基于光電開關的鐵路道口檢測系統設計與實現

孔繁軍

（遼寧省交通高等專科學校 軌道交通工程系，遼寧 沈陽 110122）

0 引言

平交道口是鐵路和公路的平面交叉[1]，伴隨著我國鐵路高質量和跨越式發展，鐵路行車速度和里程數也相應的不斷提高，但在鋼鐵和礦場等地還是存在很多無人值守的平交道口[2]。為了改善鐵路平交道口尤其是廠礦和偏遠地區無人值守道口的安全狀況，設計和開發一種新型實用的鐵路道口檢測系統是十分有必要的，該系統可以在列車接近道口前發車聲音和燈光告警，提示過往的行人、車輛注意安全，并將道口的欄木放下以阻止公路上的行人與車輛通過，這對減少人民群眾生命財產損失、提高鐵路運輸效率具有一定的現實意義[3]。

1 無人道口檢測系統組成

無人道口檢測系統的硬件結構中，中央處理器為STC89C52，外圍電路主要由紅外對射模塊、CAN總線模塊、語音播報模塊、聲光報警電路、欄木驅動電路以及GPRS模塊組成，如圖1所示。

圖1 無人道口報警系統的硬件結構

系統采用紅外對射傳感器來檢測火車是否接近，將該傳感器安裝在無人道口的兩側。當火車經過紅外對射傳感器處，傳感器就會產生高電平，該電平經過單片機處理后送至CAN總線接口。CAN總線電路主要由CAN控制器SJA1000、總線驅動器82C250、光耦6N137組成。SJA1000作為CAN總線控制器通過對片內寄存器的讀寫操作，實現數據的發送與接收。通過82C250實現與物理線路的連接，增強CAN總線的差動發送和接受驅動能力。光耦6N137的作用是增強CAN總線節點的抗干擾能力防止線路間干擾。單片機收到列車即將到來的信息后，使道口欄木落下。與此同時，進行語音和閃光報警以提醒行人、車輛注意安全。語音播報采用的是集成ISD4004模塊，可以錄制和播放兩分鐘的播報內容，性價比較高，也非常實用。閃光報警采用紅色閃光燈。GPRS將道口信息傳到監控中心，由監控中心提醒列車。列車全部通過道口后，設置在道口另一側的紅外傳感器將列車離去的信息，通過相同的方式傳給道口的單片機，單片機通過一系列的控制動作和程序解除報警打開欄木、停止語音播報并將道口燈變為綠色。

2 系統主要功能和模塊設計

2.1 立體式紅外對射檢測功能

紅外檢測點采用立體式檢測方式，當檢測到火車車輪信息時，紅外對射傳感器檢測點產生一個信號，通過信號線傳輸到單片機。

2.1.1 傳感器的數量

如果系統采用單個傳感器進行檢測工作，當傳感器損壞時會使檢測系統無法正常工作，導致系統故障、無人道口關閉，影響監控系統的正常運行；更嚴重的是，當列車駛向無人道口而傳感器故障未能檢測到該信息時，公路上的行人和車輛沒有收到無人道口的提示或警告信息而正常通過道口，將有可能導致交通事故，帶來經濟損失和人員傷亡，這也不符合鐵路信號系統的“故障-安全”原則；另外當人、牲畜等遮擋住單個紅外對射傳感器時，道口控制臺接收到該錯誤信息，從而錯誤的關閉無人道口，這會降低行人和車輛通過無人道口的效率，也不符合系統的穩定性和可靠性性能需求。在同一檢測點，放置多個傳感器是解決這一問題的較好方法，但過多的傳感器必然會帶來較高的經濟成本。綜上所述，系統采用4個紅外對射傳感器來檢測列車的接近和離去信息。

2.1.2 傳感器的安裝距離

按照鐵路相關規定，列車在通過道口的時候要減速行駛，一般通過無人道口的運行速度不會超過60 km/h，當傳感器檢測到列車接近時，要給道口設備預留出1 min左右的動作時間，主要是將道口欄木放下和進行聲光報警、語音提示燈，綜上，可以將傳感器安裝在距離無人道口兩側1 km左右的鋼軌兩側。

2.1.3 傳感器的布點方式

鐵路上運行的列車種類較多，其中用于運載坦克、汽車等大型車輛的列車是沒有車廂的，針對這種特殊情況，為了能夠檢測到全部種類列車的接近信息，系統是以列車車廂底部是否遮擋住紅外對射傳感器來判斷是否有列車接近的，因此紅外對射傳感器的發射端和接收端一高一低的放置，這樣可使傳感器的光線會穿過列車的車廂底部。每對紅外對射傳感器由一個發射端和一個接收端組成。4個紅外對射傳感器的發射端在鋼軌的同一側，而4個紅外對射傳感器的接收端在鋼軌的另一側，每對紅外對射傳感器采用一高一低的安裝方式，較低的紅外傳感器高出鋼軌面20～25 cm，較高的紅外對射傳感器高出鐵軌面2～2.5 m，這種布置可以滿足鐵路限界要求，又能確保經過的列車車廂底部能夠遮擋住發射端發出的紅外線。

2.2 語音報警功能

當任一方向的列車接近道口時，檢測到的信號通過CAN總線傳輸到單片機進行處理，單片機控制LED指示燈閃爍并使語音播報系統進行播報，向過往車輛行人發出列車將至的警報，提醒行人和車輛注意安全。語音播報電路由ISD1420語音芯片、一個麥克、一個喇叭、幾個阻容元件、兩個開關和電源燈外圍電路等組成。該語音播報電路將ISD1420芯片的A6，A7引腳接5V電源VCC；A0，A1，A2，A3，A5引腳接低電平；單片機的P1.0引腳和P1.1引腳分別連接接到ISD1420的PLAYE引和A4引腳；ISD1420的錄音控制引腳REC一端接電阻然后接5V電源VCC、另一端連接到按鈕S2然后接地。錄音時，單片機的P1.1引腳控制A4引腳為高電平，按下按鈕S2使REC引腳始終保持為低電平，松開按鈕S2或者錄音時間超過20 s后錄音過程結束，錄下的聲音通過話筒輸入并保存在語音芯片中；播放時，單片機的P1.1引腳控制A4引腳為高電平，P1.0引腳給PLAYE引腳一個邊沿觸發信號開始進行播放。由于錄音引腳REC的優先級高于PLAYL和PLAYE，如果在播放期間遇REC為低電平將導致播放結束而進入錄音狀態，所以在播放期間要保持REC引腳始終為高電平。

2.3 欄木驅動功能

本系統設計的欄木類似于現在汽車進入停車場或者小區的欄桿。在檢測到火車來臨信息時，聲光報警系統與欄木驅動系統同時工作，保證過往行人以及車輛的安全。本系統道口欄木驅動選用了L298N芯片驅動芯片來驅動直流電機，實現道口欄木的控制。當火車來臨或者離開的信號經過單片機處理之后，單片機通過使能端ENA與INT1，INT2，可以實現直流電機的正反轉，電機帶動欄木實現欄木的開和關。

2.4 GPRS接口

GPRS接口的設計，可以實現與上位機的連接，將該無人道口的數據傳送到控制中心，同時一個上位機控制幾個甚至幾十個道口的通行狀況，這樣可以實現一個工作點管理檢測多個無人道口的目的。

2.5 CAN總線接口電路設計

為了實現CAN通信，系統的硬件電路中采用的SJA1000芯片，它的主要作用是實現上位機與單片機之間的數據通信。具體功能實現方式是通過CAN總線接收來自上位機的數據進行分析組態后，然后再傳給下位機的控制電路實現進而實現控制功能；而當CAN總線接收到來自單片機上傳來的數據后，SJA1000芯片就會相應的產生一個中斷，觸發單片機產生中斷，通過中斷處理程序接收每一幀信息并上傳給上位機進行數據分析。STC89C52單片機是CAN總線接口電路的核心，主要功能是實現CAN總線控制器的初始化、CAN數據的收發語句控制等任務。

系統采用82C250芯片作為CAN控制器SJA1000與物理總線間的接口，由于鐵路周圍環境較為荒涼，風沙和高頻磁場的存在會對系統的數據傳輸產生一定的干擾，為此，在CAN控制器和CAN收發器之間采用光耦6N137進行光電隔離，以提高系統數據傳輸的可靠性。

CAN總線可以實現遠距離數據傳輸，將紅外對射傳感器檢測到的信號傳輸到單片機，具有突出的可靠性、實時性和靈活性，傳輸速率高，同時抗干擾能力強的特點，也是本系統的難點之一。

2.6 道口信號機設計

道口信號機俗稱紅綠燈，和公路路口的紅黃綠信號燈功能類似，是每個鐵路道口必須裝備的基本防護設備。本設計采用一個紅色和一個綠色的LED發光二極管來模擬無人道口的信號機[4]。

系統的電路板設計中，兩個LED發光二極管的負極通過一個1 K電阻接至單片機的IO口，正極直接連接到5 V電源VCC上。若想讓LED燈點亮，只需給該LED燈的負極所接的IO口一個低電平即可；同理，若想讓LED滅，則給對應的IO口一個高電平即可。這樣就可以模擬火車離去時綠燈亮紅燈滅的情景。為了實現故障-安全原則，當系統故障時，紅色燈光也變為滅燈狀態。

本系統的最終框架結構如圖2所示。

圖2 系統結構框架

3 結語

本系統的實現可以提高鐵路無人道口的行車效率，與將平交道口改為立體式的方式相比，可以減少建設成本。系統能夠準確及時地預警，能夠有效避免因道口員或機車乘務員執行標準化作業有偏差而導致道口事故。同時能大大節省人力成本，減少鐵路的運營成本，提高鐵路的市場競爭力。