我国大力发展的客运专线将广泛使用c t c s 2 级和c t c s 3 级列控系统。 应答器作为车地间信息传输的一种方式在列车运行控制系统中应用广泛，它 在我国铁路运行控制中发挥着重要的作用。在c t c s 3 级列车控制系统中，应答器 用于向c t c s 3 级列控系统车载设备提供位置、等级转换、建立无线通信等信息； 在c t c s 2 级列控系统中，应答器向车载设备提供线路速度、线路坡度、轨道电路、 临时限速等线路参数信息。 本论文探讨和设计了一个能在实验室c t c s 3 级列控系统仿真集成平台中使 用的应答器报文模拟发送器，它的作用是在c t c s 3 级集成平台中模拟应答器地面 设备向车载设备发送调制报文的过程。应答器报文模拟发送器的设计和实现对 c t c s 3 级列控系统仿真集成平台的建设有重要意义。 本文主要研究内容包括： ( 1 ) 简要介绍了e t c s 、c t c s 列车运行控制系统及国外其它主要列控系统的 现状； ( 2 ) 介绍了应答器的结构、分类、接口、工作原理和应答器用户报文的形成， 详细分析了由应答器用户报文向应答器传输报文转换的编码策略； ( 3 ) 基于a r m 嵌入式模块和f p g a 可编程模块设计了应答器报文模拟发送器 的结构方案，并描述了结构中各个模块的作用，然后对各个模块采用的设计平台 环境以及编程语言进行了介绍； ( 4 ) 基于v i s u a lc + + 6 0 编程环境、a d s l 2 集成环境、m a x + p l u si i 开发环境 进行了应答器报文模拟发送器的实现与结果分析。详细描述了应答器报文模拟发 送器的实现过程，按编码软件、嵌入式通信模块、f p g a 模块的顺序阐述了各模块 的设计实现过程，对各个实现过程给出了设计原理和程序逻辑流程图，然后对应 答器报文仿真发送器的各模块的设计结果进行分析，如嵌入式模块通信的正确性、 f p g a 模块的时序波形仿真结果等； ( 5 ) 对论文的主要工作进行了总结，并对后续工作进行了展望。 关键词：应答器，中国列车控制系统，嵌入式系统，现场可编程门阵列，超高速 集成电路硬件描述语言 分类号：u 2 8 5 4 a bs t r a c t a b s t r a c t ：c t c s ( c h i n at r a i nc o n t r o ls y s t e m ) i sas a f e t yc r i t i c a ls y s t e mw h i c h e n s u e st h es a f e t yo ft r a i na n di m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo ft r a n s p o r t a t i o n c t c sl e v e l2 a n dc t c sl e v e l3w i l lb ew i d e l yu s e df o rp a s s e n g e rt r a n s p o r t a t i o nl i n e sw h i c ha r e v i g o r o u s l yd e v e l o p e di no u rc o u n t r y a so n eo ft h em e t h o d st ot r a n s m i ti n f o r m a t i o nb e t w e e nt r a c k s i d ea n do n - b o a r d e q u i p m e n t s ，b a l i s ei sw i d e l yu s e di nt r a i nc o n t r o ls y s t e m i tp l a y sa ni m p o r t a n tp a r ti n t r a i nc o n t r o ls y s t e mo f0 1 1 1 c o u n t r y i nc t c sl e v e l3 ，b a l i s ei su s e dt os e n di n f o r m a t i o n t oo n b o a r de q u i p m e n t ，w h i c hc o n t a i n st r a i nl o c a t i o n , l e v e lt r a n s f o r m s ，w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ne s t a b l i s h i n ga n ds oo n i nc t c sl e v e l2 ，b a l i s ei su s e dt os e n d i n f o r m a t i o nt oo n b o a r de q u i p m e n t , w h i c hc o n t a i n sl i n es p e e d ，l i n eg r a d e ，t r a c kc i r c u i t p a r a m e t e r s ，t e m p o r a r ys p e e dr e g u l a t i n ga n ds oo n i n t h i sp a p e r , as i m u l a t i v es e n d e ro fb a l i s et e l e g r a mi sd i s c u s s e da n dd e s i g n e d ， w h i c hc o u l db eu s e di nc t c sl e v e l3e m u l a t i n ga n dt e s t i n gp l a t f o r mi nl a b o r a t o r y i n c t c sl e v e l3e m u l a t i n ga n dt e s t i n gp l a t f o r m ，i tc a l ls i m u l a t et h ep r o c e s so fs e n d i n g b a l i s et e l e g r a mf r o mg r o u n de q u i p m e n tt oo n - b o a r de q u i p m e n t d e s i g n i n ga n dr e a l i z i n g t h es i m u l a t i v es e n d e ro fb a l i s et e l e g r a ma r es i g n i f i c a n tt ot h ec o n s t r u c t i o no fc t c s l e v e l3e m u l a t i n ga n dt e s t i n gp l a t f o r m 1 1 1 em a i nw o r ko ft h i sp a p e rc o n t a i n st h ef o l l o w s ： ( 1 ) e t c s ，c t c sa n df o r e i g nm a i n o t h e rt r a i nc o n t r o ls y s t e m sa r es i m p l y i n t r o d u c e d ( 2 ) t h es t r u c t u r e ，s o r t s ，i n t e r f a c e sa n dw o r kp r i n c i p l eo fb a l i s ea r ei n t r o d u c e d a n d t h ec o m p o s i n gp r o c e s so fb a l i s eu s e rd a t ai sa l s oi n t r o d u c e d 1 1 1 ef o r mf i tf u n c t i o n s p e c i f i c a t i o nc o d i n gs t r a t e g y i s a m p l ya n a l y z e d , w h i c hs h o w st h ep r o c e s so f t r a n s f o r m i n gb a l i s eu s e rd a t ai n t ob a l i s et e l e g r a m ( 3 ) 1 1 1 es t r u c t u r eo ft h es i m u l a t i v es e n d e ro fb a l i s et e l e g r a mi sb a s e do na n 删 e m b e d d e dm o d u l ea n daf p g am o d u l e t h ef u n c t i o n so fe a c hm o d u l ea r ed e s c r i b e d 1 1 1 ed e s i g np l a t f o r m sa n dp r o g r a m m i n gl a n g u a g e sa r ea l s oi n t r o d u c e d ( 4 ) t i 坞s i m u l a t i v es e n d e ro fb a l i s et e l e g r a mi sr e a l i z e da n da n a l y z e db a s e do n s o f b , v a r eo fv i s u a lc + + 6 0 ，a d si 2a n dm a x + p l u si i t h er e a l i z i n gp r o c e s so ft h e b a l i s et e l e g r a ms i m u l a t i v es e n d e ri sa m p l yd e s c r i b e da c c o r d i n gt ot h eo r d e ro ft e l e g r a m c o d i n gm o d u l e ，e m b e d d e dc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n df p g am o d u l e t h ed e s i g n p r i n c i p l e sa n dt h ep r o g r a mf l o wc h a r t so fe a c hm o d u l ea r eg i v e n t h e nt h ed e s i g n r e s u l t so fe a c hm o d u l eo ft h eb a l i s et e l e g r a ms i m u l a t i v es e n d e ra r ea n a l y z e d ，s u c ha s c o r r e c t n e s so ft h ee m b e d d e dc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n de m u l a t ew a v e f o r i l l so ft h e f p g am o d u l e ( 5 ) t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri ss u m m a r i z e da n dr o m ef u r t h e rr e s e a r c hi s p o i n t e do u t k e y w o r d s ：b a l i s e , c t c s ，e m b e d d e ds y s t e m ，f p g a ，v h d l c l a s s n o ：u 2 8 5 4 v 图索引 图1 一lc t c s 3 级列控系统结构简图6 图1 2 应答器报文模拟发送器在c t c s 3 级仿真测试平台中的作用7 图2 1 应答器系统结构框图l l 图2 - 2 长报文结构示意图1 2 图2 3 短报文结构示意图1 2 图2 4 加扰过程示意图1 4 图3 - l 应答器报文模拟发送器的系统结构方案1 8 图3 2 内部通信协议的格式1 9 图3 3v i s u a lc h6 0 调试界面2 l 图3 4u d p 通信客户机与服务器的工作流程2 3 图3 5 飞利浦l p c 2 2 1 0 2 2 2 0 芯片结构图2 4 图3 - 6a d s l 2 软件调试环境界面2 6 图3 7f p g a 设计流程图2 8 图3 8m a x + p l u si i 软件调试界面3 2 图4 1m s c 0 m m 控件示意图3 3 图4 2 串口通信参数设置界面3 4 图4 3u d p 通信基本流程3 5 图4 _ 4 应答器编码策略算法实现流程图3 6 图4 5 应答器报文显示界面3 7 图4 6 人工启动发送应答器报文操作界面3 8 图4 7m a x 3 2 3 2 电平转换原理图3 9 图4 8u j u 订0 通信流程图4 0 图4 9r t l 8 0 1 9 以太网接口电路原理图4 1 图4 1 0 基于p c o si i 的主程序流程图4 2 图4 1 l 数据通信正确性测试的方法示意图4 2 图4 1 2h - j t a g 探测识别c p u 的截图4 3 图4 1 3h f l a s h e r 探测识别f l a s h 芯片的截图4 4 图4 1 4h f l a s h e r 设置h a s h 地址的截图4 4 图4 1 5 串口调试助手验证通信的正确性示意图4 5 图4 1 6 网络调试助手验证通信的正确性示意图4 6 图4 1 7f p g a 顶层设计结构图4 7 图4 1 8 分频器的逻辑结构图4 9 图4 1 9 产生载频“0 ”的分频器模块顶层结构图4 9 图4 2 0 产生载频“l ”的分频器模块顶层结构图5 0 图4 2 l 产生基频信号的分频器模块顶层结构图5 0 图4 2 28 分频及使能信号输出的模块顶层结构图一5 0 图4 2 31 6 分频的时序仿真波形图5 l 图4 2 41 4 分频的时序仿真波形图5 l 图4 2 51 1 2 分频的时序仿真波形图5 l 图4 2 68 分频模块的时序仿真波形图5 2 图4 2 7 地址输出模块的逻辑结构图5 3 图4 2 8 地址输出模块的顶层结构图5 3 图4 2 9 地址输出模块的时序仿真波形图5 4 图4 3 0 并串转换模块的逻辑结构图5 4 图4 3 l 并串转换模块的顶层结构图5 5 图4 3 2 并串转换模块的时序仿真波形图5 6 图4 3 3 开关及相加器模块的逻辑结构图5 6 图4 3 4 开关和加法器模块的顶层结构图5 7 图4 3 5 开关l 的时序仿真波形5 7 图4 3 6 开关2 的时序仿真波形5 8 图4 3 7 相加器的时序仿真波形5 8 图4 3 8f p g a 整体模块的编译结果5 9 图4 3 9f p g a 整体模块的时序仿真波形1 ”5 9 图4 - 4 0f p g a 整体模块的时序仿真波形2 6 0 图4 _ 4 lf p g a 资源消耗仿真( q u a r t u si i ) 6 0 6 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名荟私够签字吼 幽夕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 仁蓟眇 导师签名： 签字醐：印年么刖7 日 签字日期曲。 致谢 本论文的工作是在我的导师李开成副教授的悉心指导下完成的，李开成副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，在此衷心感谢两 年来李老师对我的关心和指导。 马连j i i 副教授悉心指导我在实验室期间的科研工作，袁磊老师对于我的科研 工作和论文都提出了许多的宝贵意见，他们在学习上和生活上都给予了我很大的 关心和帮助。我的论文从选题到实验指导直到整个论文的修改，都渗透着老师们 的辛勤劳动和汗水，在此向北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室的 所有老师表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，谢雨飞、张倩、魏国栋等同学对我论文的研 究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母和家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 最后，我要向在交大六年的学习和生活中所有关心、帮助过我的老师、同学 和朋友致以诚挚的谢意! 本论文由国家自然科学基金项目“列车运行控制及组织的基础理论与关键技 术研究”( 项目号：6 0 6 3 4 0 1 0 ) 支持。 1 绪论 随着铁路运输速度的不断提高，铁路通信信号技术发生了重大的变化。车站、 区间和列车控制的一体化以及通信信号技术的融合，使得过去功能单一、控制分 散、通信信号相对独立的传统技术被彻底取代，这也促使着铁路信号技术向数字 化、智能化、网络化等方向发展。目前有代表性的铁路列车运行控制系统有欧洲 的e t c s ( e u r o p e a nt r a i nc o n t r o ls y s t e m ) 、中国的c t c s ( c h i n e s et r a i nc o n t r o l s y s t e m ) 、日本的d s a t c 、法国的t v m 4 3 0 、德国的l z b 等。 2 0 世纪9 0 年代，欧盟各国为解决跨国运行时a t p ( 列车超速防护) 系统的兼 容问题，联合制定了欧洲列车运行控制系统e t c s 技术规范和适合铁路应用的 g s m r 系统技术标准，使原有独立、分散、业务单一的模拟无线通信改变为具有 综合功能、数字化的移动通信系统，为列车控制系统的跨国运行建立了可靠的搭 载平刨6 】。 借鉴e t c s 发展思路和国外高速铁路列控系统运用经验，结合我国铁路运输 特点，遵循全路统一规划的原则，我国铁道部制定了中国的列车运行控制系统 c t c s 的技术体系。c t c s 的目标是提高安全性能和运输效率、满足互通运营、规 范系统设计，c t c s 系统分级以适应发展需求。 1 1e t c s 介绍 1 1 1e t c s 概述 e t c s 是欧洲铁路运输管理系统e r t m s ( e u r o p e a nr a i lt r a 伍cm a n a g e m e n t s y s t e m ) 的重要组成部分，除此之外e r t m s 还包括无线通信系统g s m r 和欧洲 运输管理系统e t m s 。g s m r 是基于成熟的公共无线通信网络g s m 的技术，在 铁路上专门应用的通信网络系统；e t m s 是一个最优化的铁路运输系统，通过e t c s 接收列车的实时信息，根据这些信息和运行技术来优化列车调度指挥，管理列车 的运行路径，从而提高铁路的运输效率和能力。 列车运行控制系统是铁路智能化的表现之一，它根据与前方列车之间的距离 和进路条件，在车内连续地显示出容许的运行速度，列车按照该速度自动或人工 控制其运行，具有这种功能的信号系统成为列车运行控制系统。e t c s 是一个先进 的列车自动防护( a r p ) 系统和机车信号技术规范，安装符合e r t m s 技术规范的 列车运行控制系统，不仅能提高列车的安全性，而且能使列车能够在欧洲境内穿 越不同国家时实现互通运营。 1 1 2e t c s 应用等级划分 为了适应当前和长期发展的需要，e t c s 技术规范将列控系统分为5 个等级： e t c s 0 、e t c s s t m 、e t c s 1 、e t c s 2 和e t c s 3 ，高等级向下兼容，通过对机 车信号、全自动列车防护、标准的车地接口和通信规则的不同配置，实现与欧洲 既有系统的兼容性和通用性，从而保证列车运行的安全。 ( 1 ) e t c s 0 级 在e t c s 0 级中，装备了e t c s 的列车可以在没有装备e t c s 地面设备或者无 本国信号系统的线路上运行。 ( 2 ) e t c s s t m 级 s t m 是s p e c i f i ct r a n s m i s s i o nm o d d e ( 专用传输模块) 的缩写，装备了e t c s 的列车在装备了本国信号系统的线路上运行。为了能够识别本国地面信号，车载 设备还需另增加s t m 接口设备，把接收到的本国信号译成标准的e t c s 报文格式， 然后传递给e t c s 3 s 】。 ( 3 ) e t c s 1 级 该系统属于典型的点式a t p 控制系统，在装备了点式传输设备( 如e u r o b a l i s e ) 的线路上运行。在e t c s 1 级中，控制方式主要采用地面信号+ 查询应答器的形式。 该等级采用固定追踪间隔形式，司机依靠地面信号行车，依靠轨道电路或计轴设 备检查列车占用和完整性，利用查询应答器覆盖各国现有信号系统，并用于列车 定位和传送控制命令【6 j 。 ( 4 ) e t c s 2 级 该系统是基于移动通信的连续式a t p 系统，在装备了e u r o b a l i s e 和e u r o r a d i o 的线路上运行。在e t c s 2 级中，控制方式主要采用g s m 1 h 查询应答器的形式。 该等级与前一等级相比，可以取消地面信号机，司机可以完全依靠车载信号设备 行车，车地之间可以通过g s m r 系统进行连续、双向、大容量的通信，车载设 备对列车运行速度进行实时监控，点式设备完成列车定位校准，轨道电路和计轴 设备检查列车占用和完整性，该系统并且建有无线闭塞中心r b c ( r a d i ob l o c k c e n t e r ) 。 ( 5 ) e t c s 3 级 该系统是具有明显的移动自动闭塞特征的系统，在装备了e u r o b a l i s e 和 e u r o r a d i o 的线路上运行。在e t c s 3 级中，控制方式主要采用g s m r + 查询应答 2 器的形式。该等级主要考车载设备来检查列车完整性，取消地面信号机和轨道电 路，室外线路上的信号设备减少到最低程度，列车追踪间隔依靠点式设备和无线 闭塞中心实现。 1 2c t c s 介绍 1 2 1c t c s 的系统结构和基本功能 c t c s 在结构上有两个子系统构成，即车载子系统和地面子系统。地面子系统 由应答器、轨道电路、无线通信网络( g s m r ) 接口设备以及列车控制中心( t c c ) 无线闭塞中心( r b c ) 等组成；车载子系统由安全计算机、应答器传输模块、轨 道电路信息接收单元、人机界面、列车接口单元以及车载无线通信模块等组成。 c t c s 在满足可靠性、可用性、可维护性和安全性的条件下，对运行中的列车 进行超速防护，保障列车安全运行【4 】，其主要功能如下： ( 1 ) 安全防护功能 安全防护功能是c t c s 的核心功能，主要包括在任何情况下防止列车无行车 许可运行、超速运行和溜逸。列车运行的限定速度包括进路允许速度、线路结构 规定速度、机车车辆构造允许速度、临时限速及紧急限速等，故列车运行时应不 超过上述任何限制速度。 ( 2 ) 设备检测功能 c t c s 设备除了完成控制和人机交互功能外，还具有设备检测功能，主要包括 开机自检功能和运行中动态检查功能，能够记录设备的关键数据以及关键动作， 并提供监测接口。 ( 3 ) 人机界面功能 人机界面功能主要为列车司机提供信息显示、数据输入及操作，能以字符、 数字及图形等方式显示列车运行速度、允许速度、目标速度和目标距离，实时给 出列车超速、制动、允许缓解等表示以及设备故障状态报警，同时应具有标准的 列车数据输入界面，可根据运营和安全控制要求对输入数据进行有效性检查。 ( 4 ) 可靠性和安全性 c t c s 设备在可靠性和安全性设计方面必须按照信号的故障安全原则进行设 计，核心硬件设备须采用冗余结构，满足电子兼容性相关标准。 1 2 2c t c s 应用等级划分 3 按照系统条件和功能，c t c s 可以划分为5 级。 ( 1 ) c t c s 0 级 c t c s 0 级由通用机车信号+ 列车运行监控装置组成。c t c s 0 级尚未成为安全 系统，适用于列车最高运行速度为1 6 0 k m h 及以下，一般自动闭塞设计仍按固定 闭塞方式进行，信号显示具有分级速度控制的概念，其目标距离式制动曲线可作 为参考，应该说这是一个过渡阶段。 ( 2 ) c t c s 1 级 c t c s 1 级是在c t c s 0 级基础上安全升级的列车运行控制系统。c t c s 1 级 由主体机车信号和加强型铁路工程运行监控装置组成，面向1 6 0 k m h 及以下的区 段，在既有设备基础上强化改造，达到机车信号主体化要求，增加点式设备，实 现列车运行安全监控功能。利用轨道电路完成列车占用检测及完整检查，连续向 列车传送控制信息。c t c s 1 级的控制模式为目标距离式，采取大贮存的方式把线 路数据全部贮存在车载设备中，靠逻辑推断地址调取所需的线路数据，结合列车 性能计算给出目标距离式制动曲线。在车站附近增加点式信息设备，传输定位信 息，以减少逻辑推断地址产生错误的可能性，全面提高了系统的安全性，该级系 统是对c t c s 0 级的全面加强，可称为线路数据全部贮存在车载设备上的列车运行 控制系统。 ( 3 ) c t c s 2 级 c t c s 2 级是基于轨道电路和点式信息设备传输信息的列车运行控制系统，适 用于各种限速区段，地面可不设通过信号机。司机凭车载信号行车，轨道电路完 成列车占用检测及完整性检查，连续向列车传送控制信息，点式信息设备传输定 位信息、进路参数、线路参数、限速和停车信息。c t c s 2 级采取目标距离控制模 式，采用一次制动方式，这是一种点连式列车运行控制系统，功能比较齐全并适 合当前国情。 ( 4 ) c t c s 3 级 c t c s 3 级是基于无线传输信息并采用传统方式检查列车占用的列车运行控 制系统。c t c s 3 级与c t c s 2 级一样，采取目标距离控制模式，它具有如下特点： c t c s 3 级适用于各种限速区段，地面可不设通过信号机，司机凭车载信号 行车，满足客运专线和高速运输的需求； 轨道电路完成列车占用检测及完整性检查，点式信息设备提供列车用于测 距修正的定位基准信息； 无线通信系统实现地车间连续、双向的信息传输； 行车许可由地面无线闭塞中心产生，通过无线通信系统传送到车上。 ( 5 ) c t c s 4 级 4 c t c s - 4 级是完全基于无线通信( 如g s m r ) 的列车运行控制系统，可实现 虚拟闭塞或移动闭塞，由地面无线闭塞中心和车载设备完成列车占用检测及完整 性检查，点式信息设备提供列车用于测距修正的定位基准信息，由r b c 和车载验 证系统共同完成列车定位和列车完整性检查，使传统的信号设备减到最低。c t c s 4 级地面不设通过信号机，司机凭车载信号行车，满足客运专线和高速运输的需求。 1 3国外其它主要列车运行控制系统 国外其它列车运行控制系统主要有：法国的t v m 3 0 0 和t v m 4 3 0 系统、德国 的l z b 系统、日本的d s a t c 等。 法国高速铁路的列车控制系统车载信号设备采用t v m 3 0 0 或t v m 4 3 0 ， t v m 4 3 0 系统是t v m 3 0 0 的换代产品，地对车的信息传输以无绝缘轨道电路 u m 7 1 u m 2 0 0 0 为基础，该列控系统简称u 厂r 系统，从功能上看是属于a t p 系统【6 】。 德国的l z b 系统是基于轨道电缆传输的列车控制系统，是世界上首次实现连 续速度控制模式的系统。l z b 系统能够按照目标速度、目标距离对列车进行连续 制动，新型的l z b 系统建立了制动减速度和当时列车速度的关系，常用制动曲线 由3 段具有不同减速度的线段组成。它利用轨道电缆作为车地双向通信的通道， 还要用轨道电路来检查列车占用，因此轨旁设备较多，给维修带来不便。 日本的d s a t c 系统是由a t c 地面装置、车载装置、轨道电路、信号电力传 输线路和电源装置等组成，它的a t c n s 设备采用了最新的微电子技术和故障安 全光局域网为基础构成的分散处理结构【3 5 】。日本新干线现有的a t c 系统普遍采用 超前阶梯式速度监控，它的制动方式是设备优先的模式，即列车车载设备根据轨 道电路传送来的速度信息，对列车进行减速或缓解控制，使列车出口速度达到本 区段的要求。 各国铁路部门在实施列车运行控制过程中，都是以故障安全原则作为最重要 的技术条件，将地面和车载设备按照一个整体系统统一设计，同步进行技术更新 或强化改造，以保证整个系统的高安全、高可靠性。通信信号一体化是现代铁路 信号的重要发展趋势，基于通信特别是基于无线移动通信的列控系统是今后重要 的发展方向。 1 4 论文的选题意义 目前我国正在大力发展客运专线，将广泛使用c t c s 2 级和c t c s 3 级列控系 统，其中时速3 0 0 k m h 以上的线路采用c t c s 3 级列控系统。c t c s 3 级是基于 g s m r 无线移动通信网络的列车控制系统，它由无线闭塞中心r b c 生成行车许 可，采用轨道电路检查列车占用、应答器完成列车位置校准，并向下兼容c t c s 2 级列车运行控制系统。该系统采用先进的技术手段对高速运行下的列车进行速度、 间隔等实时监控和超速防护，以目标距离连续速度控制模式、设备制动优先的方 式监控列车安全运行。目前系统正在研发，需要在实验室建立仿真测试平台进行 方案、功能等验证。 在c t c s 3 级列车控制系统中，应答器用于向c t c s 3 级列控系统车载设备提 供位置、等级转换、建立无线通信等信息，同时对c t c s 2 级列控系统车载设备提 供线路速度、线路坡度、轨道电路、临时限速等线路参数信息。因此，应答器报 文信息格式应采用铁道部统一的技术标准，应答器设置应满足c t c s 一3 级系统、兼 容c t c s 2 级系统的要求，c t c s 3 级列控系统的结构简图如图1 1 所示。本文的 选题就是为了在实验室模拟图中虚线方框内的地面应答器设备的报文编码和调制 过程。 图1 - 1c t c s 3 级列控系统结构简图 f i g u r e1 - 1s i m p l es t r u c t u r eo fc t c sl e v e l3 6 如图1 2 所示，本文设计的应答器报文模拟发送器与实验室的c t c s 3 级列控 系统仿真测试平台相连，从列控中心( t c c ) 接收应答器报文的用户数据包，对 用户数据包进行编码、然后将报文进行f s k 调制以后发送出去，既能模拟列车运 行时列车通过若干个应答器时的报文发送过程，也能在实验室对b t m ( 应答器传 输模块) 的一些性能进行测试。因此应答器报文模拟发送器的研究对c t c s 3 级列 控系统仿真测试平台的建设有重要的作用。 车载b t m 图1 2 应答器报文模拟发送器在c t c s 3 级仿真测试平台中的作用 f i g u r el - 2 f u n c t i o no fb a l i s et e l e g r a ms i m u l a t i v es e n d e ri nc t c sl e v e l3 e m u l a t i n ga n dt e s t i n gp l a t f o r m 1 5论文主要结构 论文的结构安排如下： 第l 章：绪论。简要介绍了e t c s 、c t c s 列车运行控制系统及国外其它主要 列控系统的现状，阐述了论文的选题意义和主要结构。 第2 章：应答器编码原理。介绍了应答器的结构、分类、接口和工作原理， 应答器用户报文的形成，详细阐述了由应答器用户报文向应答器传输报文转换的 编码策略。 第3 章：应答器报文模拟发送器的结构方案。阐述了应答器报文仿真发送器 的系统结构方案，说明了结构中各个模块的作用和采用的设计平台，然后对各个 模块采用的设计平台环境以及编程语言进行了介绍。 第4 章：应答器报文模拟发送器的实现与结果分析。阐述了应答器报文模拟 7 发送器的实现过程，按编码软件、嵌入式通信模块、f p g a 模块的顺序阐述了各模 块的设计实现过程，对各个实现过程给出了设计原理和程序逻辑流程图，然后对 应答器报文模拟发送器的各模块的设计结果进行分析，如嵌入式模块通信的正确 性、f p g a 模块的时序波形仿真结果等。 第5 章：总结与展望。对论文的主要工作进行了总结，并对后续工作进行了 展望。 2 应答器编码原理 2 1应答器的结构和工作原理 应答器作为一种高速率、大信息量的点式数据传输设备，是欧洲铁路联盟在 2 0 世纪9 0 年代制定欧洲列车控制系统技术规范的时候，同时制定出来的统一标准 的应答器。由于它的灵活性强、信息量大、可靠性高等特点，可以用于列车安全 防护、道口控制、定位停车、车种识别、进路预排、临时限速等各方面。 2 1 1应答器的工作原理及分类 应答器系统是一种采用电磁感应原理构成的高速点式数据传输设备，用于在 特定地点实现地面与列车间的通信。应答器系统包括地面设备部分和车载设备部 分，地面应答器安装于两根钢轨中心的枕木上，不要求外加电源，平时处于休眠 状态，仅依靠瞬时接收车载天线的功率而工作，并能在接收到车载天线功率的同 时向车载天线发送大量的编码信息。安装于列车底部的车载天线不断向地面发送 功率并在列车通过地面应答器时接受来自应答器的编码信息，经过解调、滤波、 译码等一系列处理后，传送给车载设备进行处理。 地面应答器按照工作原理可以分为无源应答器和有源应答器( 又称固定应答 器和可变应答器) ，无源应答器发送的数据是固定不便的，而有源应答器发送的数 据可以根据列车进路的不同而改变。 无源应答器是独立的单机设备，它固定存储一条数据报文，平时处于休眠状 态，比如设置在区间，当有列车经过时，发送线路坡度、最大允许运行速度、轨 道电路参数、列控等级切换等信息给车载设备进行处理。 有源应答器与轨旁电子单元( l e u ) 相连，当有列车经过时，l e u 根据来自 信号机的实时信息选中预先存储的一条报文传送给有源应答器，经过编码和调制 后，将信息传递给车载设备。l e u 周期地接收来自车站列控中心( t c c ) 的报文， 并将其连续不断向有源应答器发送。 2 1 2应答器的接口及特点 应答器系统的设备与其它设备连接以及内部报文传输主要有以下接口： 9 ( 1 ) a 接口 这是应答器与列控车载设备无线传输接口，在a 接口中有3 个不同的功能， 即上行数据传输接口a l 、供电接口a 4 、编程接口a 5 。 a l 接口是应答器向列控车载设备传输数据报文的接口，采用频移键控调制 f s k 方式，中心频率为4 2 3 4 m h z ，频偏为2 8 2 2 4m h z ，两个载频分别为3 9 5 1m h z 、 4 5 1 6m h z ，传输速率为5 6 4 4 8k b s 。 a 4 接口是列控车载设备向应答器提供工作电源的接口，其发送的电磁波频率 为2 7 0 9 5m h z ，应答器感应该电磁波，并转换为工作电源【4 1 。 a 5 接口是用于对应答器进行编程，由b e p t 对应答器进行读写，使用三种信 号：2 7m h z 远程供电信号、4 2m h z 上行链路信号、9m h z 编程信号【6 l 。 ( 2 ) c 接口 这是l e u 与有源应答器间报文传送传输接口，在c 接口中有3 个不同的功能， 即c 1 接口、c 4 接口、c 6 接口。 c 1 接口是l e u 向有源应答器传送报文的接口，其传送的信息为d b p l ( d i f f e r e n t i a lb i p h a s e - l e v d ，双相位差分电平) 码，速率为5 6 4 4 8k b s 【6 1 。 c 4 接口是在当列车通过时，应答器向l e u 传送被激活的信号，车载天线经过 时，应答器产生低阻信号。 c 6 接口是l e u 给有源应答器接口电路提供电源的接口，其频率为8 8 2 0 m h z 的正弦波。 ( 3 ) s 接口 这是t c c 与l e u 间串行通信接口，l e u 根据外部信息变化，向地面有源应 答器发送相应数据报文，每个l e u 有两个r s - 4 2 2 接口与t c c 通信，构成冗余。 该通信协议采用现场总线安全通信协议，符合安全标准【4 】。 ( 4 ) b 接口 这是车载b t m 与车载列控设备间的有线通信接口。 ( 5 ) d 接口 这是车载天线与b t m 间的设备内部接口。 应答器系统的结构框图如图2 1 所示。 i o r s - 4 8 5 c 车载设备 列控设备 1， b f b t m 、 ， d t b t m 天线 t a 4a l r 图2 1应答器系统结构框图 f i g u r e2 - 1 s t r u c t u r eo fb a l i s es y s t e m 目前在我国铁路广泛运用的欧洲应答器具有的特点和部分参数如下【2 3 】： 信息容量大，信息传输速率快，数据传输速率可以达到5 6 4 4 8 k b s ； 编码过程采用循环( c r c ) 校验，可靠性高： 整体性能稳定，壳体结构能适应室外环境； 能量传输频率：2 7 0 9 5 m h z ； 数据传输载频：4 2 3 7 m h z ： 调频方式：f s k ： 调制频率：2 8 2 k h z ； 报文码长：3 4 1 b i t s ( 短报文) ，1 0 2 3 b i t s ( 长报文) ： 可用码长：2 1 0 b i t s ( 短报文) ，8 3 0 b i t s ( 长报文) ； 数码同步方式：块控制首部( b c h b l o c kc o n t r o lh e a d e r ) ； 数码校验方式：7 5 b i t s 循环冗余( c r c ) 校验； 有效作用长度： o 5 m ； 适用列车