ZPW-2000A的发送接收一体化设备的研究

1 引言：

随着我国铁路列车运行速度的不断提高和客运专线建设的提出，人们对列车运行的安全性、舒适性提出了更高的要求，而列车高速、平稳地运行，不仅需要高可靠的列车和高质量的线路，还需要有高可靠、高安全的信号设备来指导列车的运行。

ZPW-2000A型移频无绝缘自动闭塞系统是我国在引进的法国UM71的基础上进行消化、

吸收、创新，拥有自主知识产权的目前国内最先进的无绝缘自动闭塞制式。这种无绝缘轨道电路以其无机械绝缘、抗干扰强、工作稳定等特点，在世界21个国家有4万余套的广泛应用，具有应用于高速铁路的成功经验^[2]。

ZPW-2000A采取的是“N+1”的冗余方式，而“N+1”冗余方式在对稳定性要求及其严格的客运专线和高速铁路来说系统稳定程度提高明显不足^[1]。并且由于ZPW2000-A继承了原来分离元件时设备体积较大的特点，把发送器和接收器单独设计，这样不仅造成空间的极大浪费，更重要的是造成设备价格普遍较高。而发送接收一体化设备在不增加设备数量的基础上实现了更高可靠性的“1+1”冗余方式，使得系统稳定程度有较大提高。因此很有必要对ZPW-2000A中的冗余方式的改进进行详细的研究。

2 ZPW-2000A发送接收一体化实现原理：

ZPW-2000A轨道电路系统用于列车占用检测和列车完整性检查，并连续向列车传送允许移动控制信息的铁路信号系统。它内部的发送和接收设备分别产生和接收铁路控制信号，发送信号通过轨道电路传送到接收端，经过对信号的处理和分析，输出结果从而动作相应铁路轨道继电器，保证行车的安全可靠^[1]。

ZPW-2000A一体化的发送接收器原理框图如图1：

图1& nbsp; 一体化的发送接收器原理框图

发送功能：

& nbsp;& nbsp;& nbsp; 将同一载频编码条件和低频编码条件源分别送入两套微处理CPU中，其中CPU1产生包括低频控制信号的移频信号。移频键控信号（FSK）分别送至CPU1、CPU2进行频率检测。检测结果符合规定后，即产生控制输出信号，经“控制与门”使FSK信号送至“滤波”环节，实现方波——正弦波变换。输出的FSK信号再次送至两CPU进行输出电压检测。当两CPU对FSK信号的低频、载频和幅度特征检测符合要求后经功放输出。

接收功能：

& nbsp;& nbsp;& nbsp; 外部送进来的信号，分别经过主机、并机两路模数转换器（A/D）转换成数字信号。两套CPU对外部信号分别进行单独的运算和判决处理。双CPU再将处理的结果通过串行通信，相互比较进行。如果判决结果一致，就输出3kHz的脉冲驱动安全与门。安全与门收到两路方波后，就转换成直流电压带动继电器。如果结果不一致，就关掉给安全与门的脉冲，同时报警。

3 ZPW-2000A发送接收器一体化实现方法：

为了实现将发送、接收集成为一个设备，采用在一套DSP和CPLD搭建的电路平台上同时实现发送接收功能。如图2所示为发送接收一体化设备中的微处理电路平台原理框图：

图2 一体化设备的微处理电路原理框图

& nbsp;& nbsp;& nbsp; 微处理器电路采用双CPU、双软件。两套软件硬件对信号单独处理，将结果相互校核，实现故障-安全要求。

在系统中，CPU采用美国德州仪器（TI）公司生产的32位高性能浮点数字信号处理芯片TMS320VC33DSP，由它构成发送功能中的移频发生器、控制产生移频信号功能和输出信号检测，以及接收功能中的信号采样、运算判决和控制功能。

采用了Xilinx Spartan2的CPLD可编程逻辑器件，构成移频发送器、分频器、并行I/O扩展接口以及系统中的逻辑译码功能。

RAM（数据存储器）用于存放采集的数据和运算结果。RAM供电后可以对其进行读写处理，断电后其内部数据就消失不保存。

EPROM（程序存储器）是程序的载体，CPU执行的指令和运算需要的常数存储在其中。EPROM中的信息通过编程写入，断电后数据仍能保持。如果需要擦除其中的信息，可通过紫外线照射擦除反复使用。

译码器完成CPU与EPROM、RAM、A/D及输入输出接口（I/O）等之间的逻辑关系，用CPLD实现。

输出电路根据CPU对输入信号分析的结果，经过通信相互校核后，然后输出动作相应的继电器。

报警电路：CPU定时对RAM、EPROM和CPU中的存储器进行检查，也对载频电路和安全与门电路进行检查，根据检查的结果和双CPU进行通信相互校核的结果，决定给出相应告警条件。

4 一体化的ZPW-2000A性能的研究：

4．1设备抗干扰能力：

发送接收合一在以前设备中是要避免的，因为过去设备为分离元件，接收部分占有大部分设备空间，发送部分的空间干扰通过分离元件很可能会影响接收动作，因此接收部分和发送部分必须离开足够的空间才能保证设备的正常运行。而现在发送和接收均为集成电路，在设备内接收部分的输入信号经过一个跟随器隔离后直接进入AD，较过去经过环节减小，发送的空间干扰信号不易进入到接收通道。

在设备设计的时候也充分的考虑了干扰问题。采取了数字板内发送部分电路和接收部分电路分开，干扰最大的发送部分功放板和进行信号处理的数字板分开，以及通过远离功放端子和接收端子位于设备中的位置等措施保证发送信号对接收通道影响最小。如果允许，还可以考虑将数字板放在一个屏蔽盒内，这样也可以更好地防止信号空间干扰。另外，发送部分的发送信号幅度仅为2V左右，信号的频率在3K以下，属于低频信号，因此只需要在制板时注意信号的走线和元件的布局。

通过以上各种系统抗干扰措施，基本上避免了发送部分对接收部分的信号干扰，从而保证了发送接收一体化实现的可能。

4．2冗余可靠性方式分析：

为了提高系统的稳定性，国内外的信号厂家普遍采用双机热备或“N+1”的方式进行冗余。很明显双机热备造成设备成本成倍增加，而“N+1”方式在对稳定性要求及其严格的客运专线和高速铁路来说系统稳定程度提高明显不足。因此需要一种在不增加设备数量，又对系统稳定程度有较大提高的冗余方式产生^[4]。

把ZPW-2000A无绝缘移频自动闭塞系统中的发送器和接收器设计成一体，再通过“双机热备”或“交叉备份”的冗余方式提高系统的稳定性，从而可以大幅度地提高自动闭塞中信号设备的高性能价格比，减少设备的数量和施工的难度，减少设备维护的工作量及设备备品的数量，延长系统的无故障工作时间。

如前面所述，发送、接收设备中元件绝大部分（约85%）是相同的，如载频输入条件和CPU部分。如果把输入条件部分也当成是CPU部分一起考虑，则CPU部分和输入、输出具有相同的可靠性。合一设备相当于仅在发送设备中增加了两片AD、两片运放和几个电阻，如果认为这些器件的可靠性较高的话，合一设备的无故障时间应该和发送器是相当的。

设工作100个小时时各部分的未失效概率为R，在系统为双机热备时的可靠性：

分离时，如图3分离时可靠性网络框图所示：

图3 分离时可靠性网络框图

& nbsp;

合一时，由于发送、接收公用一套微处理电路，未失效概率相同。如图4合一时可靠性网络框图所示：

图4 合一时可靠性网络框图

& nbsp;

很明显，合一时的可靠性要高于分离时的情况。

5 结论：

本论文介绍了ZPW-2000A无绝缘移频闭塞系统的技术原理，在满足铁路信号系统要求的前提下，提出了进一步对其改进的ZPW-2000A发送器和接收器设计成一体的实现方法。并对改进后的发送接收设备的抗干扰能力和可靠性方式进行分析。

本文作者创新点：实现了将传统ZPW2000-A轨道电路系统中发送设备和接收设备的合并，并在此基础上提高了信号系统的抗干扰性能和冗余可靠性。明显降低了设备成本和空间，具有很高的实际应用价值。

参考文献：

[1] 北京全路通信信号研究设计院.ZPW-2000A型无绝缘移频自动闭塞系统工程设计说明,2003

[2] 傅世善，闭塞与列控概论，中国铁道出版社，2006

[3] 佟立本，铁道概论，中国铁道出版社，1999

[4] 张友鹏，可靠性理论基础，兰州大学出版社，1997

[5] 刘俊峰，赵尔宁，于陆，可靠性工程原理在电子系统中的应用，微计算机信息，2005(4)