论文部分内容阅读
摘要：随着轨道交通行业对车载系统的安全性的不断提高，各设备供应商多采用冗余备份设计的方法来确保车载设备失效后进行应急保障。以车载乘客信息系统（简称PIS）为例，正常情况下各设备通过列车以太网总线进行数据传输，当网络交换机或者重要网络节点出现故障，并引发整个网络拓扑坍塌时，PIS必须最低限度保障一些重要的功能正常使用。一般PIS会在列车上冗余设计一条RS485总线和模拟音频总线保障广播功能。本文主要介绍一种基于已有的模擬音频线路复用进行传输控制信号的方法，实现精简RS485总线，以实现节约系统简化和提升可靠性。
关键词：RS485；以太网；乘客信息系统；模拟音频总线
引言
随着近年来中国轨道交通行业的高速发展，业主方和车辆制造厂对各子系统供应商提出更高的可靠性，安全性的要求。现阶段，车载PIS的成熟方案均采用以太网总线传输控制信号和音、视频流媒体数据，以实现列车全数字化网络的构架。列车作为大规模载客运营的交通工具，特别重视其运营的安全性和可靠性，因此大部分车载PIS供应商为列车提供以太网总线的同时，仍然冗余布置一条模拟音频总线和RS485总线进行音频和控制数据的传递，以实现网络故障时的广播功能。本文的改进方案是在目前的冗余备份总线基础上，通过精简列车总线数量的方式来提高系统可靠性。
1 PIS系统总线介绍
轨道列车基本采用6车编组，车厢间通过3组贯穿整列车的总线实现各种功能，如图一所示。
PIS系统为各车厢间设备通信提供了以太网总线、RS485总线、模拟音频总线。
?以太网总线
在车厢间铺设2根千兆（1Gbps）以太网链路，通过链路聚合方式实现前后两级列车车厢间数据交互。正常状态下，提供高达2Gbps的传输带宽。当其中一个物理端口出现故障时，也能通过另一端口实现1Gbps的数据传输带宽。该总线为整个PIS系统提供数据链路功能。
?RS485总线
在车厢间通过专用RS485带屏蔽的双绞线连接，该总线为列车冗余备份链路。在以太网系统故障时，列车控制主机切换到模拟模式。模拟模式时控制数据通过RS485总线传输。
?模拟音频总线
模拟音频总线和RS485一样也为列车冗余备份链路。在模拟模式时，传输的广播的模拟信号。
1.2 以太网总线
现阶段轨道列车主流PIS都基于以太网技术实现的系统的数字化工作模式，该方案符合市场需求也有可靠的技术保障。以太网总线存在下面几个优点：
?接口协议：通用的TCP/IP网络协议栈进行数据交互；
?高带宽：高达2Gbps的速率保障娱乐视频和安防监控等功能。
?可靠性：以太网技术在各工业领域均有使用，其可靠性完全满足列车行业的需求。
?安全性：各种软硬件加密，解密技术的使用有效的防止数据窃听和篡改。
1.3 冗余备份总线
从安全和可靠性层面来考虑，任何技术都需充分的考虑其故障模式下的处理机制。车辆设计厂家在为列车布置以太网的同时，也保留了RS485总线和模拟音频总线作为冗余备份总线。在列车网络系统出现故障时，相关设备会自动切换到备用线路，保障列车的基础功能正常使用。其中RS485总线是用来传输关键控制信号的，而模拟音频总线是传输需要进行播放的声音模拟信号的。
2 复用方案的优点
现阶段制造商和业主方都只需要在网络故障时保障列车的广播功能正常使用。因此需要通过RS485总线传输必须的控制信息就非常的少，基本只有广播开启和关闭，以及一些附带的到站，开门信息。因此为这些少量的控制信号布置一条冗余备份总线，就显得非常的浪费，同时也增加了列车软件控制逻辑、安装难度和维护难度。
基于简化控制逻辑的考虑，有供应商提出将RS485总线改为一对2芯的干接点控制线路实现广播开启和关闭。闭合表示正在进行广播，断开表示广播停止。该方法从代码功能逻辑复杂度上对原有方案进行改进优化，仍然保留了一对2芯线缆。
本文介绍的改进方案不仅能从控制逻辑上进行了简化，还在物理链路上对列车总线进行精简，只保留一条模拟音频总线作为冗余备份线路。该方案降低了列车生产和后期维护的难度，并且在简化线路后能很大程度的提高了系统的可靠性，使得PIS系统具有更高安全性，可靠性，以及方便维护等优点。
3 复用音频线路方案
轨道列车通过外部高压1500V直流线路获取整车电力能源，通过电源系统为PIS各设备提供统一的2芯（110V+，110V0）110V直流电源。这种供电方式包含着一个隐形的功能特性，即各设备均以110V-电平为参考地，改进方案就用到该共地特性。
改进方案还使用到变压器不传递直流分量的特性。在音频总线处，通过隔离变压器把电路的单端信号变为差分进行远距离传输，发送端在变压器输出端的中间抽头处，为模拟音频信号接入一个偏置直流电平，该电平信号和模拟音频信号通过总线传输到接收端变压器，因为变压器只会对交流信号进行耦合，所以该直流偏置电平不会影响接收端变压器的音频信号的特性。
通过这2个电路特性进行电路设计，将广播控制信号的开、关信号，复用模拟音频总线进行传输。方案精简掉RS485总线，只保留一对模拟音频总线，从而降低逻辑控制复杂度和减少列车总线线缆数量，从而实现列车的可维护性和可靠性的提高。
3.1电路原理
方案的主体电路设计如图二所示，该电路在广播系统的相应设备里都需要集成。司机室控制主机为主控端，主要用于发送控制信号和发送模拟音频信号；而各乘客室控制主机为受控端，主要通过该电路侦听模拟音频总线传递的控制信号和模拟音频信号。
VDD110V+ ：列车设备电源正极； VDD110V- ：列车设备电源负极；
VDD3V3 ：MCU电源正极；
GND ：MCU电源负极；
PA_OUT_ACTIVE：MCU 的IO输出引脚；
PA_IN_ACTIVE ：MCU的IO输入引脚；
PA+，PA- ：列车模拟音频总线上传输的模拟差分音频信号；
PA_COM ：列车模拟音频总线隔离变压器中心抽头信号；
PA_IN：接收差分音频信号通过隔离变压器后单端音频信号；
PA_OUT：发生差分音频信号通过隔离变压器前的单端音频信号；
3.2 广播开启
司机室控制主机开启广播功能：
?MCU输出模拟音频信号PA_OUT进入变压器T1，该模拟信号通过T1后，由单端信号变为差分信号（PA+，PA-），便于在模拟音频总线线路上进行长距离传输。
?MCU设置PA_OUT_ACTIVE为低电平，光耦G2导通，PA_COM电平被拉低到VDD110V-。因为音频信号为差分交流信号，这里PA_COM只是驱动变压器中心抽头，它只会改变差分信号的基准偏置电压，不会改变音频信号的原有波形。
乘客室接收广播开启：
?音频总线传输过来的差分信号（PA+，PA-）通过变压器T1，可以转变为单端音频信号PA_IN，该信号被传递到乘客室控制主机的功放模块进行放大，并在乘客室扬声器进行播放。
?司机室控制主机驱动的PA_COM变压器基准电平会被（PA+，PA-）传递到乘客室控制端，该PA_COM的直流分量不会影响PA_IN的音频信号，只会反应在乘客室控制主机里的PA_COM电平。
?PA_COM通过差分线路得到主控端一致的直流电平偏置，此时为VDD110V-。
?PA_COM 的VDD110V-电平会驱动光耦电路G1导通，使PA_IN_ACTIVE为低电平，被MCU捕获，得知广播被开启；
3.3 广播停止
司机室控制主机停止广播功能：
?MCU停止模拟音频信号PA_OUT输出，在模拟音频总线线路上无音频信号。
?MCU设置PA_OUT_ACTIVE为高电平，驱动光耦G2截止，PA_COM被VDD110V+通过电阻上拉，此时PA_COM的直流电平信号通过音频总线传递到乘客室主机；
乘客室接收广播停止：
?PA_COM通过差分线路得到主控端一致的直流电平偏置，此时为VDD110V+。
?PA_COM 的VDD110V+电平会驱动光耦电路G1断开，使PA_IN_ACTIVE为高电平，被MCU捕获，得知广播被停止
?乘客室主机获知广播停止后，停止功放模块对音频总线信號进行放大，同时停止乘客室扬声器的播放。
4 结论
该文的复用模拟音频总线传输广播控制信号的方案，能大大的降低广播控制代码逻辑复杂度，在主控端和受控端只需要进行简单的IO引脚的高低输入输出处理；该方案通过精简总线数量从而实现降低列车的生产，维护难度并提高了可靠性，可维护性。
参考文献
[1] 檀森林.城市轨道交通乘客信息系统车载局域网组网方案探讨，《通讯世界》，03期
[2] 李晓静. 动车组PIS系统介绍，《时代农机》，2018年.11期
[3] 施亦进. 地铁PIS系统双机热备可靠性方案技术研究，《铁路通信信号工程技术》，2018年.09期
[4] 钱存元. “列车通信网络”课程实验项目建设，《实验室科学》，2018年.03期
作者简介：陈弘，男，广西桂林人，本科，桂林海威科技股份有限公司工程师，从事轨道交通乘客信息系统的设计工作。
（作者单位：桂林海威科技股份有限公司）
关键词：RS485；以太网；乘客信息系统；模拟音频总线
引言
随着近年来中国轨道交通行业的高速发展，业主方和车辆制造厂对各子系统供应商提出更高的可靠性，安全性的要求。现阶段，车载PIS的成熟方案均采用以太网总线传输控制信号和音、视频流媒体数据，以实现列车全数字化网络的构架。列车作为大规模载客运营的交通工具，特别重视其运营的安全性和可靠性，因此大部分车载PIS供应商为列车提供以太网总线的同时，仍然冗余布置一条模拟音频总线和RS485总线进行音频和控制数据的传递，以实现网络故障时的广播功能。本文的改进方案是在目前的冗余备份总线基础上，通过精简列车总线数量的方式来提高系统可靠性。
1 PIS系统总线介绍
轨道列车基本采用6车编组，车厢间通过3组贯穿整列车的总线实现各种功能，如图一所示。
PIS系统为各车厢间设备通信提供了以太网总线、RS485总线、模拟音频总线。
?以太网总线
在车厢间铺设2根千兆（1Gbps）以太网链路，通过链路聚合方式实现前后两级列车车厢间数据交互。正常状态下，提供高达2Gbps的传输带宽。当其中一个物理端口出现故障时，也能通过另一端口实现1Gbps的数据传输带宽。该总线为整个PIS系统提供数据链路功能。
?RS485总线
在车厢间通过专用RS485带屏蔽的双绞线连接，该总线为列车冗余备份链路。在以太网系统故障时，列车控制主机切换到模拟模式。模拟模式时控制数据通过RS485总线传输。
?模拟音频总线
模拟音频总线和RS485一样也为列车冗余备份链路。在模拟模式时，传输的广播的模拟信号。
1.2 以太网总线
现阶段轨道列车主流PIS都基于以太网技术实现的系统的数字化工作模式，该方案符合市场需求也有可靠的技术保障。以太网总线存在下面几个优点：
?接口协议：通用的TCP/IP网络协议栈进行数据交互；
?高带宽：高达2Gbps的速率保障娱乐视频和安防监控等功能。
?可靠性：以太网技术在各工业领域均有使用，其可靠性完全满足列车行业的需求。
?安全性：各种软硬件加密，解密技术的使用有效的防止数据窃听和篡改。
1.3 冗余备份总线
从安全和可靠性层面来考虑，任何技术都需充分的考虑其故障模式下的处理机制。车辆设计厂家在为列车布置以太网的同时，也保留了RS485总线和模拟音频总线作为冗余备份总线。在列车网络系统出现故障时，相关设备会自动切换到备用线路，保障列车的基础功能正常使用。其中RS485总线是用来传输关键控制信号的，而模拟音频总线是传输需要进行播放的声音模拟信号的。
2 复用方案的优点
现阶段制造商和业主方都只需要在网络故障时保障列车的广播功能正常使用。因此需要通过RS485总线传输必须的控制信息就非常的少，基本只有广播开启和关闭，以及一些附带的到站，开门信息。因此为这些少量的控制信号布置一条冗余备份总线，就显得非常的浪费，同时也增加了列车软件控制逻辑、安装难度和维护难度。
基于简化控制逻辑的考虑，有供应商提出将RS485总线改为一对2芯的干接点控制线路实现广播开启和关闭。闭合表示正在进行广播，断开表示广播停止。该方法从代码功能逻辑复杂度上对原有方案进行改进优化，仍然保留了一对2芯线缆。
本文介绍的改进方案不仅能从控制逻辑上进行了简化，还在物理链路上对列车总线进行精简，只保留一条模拟音频总线作为冗余备份线路。该方案降低了列车生产和后期维护的难度，并且在简化线路后能很大程度的提高了系统的可靠性，使得PIS系统具有更高安全性，可靠性，以及方便维护等优点。
3 复用音频线路方案
轨道列车通过外部高压1500V直流线路获取整车电力能源，通过电源系统为PIS各设备提供统一的2芯（110V+，110V0）110V直流电源。这种供电方式包含着一个隐形的功能特性，即各设备均以110V-电平为参考地，改进方案就用到该共地特性。
改进方案还使用到变压器不传递直流分量的特性。在音频总线处，通过隔离变压器把电路的单端信号变为差分进行远距离传输，发送端在变压器输出端的中间抽头处，为模拟音频信号接入一个偏置直流电平，该电平信号和模拟音频信号通过总线传输到接收端变压器，因为变压器只会对交流信号进行耦合，所以该直流偏置电平不会影响接收端变压器的音频信号的特性。
通过这2个电路特性进行电路设计，将广播控制信号的开、关信号，复用模拟音频总线进行传输。方案精简掉RS485总线，只保留一对模拟音频总线，从而降低逻辑控制复杂度和减少列车总线线缆数量，从而实现列车的可维护性和可靠性的提高。
3.1电路原理
方案的主体电路设计如图二所示，该电路在广播系统的相应设备里都需要集成。司机室控制主机为主控端，主要用于发送控制信号和发送模拟音频信号；而各乘客室控制主机为受控端，主要通过该电路侦听模拟音频总线传递的控制信号和模拟音频信号。
VDD110V+ ：列车设备电源正极； VDD110V- ：列车设备电源负极；
VDD3V3 ：MCU电源正极；
GND ：MCU电源负极；
PA_OUT_ACTIVE：MCU 的IO输出引脚；
PA_IN_ACTIVE ：MCU的IO输入引脚；
PA+，PA- ：列车模拟音频总线上传输的模拟差分音频信号；
PA_COM ：列车模拟音频总线隔离变压器中心抽头信号；
PA_IN：接收差分音频信号通过隔离变压器后单端音频信号；
PA_OUT：发生差分音频信号通过隔离变压器前的单端音频信号；
3.2 广播开启
司机室控制主机开启广播功能：
?MCU输出模拟音频信号PA_OUT进入变压器T1，该模拟信号通过T1后，由单端信号变为差分信号（PA+，PA-），便于在模拟音频总线线路上进行长距离传输。
?MCU设置PA_OUT_ACTIVE为低电平，光耦G2导通，PA_COM电平被拉低到VDD110V-。因为音频信号为差分交流信号，这里PA_COM只是驱动变压器中心抽头，它只会改变差分信号的基准偏置电压，不会改变音频信号的原有波形。
乘客室接收广播开启：
?音频总线传输过来的差分信号（PA+，PA-）通过变压器T1，可以转变为单端音频信号PA_IN，该信号被传递到乘客室控制主机的功放模块进行放大，并在乘客室扬声器进行播放。
?司机室控制主机驱动的PA_COM变压器基准电平会被（PA+，PA-）传递到乘客室控制端，该PA_COM的直流分量不会影响PA_IN的音频信号，只会反应在乘客室控制主机里的PA_COM电平。
?PA_COM通过差分线路得到主控端一致的直流电平偏置，此时为VDD110V-。
?PA_COM 的VDD110V-电平会驱动光耦电路G1导通，使PA_IN_ACTIVE为低电平，被MCU捕获，得知广播被开启；
3.3 广播停止
司机室控制主机停止广播功能：
?MCU停止模拟音频信号PA_OUT输出，在模拟音频总线线路上无音频信号。
?MCU设置PA_OUT_ACTIVE为高电平，驱动光耦G2截止，PA_COM被VDD110V+通过电阻上拉，此时PA_COM的直流电平信号通过音频总线传递到乘客室主机；
乘客室接收广播停止：
?PA_COM通过差分线路得到主控端一致的直流电平偏置，此时为VDD110V+。
?PA_COM 的VDD110V+电平会驱动光耦电路G1断开，使PA_IN_ACTIVE为高电平，被MCU捕获，得知广播被停止
?乘客室主机获知广播停止后，停止功放模块对音频总线信號进行放大，同时停止乘客室扬声器的播放。
4 结论
该文的复用模拟音频总线传输广播控制信号的方案，能大大的降低广播控制代码逻辑复杂度，在主控端和受控端只需要进行简单的IO引脚的高低输入输出处理；该方案通过精简总线数量从而实现降低列车的生产，维护难度并提高了可靠性，可维护性。
参考文献
[1] 檀森林.城市轨道交通乘客信息系统车载局域网组网方案探讨，《通讯世界》，03期
[2] 李晓静. 动车组PIS系统介绍，《时代农机》，2018年.11期
[3] 施亦进. 地铁PIS系统双机热备可靠性方案技术研究，《铁路通信信号工程技术》，2018年.09期
[4] 钱存元. “列车通信网络”课程实验项目建设，《实验室科学》，2018年.03期
作者简介：陈弘，男，广西桂林人，本科，桂林海威科技股份有限公司工程师，从事轨道交通乘客信息系统的设计工作。
（作者单位：桂林海威科技股份有限公司）