专利名称：一体化设计的双通道冗余车地双向无线通信装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及城市轨道交通领域，尤其涉及一体化设计的双通道冗余车地双向无线
通信装置。
背景技术：
随着通信技术和信息技术的迅猛发展，计算机通过无线信道进行数据业务交换己被广泛地应用于工业、商业、交通、军事等众多领域。当前的无线网络通讯系统广泛采用扩频通信技术，国内无线电管理委员会已将2.4 2.4835GHz频段开放为自由使用的工业、科学和医疗领域(ISM)频段。以无线局域网(IEEE802.ll.a/b/g)、蓝牙(IEEE802.15.1)等不同制式为代表的基于2.4G ISM频段的数据通信技术更是发展迅速，时刻在方便着我们的工作和生活。在城市轨道交通领域，无线通信技术也在包括通信信号、调度指挥、公安消防、移动通信以及旅客信息发布等不同系统中得到应用。时刻保持地铁列车与地面设备之间高速稳定的数据交换已经成为确保地铁客运系统高效运转的基础和前提。现有技术中，实现局部区域范围内(例如:车站站台)的车地(列车与地面)通信，主要包括以下三种方式:I)采用WLAN无线局域网通信。该方法是当今城市轨道交通领域普遍应用的车地无线通信方式。其原理为:通常在地面钢轨旁间隔一定距离设置若干AP (无线接入点)，外部连接定向天线，车载设置独立AP单元，车顶部设置相应的定向天线，完成双向通信。由于WLAN设备集成度不高，设备安装位置分散，需要射频电缆互联，对空间需求量大，电磁兼容性较难满足。2)车地通信环线。其原理为:通常在站台区域沿两根钢轨之间铺设一定长度的通信环线电缆，列车底部吊装感应天线，实现车地半双工通信。但是，由于没有统一的国际标准规范，不同厂家的通信环线产品，包括工作频段、调制方式、通信速率、通信协议不尽相同；实时性和通信容量都难以支持复杂功能应用。3)查询应答器。其原理为:通过在地面钢轨中央设置应答器天线，列车车底部安装查询器天线，由查询器辐射的功率信号使应答器建立工作电源，将其内存储的数据读取出来，实现车地信息的交互。但是查询应答器仅能实现“点”式区域(通常为I米左右)通信，列车离开应答器天线感应区则无法保持通信，并且仅能实现地对车的单向通信。
发明内容
本发明的目的是提供一体化设计的双通道冗余车地双向无线通信装置，实现了列车与地面之间通用性好、实时性高、抗干扰能力强、速率较高、冗余配置的局域性(20米范围内)双向无线通信。本发明的目的是通过以下技术方案实现的:一体化设计的双通道冗余车地双向无线通信装置，该装置包括:机箱、天线模块、信号处理电路板；其中，所述机箱具有上下两层堆叠腔体；所述上层腔体内部包括天线腔体和电路腔体；所述天线腔体位于上层腔体的上端，包括用于收发无线信号的天线模块；所述电路腔体位于上层腔体的下端，包括与天线模块连接并用于进行信号处理的信号处理电路板；所述下层腔体包括与上层腔体对称排布的天线腔体与电路腔体。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明的装置基于双腔体的一体化通用性结构设计，整体结构小巧，且实现了地面和车载设备的通用化设计，为轨道交通信号系统提供实时的、透明的车地无线通信信道；另一方面，通过单体双通道冗余电路配置方案，避免了单一主机发生故障而出现通信中断。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种信号处理电路板的示意图2为本发明实施例提供的一种列车与地面间双向无线通信的示意图3为本发明实施例提供的一种车载信号系统与轨旁信号系统通信的示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供了 一种一体化设计的双通道冗余车地双向无线通信装置，其无线通信采用了符合IEEE802.15.4WPAN (无线个人区域网络)国际标准的ZigBee (紫蜂)协议，工作于2.4GHz ISM 业、科学、医疗)频段，是一种可以实现列车-地面双向通信的通用系统。其典型应用是为轨道交通应用提供区域性无线覆盖(例如:站台、折返轨、转换轨)，为城市轨道交通信号控制系统提供实时的、透明的车地无线通信备用信道，亦可用于构建点联式列车控制系统的基础通信设备，实现站台屏蔽门联控、限速、状态等车地信息交互。
实施例
本发明实施例提供一体化设计的双通道冗余车地双向无线通信装置，该装置包括:机箱、天线模块、信号处理电路板；其中，所述机箱具有上下两层堆叠腔体；所述上层腔体内部包括天线腔体和电路腔体；所述天线腔体位于上层腔体的上端，包括用于收发无线信号的天线模块；所述电路腔体位于上层腔体的下端，包括与天线模块连接并用于进行信号处理的信号处理电路板；所述下层腔体包括与上层腔体对称排布的天线腔体与电路腔体。
所述电路腔体包括:两套物理上对等且独立设置的信号处理电路板。
所述天线模块包括:两套采用板载固态设计的工作频段为2.4GHz的定向天线，且通过天线馈线分别与所述两套信号处理电路板连接。
所述信号处理电路板包括:射频处理模块、核心处理模块与底板；其中，所述射频处理模块用于对无线信号的功率进行处理；所述核心处理模块用于对无线信号进行处理；所述底板用于固定并为所述射频处理模块与核心处理模块提供电源及外部设备的连接接□。所述射频处理模块为基于IEEE802.15.4无线个人区域网络WPAN国际标准的ZigBee协议进行无线通信。所述核心处理模块为嵌入式核心处理模块，且其内设U C/0S-1I实时操作系统。所述机箱为矩形体结构；其中，一侧面设有用于与外部设备连接的航空插头及接地螺栓，另一侧面设有防水通风呼吸器；其顶面的两端分别设有两个安装孔，且顶面还设有一矩形的无卤素聚碳酸酯有机玻璃材料制成的射频发射区盖板；其底面为可拆卸金属盖板，且四周设有凹槽安装的防水胶条防护。以上为本实施例中实现列车与地面间无线通信的装置的主要组成及结构。该装置可安装在地面轨道中央以及列车底部来实现无线通信，这样则可最大程度的保证设备的通用性，降低未来应用的维护成本。其中，作为车载通信装置时一般采用支架吊装方式安装于列车底部，作为地面通信装置时则通过支架安装于道床中心线上。为了便于理解，下面对该无线通信装置做具体的说明。本实施例提供的一体化设计的双通道冗余车地双向无线通信装置(以下简称车地通信装置)的机箱整体采用航空铝型材加工，具有良好的EMC(电磁兼容性)性能。整体设计为矩形体结构，通过机箱一侧面安装的航空插头，引出电缆与其他设备相连接，例如，以太网、CAN (控制器局域网络)、RS422/485接口等，同时还设计有接地螺栓，用于和其他设备的共地连接；顶面的两端分别设有两个安装孔，顶面的还有一矩形的具有防火性能的无卤素聚碳酸酯有机玻璃材料制成的射频发射区盖板；另一侧面还设计有防水通风呼吸器，既可以保证机壳内外的气压平衡，也可以起到防水防尘作用；机壳底面为可拆卸盖板，四周具有防水胶条保护。机箱整体具有防火、抗压、防尘、防水的特性，其防护等级可以达到IP66等级。车地通信装置的机箱内部设计为单体双通道冗余配置，即包括两套物理结构一致但相互独立的主机，且采用双机并行工作方式。这样，即使其中一套主机出现故障，也不会影响列车与地面之间的通信链路。从结构上来看，这两套主机分别位于机箱内部的上下两层堆叠腔体中，并且相对于上下两层腔体间的隔板而言，这两套主机是对称排布的。下面主要以上层腔体中主机的组件及结构进行介绍。上层腔体也分为上下两部分，上端为天线腔体，下端为电路腔体。天线腔体中安装了用于收发无线信号的天线模块，例如，天线模块可采用工作频段为2.4GHz的定向天线，该天线采用特殊PCB (印制电路板)板载固态设计。电路腔体中安装了与天线模块连接并用于进行信号处理的信号处理电路板；信号处理电路板采用了模块化设计，如图1所示，可以包括射频处理模块、核心处理模块与底板；核心处理模块和射频处理模块采用多孔工业连接器与底板相连，并用专门的尼龙固定螺栓加固连接，以满足道床和车体安装振动的恶劣工作环境。其中，底板主要用于固定并为所述射频处理模块与核心处理模块提供电源(包括常规的供电单元)及外部设备的连接接□。射频处理模块用于对无线信号的功率进行处理，例如，可采用IEEE802.15.4WPAN(无线个人区域网络)国际标准的ZigBee协议。ZigBee是一种短距离、低功耗、中等数据速率、低成本、高可靠的无线网络技术，可用于工业控制、远程监控和楼宇自动化等领域。其通信制式采用DSSS直序扩频调制方式，在2.4GHz 2.4835GHz范围内提供了 16个带宽为5MHz的通信信道；通过内部高集成度的射频前端模块，输出功率可以达到+20dBm(IOOmff)，电台接收灵敏度可以达到_103dBm。通过双通道双频段并行工作，且通过内置软件通信信道、功率与32位PN码(伪随机扩频码)，以及AES安全通信协议、软硬件CRC(循环冗余码)双重校核、软硬件双重看门狗防护、关键数据多重备份等关键设计，可以保证在恶劣现场条件下，实现最高速率为250Kbits/s的车地可靠双向数据传输。
核心处理模块用于对无线信号进行处理，例如，可采用NXP (恩智浦半导体)公司的LPC247832位ARM7-TDMI嵌入式CPU作为核心处理模块，其内设μ C/0S-1I实时操作系统。核心处理模块具有丰富的外设资源，包括了开/关量输入输出、EEPROM (电可擦可编程只读存储器)、RTC时钟(实时时钟)、SDRAM/FLASH (同步动态随机存储器/闪存)、看门狗、NOR和NAND FLASH (非易失闪存)大容量存储器、IXD (液晶显示器)驱动电路、CAN控制器局域网现场总线、RS422/485通信接口、以太网等电路。
进一步的，本实施例的上层腔体中可以包括两套物理上对等且独立设置的天线模块与信号处理电路板，天线模块通过天线馈线(天线到接收器之间的连线)经由内部通孔分别与信号处理电路板连接。通过这种方法进一步确保了车地通信链路的可靠性。
另外，机箱中的下层腔体的主机与上层腔体主机中的天线腔体与电路腔体对称排布，其主机各个组件的结构不再赘述。
本发明实施例的车地通信装置分别安装在列车与地面轨道后，则可实现特定区域内的列车-地面设备间双向实时、可靠的无线通信。以列车向地面传输信息为例，参见图2，车载车地通信装置中的核心处理模块接收与其连接的外部设备发送的数据，将该数据进行预处理后，传输至射频处理模块，再经由天线模块发送至地面轨道上的车地通信装置，由地面轨道上的车地通信装置中的天线模块接收该数据，并经由射频处理模块传输至核心处理模块，此时，该核心处理模块根据接收到的数据类型发送至对应的外部设备。当然，地面向列车传输消息的过程与上述过程类似，不再赘述。
另一发面，列车上的车载信号系统与地面上的轨旁信号系统间的通信也可基于本发明实施例提供的车地通信装置完成，即可将车载信号系统与轨旁信号系统作为车地通信装置的外部设备。以车载信号系统向轨旁信号系统传输信息为例，参见图3:车载车地通信装置在接收到车载信号系统的信息后，通过无线扩频通信的方式将其发送给地面轨道上的车地通信装置，再通过轨旁中继单元将信息汇入地面的光纤网络，光纤以太网交换机将收到的信息转发给室内主机，并最后由室内主机发送给轨旁信号系统。
以上为本发明实施例提供的车地通信装置的组成结构及其应用。其采用了双腔体一体化通用性结构设计的单体双通道冗余电路配置方案，并且基于IEEE802.15.4WPAN国际标准的ZigBee协议及双频点并行工作提供区域性(20米范围内)列车-地面设备间无线覆盖的方法。相比与现有技术主要有以下优点:1)高可靠扩频通信技术。采用DSSS直接序列扩频通信技术，结合软件灵活配置的频道编码和PN扩频编码，可以提供多个逻辑信道基础上的高速抗扰数据通信链路，相比于传统的模拟FSK (频移键控)窄带通信技术来说，其优异的抗多径干扰性能，高可靠的数据安全性和保密性无可比拟。2)高安全数据加密技术。AES (高级加密标准)是美国国家标准与技术研究所用于加密电子数据的规范。本实施例提供的车地通信装置采用了 128位密钥的AES结合专有安全通信协议来保证用户数据的保密性。3)高度灵活的冗余化设计。本实施例提供的车地通信装置为一体化设计的双通道冗余车地双向无线通信装置，采用为单体双套硬件冗余设计，包括定向天线、射频处理模块、核心处理模块均为物理独立设计，可以通过软件分别进行软件配置，使其工作于不同的无线信道，由于采用双机并行工作方式，任意主机故障，不影响当前轨道区段列车与地面主机之间的通信链路。4)灵活的软件配置功能。具有远程接入功能的配置工具软件，可以对设备ID、时钟信息、频道、功率、波特率等系统参数进行配置。5)通用化设计降低设备生命周期运维成本。车载车地通信装置与地面车地通信装置保持兼容设计，最大化实现通用化设计，减少了设备种类，方便日后的维护和替换，经济适用。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
1.一体化设计的双通道冗余车地双向无线通信装置，其特征在于，该装置包括:机箱、天线模块、信号处理电路板；其中，所述机箱具有上下两层堆叠腔体；所述上层腔体内部包括天线腔体和电路腔体；所述天线腔体位于上层腔体的上端，包括用于收发无线信号的天线模块；所述电路腔体位于上层腔体的下端，包括与天线模块连接并用于进行信号处理的信号处理电路板；所述下层腔体包括与上层腔体对称排布的天线腔体与电路腔体。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电路腔体包括:两套物理上对等且独立设置的信号处理电路板。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述天线模块包括:两套采用板载固态设计的工作频段为2.4GHz的定向天线，且通过天线馈线分别与所述两套信号处理电路板连接。
4.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述信号处理电路板包括:射频处理模块、核心处理模块与底板；其中，所述射频处理模块用于对无线信号的功率进行处理；所述核心处理模块用于对无线信号进行处理；所述底板用于固定并为所述射频处理模块与核心处理模块提供电源及外部设备的连接接口。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述射频处理模块为基于IEEE802.15.4无线个人区域网络WPAN国际标准的紫蜂ZigBee协议进行无线通信。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述核心处理模块为嵌入式核心处理模块，且其内设μ C/OS-1I实时操作系统。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述机箱为矩形体结构；其中，一侧面设有用于与外部设备连接的航空插头及接地螺栓，另一侧面设有防水通风呼吸器；其顶面的两端分别设有两个安装孔，且顶面还设有一矩形的无齒素聚碳酸酯有机玻璃材料制成的射频发射区盖板；其底面为可拆卸金属盖板，且四周设有凹槽安装的防水胶条防护。
全文摘要
本发明公开了一体化设计的双通道冗余车地双向无线通信装置，该装置包括机箱、天线模块、信号处理电路板；其中，所述机箱具有上下两层堆叠腔体；所述上层腔体内部包括天线腔体和电路腔体；所述天线腔体位于上层腔体的上端，包括用于收发无线信号的天线模块；所述电路腔体位于上层腔体的下端，包括与天线模块连接并用于进行信号处理的信号处理电路板；所述下层腔体包括与上层腔体对称排布的天线腔体与电路腔体。通过采用本发明公开的装置实现了列车与地面之间通用性好、实时性高、抗干扰能力强、速率较高、冗余配置的局域性双向无线通信。
文档编号H04L12/28GK103179007SQ20131009060
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月20日 优先权日2013年3月20日
发明者郜洪民, 李博, 贾学祥, 尹逊政, 贾鹏, 郑伟, 徐杰, 徐意, 孙旺, 王俊锋, 吴亮, 王琳, 李克剑 申请人:中国铁道科学研究院, 中国铁道科学研究院通信信号研究所, 北京市华铁信息技术开发总公司, 北京锐驰国铁智能运输系统工程技术有限公司