復用列車音頻總線傳遞控制信號的方法

摘要：隨著軌道交通行業對車載系統的安全性的不斷提高，各設備供應商多采用冗余備份設計的方法來確保車載設備失效后進行應急保障。以車載乘客信息系統（簡稱PIS）為例，正常情況下各設備通過列車以太網總線進行數據傳輸，當網絡交換機或者重要網絡節點出現故障，并引發整個網絡拓撲坍塌時，PIS必須最低限度保障一些重要的功能正常使用。一般PIS會在列車上冗余設計一條RS485總線和模擬音頻總線保障廣播功能。本文主要介紹一種基于已有的模擬音頻線路復用進行傳輸控制信號的方法，實現精簡RS485總線，以實現節約系統簡化和提升可靠性。

關鍵詞：RS485；以太網；乘客信息系統；模擬音頻總線

引言

隨著近年來中國軌道交通行業的高速發展，業主方和車輛制造廠對各子系統供應商提出更高的可靠性，安全性的要求。現階段，車載PIS的成熟方案均采用以太網總線傳輸控制信號和音、視頻流媒體數據，以實現列車全數字化網絡的構架。列車作為大規模載客運營的交通工具，特別重視其運營的安全性和可靠性，因此大部分車載PIS供應商為列車提供以太網總線的同時，仍然冗余布置一條模擬音頻總線和RS485總線進行音頻和控制數據的傳遞，以實現網絡故障時的廣播功能。本文的改進方案是在目前的冗余備份總線基礎上，通過精簡列車總線數量的方式來提高系統可靠性。

1 PIS系統總線介紹

軌道列車基本采用6車編組，車廂間通過3組貫穿整列車的總線實現各種功能，如圖一所示。

PIS系統為各車廂間設備通信提供了以太網總線、RS485總線、模擬音頻總線。

?以太網總線

在車廂間鋪設2根千兆（1Gbps）以太網鏈路，通過鏈路聚合方式實現前后兩級列車車廂間數據交互。正常狀態下，提供高達2Gbps的傳輸帶寬。當其中一個物理端口出現故障時，也能通過另一端口實現1Gbps的數據傳輸帶寬。該總線為整個PIS系統提供數據鏈路功能。

?RS485總線

在車廂間通過專用RS485帶屏蔽的雙絞線連接，該總線為列車冗余備份鏈路。在以太網系統故障時，列車控制主機切換到模擬模式。模擬模式時控制數據通過RS485總線傳輸。

?模擬音頻總線

模擬音頻總線和RS485一樣也為列車冗余備份鏈路。在模擬模式時，傳輸的廣播的模擬信號。

1.2 以太網總線

現階段軌道列車主流PIS都基于以太網技術實現的系統的數字化工作模式，該方案符合市場需求也有可靠的技術保障。以太網總線存在下面幾個優點：

?接口協議：通用的TCP/IP網絡協議棧進行數據交互；

?高帶寬：高達2Gbps的速率保障娛樂視頻和安防監控等功能。

?可靠性：以太網技術在各工業領域均有使用，其可靠性完全滿足列車行業的需求。

?安全性：各種軟硬件加密，解密技術的使用有效的防止數據竊聽和篡改。

1.3 冗余備份總線

從安全和可靠性層面來考慮，任何技術都需充分的考慮其故障模式下的處理機制。車輛設計廠家在為列車布置以太網的同時，也保留了RS485總線和模擬音頻總線作為冗余備份總線。在列車網絡系統出現故障時，相關設備會自動切換到備用線路，保障列車的基礎功能正常使用。其中RS485總線是用來傳輸關鍵控制信號的，而模擬音頻總線是傳輸需要進行播放的聲音模擬信號的。

2 復用方案的優點

現階段制造商和業主方都只需要在網絡故障時保障列車的廣播功能正常使用。因此需要通過RS485總線傳輸必須的控制信息就非常的少，基本只有廣播開啟和關閉，以及一些附帶的到站，開門信息。因此為這些少量的控制信號布置一條冗余備份總線，就顯得非常的浪費，同時也增加了列車軟件控制邏輯、安裝難度和維護難度。

基于簡化控制邏輯的考慮，有供應商提出將RS485總線改為一對2芯的干接點控制線路實現廣播開啟和關閉。閉合表示正在進行廣播，斷開表示廣播停止。該方法從代碼功能邏輯復雜度上對原有方案進行改進優化，仍然保留了一對2芯線纜。

本文介紹的改進方案不僅能從控制邏輯上進行了簡化，還在物理鏈路上對列車總線進行精簡，只保留一條模擬音頻總線作為冗余備份線路。該方案降低了列車生產和后期維護的難度，并且在簡化線路后能很大程度的提高了系統的可靠性，使得PIS系統具有更高安全性，可靠性，以及方便維護等優點。

3 復用音頻線路方案

軌道列車通過外部高壓1500V直流線路獲取整車電力能源，通過電源系統為PIS各設備提供統一的2芯（110V+，110V0）110V直流電源。這種供電方式包含著一個隱形的功能特性，即各設備均以110V-電平為參考地，改進方案就用到該共地特性。

改進方案還使用到變壓器不傳遞直流分量的特性。在音頻總線處，通過隔離變壓器把電路的單端信號變為差分進行遠距離傳輸，發送端在變壓器輸出端的中間抽頭處，為模擬音頻信號接入一個偏置直流電平，該電平信號和模擬音頻信號通過總線傳輸到接收端變壓器，因為變壓器只會對交流信號進行耦合，所以該直流偏置電平不會影響接收端變壓器的音頻信號的特性。

通過這2個電路特性進行電路設計，將廣播控制信號的開、關信號，復用模擬音頻總線進行傳輸。方案精簡掉RS485總線，只保留一對模擬音頻總線，從而降低邏輯控制復雜度和減少列車總線線纜數量，從而實現列車的可維護性和可靠性的提高。

3.1電路原理

方案的主體電路設計如圖二所示，該電路在廣播系統的相應設備里都需要集成。司機室控制主機為主控端，主要用于發送控制信號和發送模擬音頻信號；而各乘客室控制主機為受控端，主要通過該電路偵聽模擬音頻總線傳遞的控制信號和模擬音頻信號。

VDD110V+ ：列車設備電源正極；

VDD110V- ：列車設備電源負極；

VDD3V3 ：MCU電源正極；

GND ：MCU電源負極；

PA_OUT_ACTIVE：MCU 的IO輸出引腳；

PA_IN_ACTIVE ：MCU的IO輸入引腳；

PA+，PA- ：列車模擬音頻總線上傳輸的模擬差分音頻信號；

PA_COM ：列車模擬音頻總線隔離變壓器中心抽頭信號；

PA_IN：接收差分音頻信號通過隔離變壓器后單端音頻信號；

PA_OUT：發生差分音頻信號通過隔離變壓器前的單端音頻信號；

3.2 廣播開啟

司機室控制主機開啟廣播功能：

?MCU輸出模擬音頻信號PA_OUT進入變壓器T1，該模擬信號通過T1后，由單端信號變為差分信號（PA+，PA-），便于在模擬音頻總線線路上進行長距離傳輸。

?MCU設置PA_OUT_ACTIVE為低電平，光耦G2導通，PA_COM電平被拉低到VDD110V-。因為音頻信號為差分交流信號，這里PA_COM只是驅動變壓器中心抽頭，它只會改變差分信號的基準偏置電壓，不會改變音頻信號的原有波形。

乘客室接收廣播開啟：

?音頻總線傳輸過來的差分信號（PA+，PA-）通過變壓器T1，可以轉變為單端音頻信號PA_IN，該信號被傳遞到乘客室控制主機的功放模塊進行放大，并在乘客室揚聲器進行播放。

?司機室控制主機驅動的PA_COM變壓器基準電平會被（PA+，PA-）傳遞到乘客室控制端，該PA_COM的直流分量不會影響PA_IN的音頻信號，只會反應在乘客室控制主機里的PA_COM電平。

?PA_COM通過差分線路得到主控端一致的直流電平偏置，此時為VDD110V-。

?PA_COM 的VDD110V-電平會驅動光耦電路G1導通，使PA_IN_ACTIVE為低電平，被MCU捕獲，得知廣播被開啟；

3.3 廣播停止

司機室控制主機停止廣播功能：

?MCU停止模擬音頻信號PA_OUT輸出，在模擬音頻總線線路上無音頻信號。

?MCU設置PA_OUT_ACTIVE為高電平，驅動光耦G2截止，PA_COM被VDD110V+通過電阻上拉，此時PA_COM的直流電平信號通過音頻總線傳遞到乘客室主機；

乘客室接收廣播停止：

?PA_COM通過差分線路得到主控端一致的直流電平偏置，此時為VDD110V+。

?PA_COM 的VDD110V+電平會驅動光耦電路G1斷開，使PA_IN_ACTIVE為高電平，被MCU捕獲，得知廣播被停止

?乘客室主機獲知廣播停止后，停止功放模塊對音頻總線信號進行放大，同時停止乘客室揚聲器的播放。

4 結論

該文的復用模擬音頻總線傳輸廣播控制信號的方案，能大大的降低廣播控制代碼邏輯復雜度，在主控端和受控端只需要進行簡單的IO引腳的高低輸入輸出處理；該方案通過精簡總線數量從而實現降低列車的生產，維護難度并提高了可靠性，可維護性。

參考文獻

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作者簡介：陳弘，男，廣西桂林人，本科，桂林海威科技股份有限公司工程師，從事軌道交通乘客信息系統的設計工作。

（作者單位：桂林海威科技股份有限公司）