CN104155947A - 一种用于机电设备或隧道照明的监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于机电设备或隧道照明的监控系统，包括：至少一个底板和至少一个顶板；每一个底板包括：处理器、遥信接口、遥控接口、LED数码管接口、CAN总线接口、用于与自愈光端机连接的光纤自愈接口、至少一个用于与顶板连接的顶板接口以及无线模块接口；每一个顶板包括：顶板处理器以及分别与顶板处理器连接的第1串口、第2串口、第3串口、外部CAN总线接口、顶板CAN总线接口和遥测数据采集接口。具有以下优点：(1)采用了单板结构、标准接线端子和通信接口，接线和安装方式简单；支持全回路的环网自愈功能，提高了通信网络的性能，将其应用于某高铁隧道照明监控系统中，性能更加可靠稳定，适应能力强，应用前景广阔。

Description

一种用于机电设备或隧道照明的监控系统

技术领域

本发明属于设备监控技术领域，具体涉及一种用于机电设备或隧道照明的监控系统。

背景技术

在高速铁路隧道照明和电力监控等领域，为保证对被控设备的有效监控，需要具有高安全性和高可靠性的网络传输能力。目前，自愈网已应用于高速铁路隧道照明和电力监控领域，自愈网是指：无需人为干预，网络能自身地在极短时间内从失效故障中自动恢复所携带的业务，使用户感觉不到网络已经出现问题。其基本原理为：通过线路保护倒换，当网络主通道传输中断或出现其他意外故障时，通信线路系统可以在很短的时间内自动倒换到备用通道，从而自动恢复业务，保证正常通信，

然而，现有技术中，自愈网只具有内环和外环两种双环自愈模式，自愈环路只有两个可用信道，对于极端网络情况下的生存能力有限。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种用于机电设备或隧道照明的监控系统，可组成四通道双纤自愈环，在降低通信链路成本的基础上，还有效提高了自愈环的自愈能力，保证了监控效果。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种用于机电设备或隧道照明的监控系统，包括：至少一个底板和至少一个顶板；

每一个所述底板包括：处理器、遥信接口、遥控接口、LED数码管接口、CAN总线接口、用于与自愈光端机连接的光纤自愈接口、至少一个用于与顶板连接的顶板接口以及无线模块接口；所述处理器分别与所述遥信接口、所述遥控接口、所述LED数据管接口、所述CAN总线接口、所述光纤自愈接口、所述顶板接口以及所述无线模块接口连接；其中，所述顶板接口为RS485接口、CAN总线接口或串口；

其中，所述遥信接口用于采集本地被监控设备的遥信信号，为多路单点遥信接口；

所述遥信接口包括遥信信号调理电路和遥信数据处理电路；所述遥信信号调理电路对采集到的原始遥信信号进行滤波和隔离，然后将滤波和隔离后的遥信信号发送到遥信数据处理电路；所述遥信数据处理电路用于对接收到的滤波和隔离后的遥信信号分时读取；

所述遥控接口用于向本地被监控设备发送遥控指令，为多通道遥控接口；

所述遥控接口具体用于：

被监控设备通过电源继电器与执行继电器连接；

当通过遥控接口下发遥控选择命令后，电源继电器吸合；然后，处理器对该电源继电器的触点状态进行反校，确认该电源继电器是否吸合成功，如果成功，则与电源继电器连接的执行继电器获取到电源；然后，处理器通过遥控接口下发遥控执行命令，执行继电器在接收到该遥控执行命令后，执行继电器执行动作，控制被控设备的开关状态，执行完成后，处理器对该执行继电器的触点状态进行反校，确认执行继电器执行动作是否执行成功。

所述顶板接口用于：接收来自所述顶板发送的遥测数据；

所述光纤自愈接口用于连接外部的自愈光端机，自愈光端机通过FPGA逻辑实现自愈判断，并针对本监控系统为主机或从机的工作模式，采用不同的逻辑处理策略，实现光纤环网自愈；

所述LED数码管接口用于：显示各种类型的数据，包括电压、电流、有功功率、无功功率、频率、设备地址；

每一个所述顶板包括：顶板处理器以及分别与顶板处理器连接的第1串口、第2串口、第3串口、外部CAN总线接口、顶板CAN总线接口和遥测数据采集接口；

其中，所述第1串口用于输出本监控系统的调试信息；

所述第2串口用于连接外部输入输出设备；

所述外部CAN总线接口为上行CAN总线接口；

所述顶板CAN总线接口为上行顶板的CAN总线接口；

所述遥测数据采集接口用于采集本地遥测数据；

所述第3串口用于和所述底板进行数据通信，响应来自所述底板的数据请求，将采集到的本地遥测数据发送给所述底板。

优选的，所述处理器包括Modubus主机模块和Modubus从机模块；在所述监控系统中，从机包括顶板遥测模块和被控外部设备；

所述Modubus主机模块用于：通过初始化配置参数生成对应的请求帧数据，并将请求帧填入发送环形缓冲区；然后，接收从机返回的数据帧，采用对应的解析规则进行数据解析；此外，所述Modubus主机模块还采用轮询帧控制结构体，即：使用指针控制发送环形缓冲区中对应请求帧的发送规则，并定义了轮询的周期和超时时间；

Modubus从机模块用于：将接收到的遥信、遥测数据直接存入实时数据结构体，并将遥信和遥测对应的SOE信息存入缓冲区，以及，解析来自Modubus主机模块的命令帧，响应遥控操作命令、参数设置命令和数据读取命令。

优选的，所述处理器还包括应用程序在线更新模块；

所述应用程序在线更新模块用于：接收来自底板转发的升级报文后，对顶板或底板应用程序进行在线更新。

优选的，所述处理器还包括列控逻辑分析模块；

所述列控逻辑分析模块用于：在被监控的隧道的洞室附近布设光电开关A，

所述监控系统的遥信接口与所述光电开关A连接，用于采集所述光电开关A的遥信信号；所述监控系统的遥控接口通过继电器与所述隧道的照明系统连接，用于控制照明系统的上电状态；

在列车通过被监控的隧道时，设列车车头首先经过光电开关A，当光电开关A被列车遮挡时，所述监控系统的遥信接口采集到所述光电开关A的合遥信信号，并启动定时器开始计时；当列车车尾离开光电开关A时，所述监控系统的遥信接口采集到所述光电开关A的分遥信信号，并停止定时器计时；由此，所述监控系统计算得到列车通过光电开关A的时间差，设为T1；已知列车车身总长度，计算得到列车当前行车速度；然后，将列车当前行车速度与预设的列车行车速度进行比较，如果列车当前行车速度低于预设的列车行车速度，则得出列车出现故障的结论；然后，通过遥控接口向照明系统发送上电的控制信号，使隧道照明系统上电而发光。

优选的，还包括：

将每一台用于机电设备或隧道照明的监控系统记为RTU；每一台RTU通过光纤自愈接口连接一台自愈光端机，各自愈光端机组成四通道双纤自愈环，通过以下方法进行多通道光纤自愈：

该四通道双纤自愈环由1个主网元节点和n个从网元节点连成封闭环路；所述主网元节点与通信管理机通信连接；每一个从网元节点均连接对应的RTU；所述主网元节点和n个所述从网元节点均为自愈光端机；所述自愈光端机包括TX1光发送端口、RX1光接收端口、TX2光发送端口、RX2光接收端口、端口状态检测模块、控制芯片和倒切开关；

设n个从网元节点按连接顺序依次记为从网元节点1、从网元节点2…从网元节点n；对于任意一个从网元节点i，记其配置有TX1_-i光发送端口、RX1_-i光接收端口、TX2_-i光发送端口、RX2_-i光接收端口、端口状态检测模块i、控制芯片i和倒切开关i；

则：主网元节点的TX1光发送端口与从网元节点1的RX2_-1光接收端口连接，从网元节点1的TX1_-1光发送端口与从网元节点2的RX2_-2光接收端口连接，从网元节点2的TX1_-2光发送端口与从网元节点3的RX2_-3光接收端口连接…依此类推，从网元节点n的TX1_-n光发送端口连接到主网元节点的RX2光接收端口，由此形成一个内环路；

主网元节点的TX2光发送端口与从网元节点n的RX1_-n光接收端口连接，从网元节点n的TX2_-n光发送端口与从网元节点n-1的RX1_-n-1光接收端口连接，从网元节点n-1的TX2_-n-1光发送端口与从网元节点n-2的RX1_-n-2光接收端口连接，依此类推，从网元节点1的TX2_-1光发送端口与主网元节点的RX1光接收端口连接，由此形成一个外环路；

多通道光纤自愈方法包括以下步骤：

S1，主网元节点的控制芯片配置四种链路检测模式，分别为：内环模式、外环模式、左半环模式和右半环模式；并设置四种链路检测模式的优先级顺序，即：内环模式的优先级高于外环模式的优先级，左半环模式和右半环模式的优先级相同且低于外环模式的优先级；

另外，控制芯片还配置四种同步帧类型，分别为：与内环模式唯一对应的内环同步帧，与外环模式唯一对应的外环同步帧，与左半环模式唯一对应的左半环同步帧以及与右半环模式唯一对应的右半环同步帧；

S2，主网元节点初始上电为空闲态，然后，根据链路检测模式的优先级顺序，首先按一定的发送策略不断发送内环同步帧，各个从网元节点根据接收到的同步帧类型以及自身四个端口状态，确定倒切开关的动作方向：

具体为：如果从网元节点的RX2光接收端口接收到内环同步帧，并检测到本节点的RX2光接收端口和TX1光发送端口正常，则通过倒切开关短接RX2光接收端口和TX1光发送端口，然后将该内环同步帧向下一从网元节点发送，如果环路上某一段链路出现故障，则内环同步帧无法继续向前传输；

S3，主网元节点判断是否能够在预设时间间隔内通过RX2光接收端口接收到经地环路传输后返回的内环同步帧，如果能够接收到，则证明当前内环环路链路正常，继续使用内环作为通信链路；一旦未能够接收到，则证明当前内环环路链路故障，然后执行S4；

S4，所述主网元节点按一定的发送策略不断发送外环同步帧，各个从网元节点根据接收到的同步帧类型以及自身四个端口状态，确定倒切开关的动作方向：

具体为：如果从网元节点的RX1光接收端口接收到外环同步帧，并检测到本节点的RX1光接收端口和TX2光发送端口均正常，则通过倒切开关短接RX1光接收端口和TX2光发送端口，然后将该外环同步帧向下一节从网元节点发送，如果外环环路上某一段链路出现故障，则外环同步帧无法继续向前传输；

S5，主网元节点判断是否能够在预设时间间隔内通过RX1光接收端口接收到经地环路传输后返回的外环同步帧，如果能够接收到，则证明当前外环环路链路正常，继续使用外环作为通信链路；一旦未能够接收到，则证明当前外环环路链路故障，然后执行S6；

S6，所述主网元节点按一定的发送策略同时执行以下操作：通过TX1光发送端口不断发送左环同步帧，以及，通过TX1光发送端口不断发送右环同步帧；

对于任何一个从网络节点i，当其接收到左环同步帧时，判断自身的TX1光发送端口是否故障，如果没有，则将左环同步帧继续向后一个从网络节点i+1发送，直到发送到TX1光发送端口出现故障的从网络节点；如果出现故障，则通过倒切开关短接自身的RX2光接收端口和TX2光发送端口，将接收到的左环同步帧通过自身的TX2光发送端口返回给前一个从网络节点i-1，从网络节点i-1再将接收到的左环同步帧返回给前一个从网络节点，如果返回链路均正常，则最终返回到主网络节点的RX1光接收端口；如果返回链路出现故障，则无法将左环同步帧返回到主网络节点的RX1光接收端口；即：主网络节点判断RX1光接收端口是否能够在预设时间间隔内接收到经左环路传输后返回的左环同步帧，如果能够接收到，则证明当前存在左环环路链路正常的传输链路；

对于任何一个从网络节点i，当其接收到右环同步帧时，判断自身的TX2光发送端口是否故障，如果没有，则将右环同步帧继续向后一个从网络节点i-1发送，直到发送到TX2光发送端口出现故障的从网络节点；如果出现故障，则通过倒切开关短接自身的RX1光接收端口和TX1光发送端口，将接收到的右环同步帧通过自身的TX1光发送端口返回给前一个从网络节点i+1，从网络节点i+1再将接收到的右环同步帧返回给前一个从网络节点，如果返回链路均正常，则最终返回到主网络节点的RX2光接收端口；如果返回链路出现故障，则无法将右环同步帧返回到主网络节点的RX2光接收端口；即：主网络节点判断RX2光接收端口是否能够在预设时间间隔内接收到经右环路传输后返回的右环同步帧，如果能够接收到，则证明当前存在右环环路链路正常的传输链路；

即：主网络节点通过探测到的链路状态调整组网方式，实现四通道光纤自愈。

优选的，S2中，对于任何一个从网元节点i，其控制芯片通过以下方式获知自身的TX1_-i光发送端口、RX1_-i光接收端口、TX2_-i光发送端口和RX2_-i光接收端口是否出现故障：

(1)对于RX1-i光接收端口和RX2-i光接收端口：

通过端口状态检测模块i，直接检测本网元节点中RX1-i光接收端口和RX2-i光接收端口是否出现连接故障，如果检测到RX1-i光接收端口出现故障，则一方面，将故障信号通知给本网元节点中的控制芯片i；另一方面，向TX1-i光发送端口发送第一故障头，TX1-i光发送端口再将接收到的第一故障头发送到从网元节点i+1的RX2_-i+1光接收端口，RX2_-i+1光接收端口再将接收到的第一故障头发送到本网元节点的控制芯片i+1，控制芯片i+1即可获知自身的TX2_-i+1光发送端口出现故障；

如果检测到RX2-i光接收端口出现故障，则一方面，将故障信号通知给本网元节点中的控制芯片i；另一方面，向TX2-i光发送端口发送第二故障头，TX2-i光发送端口再将接收到的第二故障头发送到从网元节点i-1的RX1_-i+1光接收端口，RX1_-i+1光接收端口再将接收到的第二故障头发送到本网元节点的控制芯片i-1，控制芯片i-1即可获知自身的TX1_-i+1光发送端口出现故障；

(2)对于TX1_-i光发送端口和TX2_-i光发送端口：

如果其RX1_-i光接收端口接收到来自后一从网元节点i+1的TX2_-i+1光发送端口发送的第二故障头，则可获知TX1_-i光发送端口出现故障；

如果其RX2_-i光接收端口接收到来自前一从网元节点i-1的TX1_-i-1光发送端口发送的第一故障头，则可获知TX2_-i光发送端口出现故障。

优选的，S2、S4和S6中，主网元节点发送各种类型同步帧的发送策略为：同步帧与数据帧之间的冲突避让机制。

优选的，所述冲突避让机制具体为：

主网元节点与通信管理机之间通过RS232/RS485接口传输数据帧；

主网元节点设置定时时间间隔，当没有检测到RS232/RS485接口存在数据帧时，按该定时时间间隔定时发送各种类型的同步帧；一旦检测到RS232/RS485接口存在数据帧时，则优先发送数据帧，在数据帧发送完成，且检测到RS232/RS485接口不存在数据帧时，再将后续需要发送的同步帧按定时时间间隔不断发送到下一网元节点。

优选的，所述控制芯片为FPGA芯片。

优选的，还包括：

主网元节点接收通信管理机发送的数据帧，并检测是否在预定时间间隔内接收到经环路传输后返回的该数据帧，如果接收到，首先对该数据帧进行过滤处理，再将过滤后的数据帧返回到通信管理机。

本发明提供的一种用于机电设备或隧道照明的监控系统，具有以下优点：

(1)结构简单：系统采用了单板结构，采用标准接线端子和通信接口，接线和安装方式简单；

(2)功能齐全：具备遥测采集、遥控输出、遥信采集、故障录波、故障判断、参数整定、GPRS/CDMA无线通信、光纤环网自愈等功能，具体功能可根据项目需求灵活选配；

(3)资源丰富：装置配备多个串口、RS485口、光纤自愈接口和CAN接口；

(4)性能可靠：采用标准Modubus通信协议，可同时支持主、从机模式，协议可定制扩充；

(5)维护方便：支持远程程序升级功能，用户可以通过配套的升级软件，无需打开设备外壳，实现底板和顶板的程序升级；

(6)配置灵活：可根据现场需要实现多装置联合组网，组网方式支持RS485总线和CAN总线模式；

(7)环网自愈：支持全回路的环网自愈功能，提高了通信网络的性能，相比传统的光端机装置信道恢复效率大大提高，将本发明提供的方法应用于某高铁隧道照明监控系统中，实测情况证明，该方法将自愈时间控制在20ms内，相比传统的内、外环模式，性能更加可靠稳定，适应能力强，应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明提供的用于机电设备或隧道照明的监控系统的结构示意图；

图2为本发明提供的应用多通道光纤自愈方法时处于内环工作模式的系统架构图；

图3为本发明提供的应用多通道光纤自愈方法时处于外环工作模式的系统架构图；

图4为本发明提供的应用多通道光纤自愈方法时处于左右半环工作模式的系统架构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，本发明提供一种用于机电设备或隧道照明的监控系统，包括：底板、顶板以及主要功能模块，底板和顶板的数量可根据实际需要灵活组合配置，底板和顶板间通过CAN总线或RS485总线连接，对数据采集量大的场合，可以通过多模块的级联方式，实现更大容量的数据采集。

以下对底板、顶板以及主要功能模块，详细介绍：

(一)底板

底板是本发明监控系统的数据管理中心，用于对各个模块数据的收集和处理，并完成对LED数码管的显示控制以及按键接口的键值检测。

每一个所述底板包括：处理器、遥信接口、遥控接口、LED数码管接口、CAN总线接口、用于与自愈光端机连接的光纤自愈接口、至少一个用于与顶板连接的顶板接口以及无线模块接口；所述处理器分别与所述遥信接口、所述遥控接口、所述LED数据管接口、所述CAN总线接口、所述光纤自愈接口、所述顶板接口以及所述无线模块接口连接；其中，所述顶板接口为RS485接口、CAN总线接口或串口；

处理器可采用高性能的32位ARM芯片，Cortex-M3内核的LPC1768FBD100，片内资源丰富，配置有512KB FLASH，64KB RAM。工作频率为100MHz。资源丰富包括I/O、ADC、4个通用16位定时器、3个I2C、SPI、2个I2S、1个SDIO、4个USART、一个USB Host/Device/OTG接口和两个CAN。

LPC1768资源接口丰富，但是在底板上需要的资源接口较多，特别是串口资源采用了复用的模式，复用的端口可根据不同项目的需求情况，灵活选定复用类别。详细的资源分配如表1所示：

表1LPC1768接口配置表

其中，所述遥信接口用于采集本地被监控设备的遥信信号，为多路单点遥信接口；遥信节点全部为无源干节点，内部供电电压为+24V，单板卡支持15路单点遥信。遥信分辨率高达1ms,，去抖时间可整定。

所述遥信接口包括遥信信号调理电路和遥信数据处理电路；所述遥信信号调理电路对采集到的原始遥信信号进行滤波和隔离，然后将滤波和隔离后的遥信信号发送到遥信数据处理电路；所述遥信数据处理电路用于对接收到的滤波和隔离后的遥信信号分时读取；

遥信信号调理电路主要实现了外部输入信号与内部电路的隔离，遥信输入采用无源干节点方式，输入端内部供电电压为+24V，遥信状态量经过光耦隔离后，经过反相器输出后通过IO口连接LPC1768的IO输入口，输出端供电电压为3.3V，详细配置情况见表2：

表2遥信信号调理电路配置表

遥信数据处理电路用于：对经过光耦隔离后输出的遥信状态信息，进行读取和处理，经光耦隔离后的遥信状态量通过74LVC245缓冲后，接入LPC1768的IO口，遥信信息被分为2个组，第1组8个通道，第2组7个通道对应一片74LV245，共组合成15个通道。LPC1768通过一个74HC138译码器，通过设置片选245的信号实现了分组读取遥信状态信息。如表3所示，为74HC138译码通道选择电路图。如表4所示，为遥信数据处理电路配置表。

图3 74HC138译码通道选择电路图

表4遥信数据处理电路配置表

IO口名称	74HC138译码输出有效	74LVC245芯片号
			P2.00～P2.07	YX_L8	U55
P2.00～P2.07	YX_H7	U56

底板遥控部分硬件设计用于对继电器电路的控制功能，底板共配置6通道遥控量，默认采用双点遥控设计，2个为1个组分别对应分和合输出。

所述遥控接口用于向本地被监控设备发送遥控指令，为多通道遥控接口；遥控执行过程采用SBO(select before operation)模式，单板卡支持6通道遥控。遥控输出类型可配置电平和脉冲式，脉冲输出时间可调整。

所述遥控接口具体用于：

被监控设备通过电源继电器与执行继电器连接；

当通过遥控接口下发遥控选择命令后，电源继电器吸合；然后，处理器对该电源继电器的触点状态进行反校，确认该电源继电器是否吸合成功，如果成功，则与电源继电器连接的执行继电器获取到电源；然后，处理器通过遥控接口下发遥控执行命令，执行继电器在接收到该遥控执行命令后，执行继电器执行动作，控制被控设备的开关状态，执行完成后，处理器对该执行继电器的触点状态进行反校，确认执行继电器执行动作是否执行成功。

所述顶板接口用于：接收来自所述顶板发送的遥测数据；

CAN总线接口电路和串口接口电路：

LPC1768内部自带2路CAN总线控制器，底板使用了两组CAN总线，分别预留为对上行顶板和外部通信接口，接口电路配置见表5：

表5CAN总线接口电路配置

LPC1768内部带有4路串口控制器，底板采用多串口复用的方式，电路配置见表6：

表6串口接口电路配置

芯片名称	作用
		ADUM1201ARZ	光电耦合器
MAX232	串口电平转换芯片
		ADM2483	隔离型RS485半双工收发器
HR902101A	RJ45串口接口电路

光纤自愈接口用于与自愈光端机连接，通过自愈光端组成自愈网，自愈光端机内置FPGA，通过FPGA逻辑实现自愈判断，并针对本监控系统为主机或从机的工作模式，采用不同的逻辑处理策略，实现光纤环网自愈；

所述LED数码管接口用于：显示各种类型的数据，包括电压、电流、有功功率、无功功率、频率、设备地址；

底板功能总结如下：

外部提供1个CAN总线接口、2个RJ45串口接口、2个RS485接口。

I2C总线数码管、按键电路、LED指示灯电路。

硬件实现顺序上电、有上电复位、硬件看门狗功能(溢出时间1.6秒)。

输入电路采用了TVS保护二极管，避免超限电压损毁内部电路。

输入信号与内部电路采用可靠的光耦隔离，隔离电压高达3.75KV。

FPGA光纤自愈具备多方向光纤自愈功能。

底板还可配置外部看门狗和J掉电检测电路：

外部看门狗主要用于防止CPU工作异常，在软件看门狗已经失灵的情况下，保证板卡还可以实现硬件复位，外部看门狗芯片选用了MAX706，溢出周期为1.6S。

掉电检测电路利用MAX706内部电压比较器实现，外围配合线路电压采样电路以及掉电延时电路，在选取好线路电压采样电路的分压电阻阻值后，在掉电过程中分压电压到达MAX706比较门槛电压，会使MAX706产生掉电信号，同时为在掉电时争取到尽量长的存数时间，通常还配备比较大的延时电容。工作电源电压检测信号检测工作电源状态，当系统电压低于2.7V时，产生低电平信号。该信号经过掉电判断电路与复位控制电路的作用后，可使MCU复位，避免装置CPU在非掉电状态、仅因为工作电压强烈波动时进入非正常状态。

外部FLASH和RTC实时时钟接口电路：

为利于装置数据的存储，装置预留了FLASH接口电路，采用了SPI接口FLASH芯片，并预留了外部RTC时钟接口电路。

LED数码管和指示灯接口电路：

拨码开关的低两位用于配置板卡的ID，高4位，每位分别代表1个8组的双点信息(16个点的单点组合生成双点信息)，指示灯电路用来指示通信状态、电源状态、程序运行状态，

(二)顶板

顶板主要完成遥测数据的采集、并响应底板的数据请求和参数设置命令，将数据上传给底板，遥测采集模块采用了高精度的计量芯片模块，经过校准后精度可达0.2％，同时顶板还为LED数码管、指示灯、按键、无线GPRS/CDMA模块等电路提供安装固定的接口。

每一个所述顶板包括：顶板处理器以及分别与顶板处理器连接的第1串口、第2串口、第3串口、外部CAN总线接口、顶板CAN总线接口和遥测数据采集接口；

其中，所述第1串口用于输出本监控系统的调试信息；

所述第2串口用于连接外部输入输出设备；

所述外部CAN总线接口为上行CAN总线接口；

所述顶板CAN总线接口为上行顶板的CAN总线接口；

所述遥测数据采集接口用于采集本地遥测数据；

所述第3串口用于和所述底板进行数据通信，响应来自所述底板的数据请求，将采集到的本地遥测数据发送给所述底板。

作为一种具体实施例，顶板技术参数主要包括：

采用高性能的32位ARM芯片，Cortex-M3内核的LPC1768FBD100，片内资源丰富有512KB FLASH，64KB RAM。工作频率为100MHz。资源丰富包括I/O、ADC、4个通用16位定时器、3个I2C、SPI、2个I2S、1个SDIO、4个USART、一个USB Host/Device/OTG接口和两个CAN。

单采集板卡支持12个通道(6电压、6电流可选)，对应2组3相回路。

采用高精度3相计量芯片，具有波形采样寄存器，经过软件实现可实现录波、谐波分析功能。

电流额定输入：AC0-5A，电压额定输入：AC0-220V。

精度等级：电压0.2级、电流0.2级、频率0.2级、功率0.5级。

过载能力：交流电流回路：2倍额定电流持续；20倍额定电流，1秒，交流

电压回路：2倍额定电压持续。

LPC1768资源接口丰富，但是由于顶板需要的串口较多，因此资源较为紧张现场情况下采用多口复用的方式，详细的资源分配如表7：

表7

序号	标识号	描述	功能说明
				1	串口0	RS-232_1	装置调试信息输出。
2	串口1	RS-232_2	(预留)串口液晶屏接口
				3	串口2
4	串口3	底板通信接口	实现和底板的数据通信
				5	CAN1	外部CAN总线接口	上行CAN总线接口。
6	CAN2	顶板CAN总线接口	对上行顶板的CAN总线接口。
				7	IIC接口1	YC1-YC12	实现对本地遥测数据的采集。
8	IIC接口2	RTC接口	实现对实时时钟的读取。

交流信号采集电路组成主要有互感器、滤波电路。互感器选用了高精度的电压、电流互感器，装置支持6路3相电压、6路3相电流，配置为2个回路，详细配置见表8：

表8

类型	额定输入	额定输出	精度
				电流互感器(TA31B11-5A)	5A	3.53V	0.2％
电压互感器(TV31B02)	270V	3.53V	0.2％

ADE7878接口电路：

互感器输出信号经过滤波后输入ADE7878，ADE7878是一款高精度、三相电能测量IC，采用串行接口，并提供三路灵活的脉冲输出。该器件内置二阶Σ-Δ型ADC、数字积分器、基准电压源电路以及所有必需的信号处理电路，可执行总(基波和谐波)有功、无功和视在功率测量，基波有功和无功功率测量，以及有效值计算。一个固定功能数字信号处理器(DSP)负责执行这种信号处理。

ADE7878适合测量各种三线、四线的三相配置有功、无功和视在功率，例如Y形或三角形等。各相均具有系统校准功能，即有效值失调校正、相位校准和增益校准。CF1、CF2和CF3逻辑输出可提供许多功率信息：总/基波有功/无功功率、总视在功率或电流有效值和。

ADE7878具有波形采样寄存器，允许访问所有ADC输出。该器件还提供电能质量测量，例如：短时低压或高压检测、短时高电流变化、线路电压周期测量以及相位电压与电流之间的角度等。

ADE7878有3个串口；I2c,SPI,hsdc各一个，SPI管脚和I2C及HSDC端口的管脚复用。ADE7878只能有两种配置；I2C和HSDC端口、SPI端口。在复位后，若SS管脚为高，那么ADE7878默认为I2C端口，HSDC端口是默认禁止的。如果在复位后，SS管脚从高到低变换3次，那么芯片就会使用SPI串口，直到发生新的硬件复位为止。在本项目中使用了I2C和HSDC接口组合，ADE7878的I2C接口作为从机接口，MCU可利用I2C接口向ADE7878发送控制命令，或从ADE7878读取计量数据，HSDC端口是一个能向外部设备发送数据的端口，外部设备一般为一个微处理器，能够传输16个32位字。这些字包括视在、无功、有功、中性电流、相电压、相电流的瞬时值。

HSDC接口总是作为通信的主机来通信，他由3个管脚组成：HSCLK、HSD和HSA。其中HSLK表示串口时钟，HSD用于串口输出数据到从设备中，一般连接到对方设备的数据输入端。HSA为片选信号，在一个字的发送期间保持有效，它一般连接至从机的片选信号输入端。在本系统中，ADE7878的HSDC接口是用LPC1768的SPI接口连接。

ADE7878的HSDC接口以8MBIT/S的速度通过微处理器的SPI接口向LPC1768传输数据，将16个32位的瞬时值波形寄存器的值传输完毕。微处理器调用系统自带的FFT库对接收到的数据进行FFT变换。

(三)Modubus主机模块和Modubus从机模块

处理器包括Modubus主机模块和Modubus从机模块；在所述监控系统中，从机包括顶板遥测模块和被控外部设备；

所述Modubus主机模块用于：通过初始化配置参数生成对应的请求帧数据，并将请求帧填入发送环形缓冲区；然后，接收从机返回的数据帧，采用对应的解析规则进行数据解析；此外，所述Modubus主机模块还采用轮询帧控制结构体，即：使用指针控制发送环形缓冲区中对应请求帧的发送规则，并定义了轮询的周期和超时时间；

Modubus从机模块用于：将接收到的遥信、遥测数据直接存入实时数据结构体，并将遥信和遥测对应的SOE信息存入缓冲区，以及，解析来自Modubus主机模块的命令帧，响应遥控操作命令、参数设置命令和数据读取命令。

(四)应用程序在线更新模块

应用程序在线更新模块用于：接收来自底板转发的升级报文后，对顶板或底板应用程序进行在线更新。

(五)列控逻辑分析模块

列控的实现基于一种预期：如果列车在隧道的中因故障而暂停将会产生一定的减速过程，则如果其车头或者车尾阻挡了光电开关，其应该在规定的时间内，驶出光电开关的范围，而解除阻挡。

列控逻辑分析模块用于：在被监控的隧道的洞室附近布设光电开关A，

所述监控系统的遥信接口与所述光电开关A连接，用于采集所述光电开关A的遥信信号；所述监控系统的遥控接口通过继电器与所述隧道的照明系统连接，用于控制照明系统的上电状态；

在列车通过被监控的隧道时，设列车车头首先经过光电开关A，当光电开关A被列车遮挡时，所述监控系统的遥信接口采集到所述光电开关A的合遥信信号，并启动定时器开始计时；当列车车尾离开光电开关A时，所述监控系统的遥信接口采集到所述光电开关A的分遥信信号，并停止定时器计时；由此，所述监控系统计算得到列车通过光电开关A的时间差，设为T1；已知列车车身总长度，计算得到列车当前行车速度；然后，将列车当前行车速度与预设的列车行车速度进行比较，如果列车当前行车速度低于预设的列车行车速度，则得出列车出现故障的结论；然后，通过遥控接口向照明系统发送上电的控制信号，使隧道照明系统上电而发光。

(六)光纤自愈接口

将每一台用于机电设备或隧道照明的监控系统记为RTU；每一台RTU通过光纤自愈接口连接一台自愈光端机，各自愈光端机组成四通道双纤自愈环，该四通道双纤自愈环由1个主网元节点和n个从网元节点连成封闭环路；所述主网元节点与通信管理机通信连接；每一个从网元节点均连接对应的RTU；所述主网元节点和n个所述从网元节点均为自愈光端机；自愈光端机可采用Lattice公司的FPGA(LFXP2)芯片为核心，通过编程实现了3组串口，并向外部提供了1个RS485/RS232接口、2组环路光口，其中，对于主网元节点，其通过RS485/RS232接口与通信管理机通信；对于从网元节点，其通过RS485/RS232接口与RTU设备通信。2组环路光口实现自愈功能，为全双工的单模或多模光纤接口，环路光口须成对使用，TX口为光发送端口，连接另一个光端机的一组光接口的接收端RX，RX口为光接收端口，连接同一个光端机同一组光接口的发送端TX。每一个自愈光端机RS485/RS232接口波特率自适应，透明转发通信数据。每一个自愈光端机包括TX1光发送端口、RX1光接收端口、TX2光发送端口、RX2光接收端口、端口状态检测模块、控制芯片和倒切开关；控制芯片可采用FPGA芯片。

设n个从网元节点按连接顺序依次记为从网元节点1、从网元节点2…从网元节点n；对于任意一个从网元节点i，记其配置有TX1_-i光发送端口、RX1_-i光接收端口、TX2_-i光发送端口、RX2_-i光接收端口、端口状态检测模块i、控制芯片i和倒切开关i；

本发明中，自愈环网组建时，自愈光端机区分主、从机，一个环内必须有且仅有一个主机，使用时主机的“光口1”连接下一个从机的“光口2”，如此向下级联；最后一台从机的“光口1”连接主机的“光口2”。

即：主网元节点的TX1光发送端口与从网元节点1的RX2_-1光接收端口连接，从网元节点1的TX1_-1光发送端口与从网元节点2的RX2_-2光接收端口连接，从网元节点2的TX1_-2光发送端口与从网元节点3的RX2_-3光接收端口连接…依此类推，从网元节点n的TX1_-n光发送端口连接到主网元节点的RX2光接收端口，由此形成一个内环路；

主网元节点的TX2光发送端口与从网元节点n的RX1_-n光接收端口连接，从网元节点n的TX2_-n光发送端口与从网元节点n-1的RX1_-n-1光接收端口连接，从网元节点n-1的TX2_-n-1光发送端口与从网元节点n-2的RX1_-n-2光接收端口连接，依此类推，从网元节点1的TX2_-1光发送端口与主网元节点的RX1光接收端口连接，由此形成一个外环路；

所述多通道光纤自愈方法包括以下步骤：

主网元节点是自愈的核心，主网元节点通过对同步帧发送和接收的检测、超时处理机制，完成内部4种状态的迁移，实现光纤环网自愈，具体为：以LATTICE公司的FPGA(LFXP2)芯片为核心，对通信数据进行处理，结合链路侦测判定、状态迁移模型、冲突避让、环网数据过滤机制，实现了4种自愈环路，该方案解决了复杂环境下自愈网络的生存性和效率，系统工作稳定、误码率低、实时性强，实验结果证明了该方案的可行性。

具体实现步骤为：

S1，主网元节点的控制芯片配置四种链路检测模式，分别为：内环模式、外环模式、左半环模式和右半环模式；并设置四种链路检测模式的优先级顺序，即：内环模式的优先级高于外环模式的优先级，左半环模式和右半环模式的优先级相同且低于外环模式的优先级；参考图2，为处于内环工作模式的系统架构图；图3为处于外环工作模式的系统架构图；图4为处于左右半环工作模式的系统架构图。其中，在图2、图3和图4中，从网元节点在图中以自愈光端机(从)表示，主网元节点在图中以自愈光端机(主)表示，并且，图中仅以共设置5台自愈光端机(从)进行示意，实际应用中，自愈光端机(从)的数量可根据实际需要灵活调整，本发明对此并不限制。

另外，控制芯片还配置四种同步帧类型，分别为：与内环模式唯一对应的内环同步帧，与外环模式唯一对应的外环同步帧，与左半环模式唯一对应的左半环同步帧以及与右半环模式唯一对应的右半环同步帧；

具体实现上，可采用表9所示方式，进行链路状态类型及其相关参数配置：

表9

S2，主网元节点初始上电为空闲态，然后，根据链路检测模式的优先级顺序，首先按一定的发送策略不断发送内环同步帧，各个从网元节点根据接收到的同步帧类型以及自身四个端口状态，确定倒切开关的动作方向：

本步骤中，对于任何一个从网元节点i，其控制芯片通过以下方式获知自身的TX1_-i光发送端口、RX1_-i光接收端口、TX2_-i光发送端口和RX2_-i光接收端口是否出现故障：

(1)对于RX1-i光接收端口和RX2-i光接收端口：

通过端口状态检测模块i，直接检测本网元节点中RX1-i光接收端口和RX2-i光接收端口是否出现连接故障，如果检测到RX1-i光接收端口出现故障，则一方面，将故障信号通知给本网元节点中的控制芯片i；另一方面，向TX1-i光发送端口发送第一故障头，TX1-i光发送端口再将接收到的第一故障头发送到从网元节点i+1的RX2_-i+1光接收端口，RX2_-i+1光接收端口再将接收到的第一故障头发送到本网元节点的控制芯片i+1，控制芯片i+1即可获知自身的TX2_-i+1光发送端口出现故障；

如果检测到RX2-i光接收端口出现故障，则一方面，将故障信号通知给本网元节点中的控制芯片i；另一方面，向TX2-i光发送端口发送第二故障头，TX2-i光发送端口再将接收到的第二故障头发送到从网元节点i-1的RX1_-i+1光接收端口，RX1_-i+1光接收端口再将接收到的第二故障头发送到本网元节点的控制芯片i-1，控制芯片i-1即可获知自身的TX1_-i+1光发送端口出现故障；

也就是说，本发明中，各个光端机内置光纤模块，光纤模块提供了其RX接口的(SD引脚)无光检测信号，因此光端机可直接检出其RX1和RX2口的连接故障，但TX口连接的故障无法检出，为了判定TX口连接故障，光端机采用“反向通知”机制，即：任何一个光口的RX连接故障，则说明与其连接的“对向设备”的TX接口出现异常，此时该光端机向其TX端口发送故障帧，通知“对向设备”的TX连接故障。

(2)对于TX1_-i光发送端口和TX2_-i光发送端口：

如果其RX1_-i光接收端口接收到来自后一从网元节点i+1的TX2_-i+1光发送端口发送的第二故障头，则可获知TX1_-i光发送端口出现故障；

如果其RX2_-i光接收端口接收到来自前一从网元节点i-1的TX1_-i-1光发送端口发送的第一故障头，则可获知TX2_-i光发送端口出现故障。

本步骤具体为：如果从网元节点的RX2光接收端口接收到内环同步帧，并检测到本节点的RX2光接收端口和TX1光发送端口正常，则通过倒切开关短接RX2光接收端口和TX1光发送端口，然后将该内环同步帧向下一从网元节点发送，如果环路上某一段链路出现故障，则内环同步帧无法继续向前传输；

S3，主网元节点判断是否能够在预设时间间隔内通过RX2光接收端口接收到经地环路传输后返回的内环同步帧，如果能够接收到，则证明当前内环环路链路正常，继续使用内环作为通信链路；一旦未能够接收到，则证明当前内环环路链路故障，然后执行S4；

S4，所述主网元节点按一定的发送策略不断发送外环同步帧，各个从网元节点根据接收到的同步帧类型以及自身四个端口状态，确定倒切开关的动作方向：

具体为：如果从网元节点的RX1光接收端口接收到外环同步帧，并检测到本节点的RX1光接收端口和TX2光发送端口均正常，则通过倒切开关短接RX1光接收端口和TX2光发送端口，然后将该外环同步帧向下一节从网元节点发送，如果外环环路上某一段链路出现故障，则外环同步帧无法继续向前传输；

S5，主网元节点判断是否能够在预设时间间隔内通过RX1光接收端口接收到经地环路传输后返回的外环同步帧，如果能够接收到，则证明当前外环环路链路正常，继续使用外环作为通信链路；一旦未能够接收到，则证明当前外环环路链路故障，然后执行S6；

S6，所述主网元节点按一定的发送策略同时执行以下操作：通过TX1光发送端口不断发送左环同步帧，以及，通过TX1光发送端口不断发送右环同步帧；

对于任何一个从网络节点i，当其接收到左环同步帧时，判断自身的TX1光发送端口是否故障，如果没有，则将左环同步帧继续向后一个从网络节点i+1发送，直到发送到TX1光发送端口出现故障的从网络节点；如果出现故障，则通过倒切开关短接自身的RX2光接收端口和TX2光发送端口，将接收到的左环同步帧通过自身的TX2光发送端口返回给前一个从网络节点i-1，从网络节点i-1再将接收到的左环同步帧返回给前一个从网络节点，如果返回链路均正常，则最终返回到主网络节点的RX1光接收端口；如果返回链路出现故障，则无法将左环同步帧返回到主网络节点的RX1光接收端口；即：主网络节点判断RX1光接收端口是否能够在预设时间间隔内接收到经左环路传输后返回的左环同步帧，如果能够接收到，则证明当前存在左环环路链路正常的传输链路；

对于任何一个从网络节点i，当其接收到右环同步帧时，判断自身的TX2光发送端口是否故障，如果没有，则将右环同步帧继续向后一个从网络节点i-1发送，直到发送到TX2光发送端口出现故障的从网络节点；如果出现故障，则通过倒切开关短接自身的RX1光接收端口和TX1光发送端口，将接收到的右环同步帧通过自身的TX1光发送端口返回给前一个从网络节点i+1，从网络节点i+1再将接收到的右环同步帧返回给前一个从网络节点，如果返回链路均正常，则最终返回到主网络节点的RX2光接收端口；如果返回链路出现故障，则无法将右环同步帧返回到主网络节点的RX2光接收端口；即：主网络节点判断RX2光接收端口是否能够在预设时间间隔内接收到经右环路传输后返回的右环同步帧，如果能够接收到，则证明当前存在右环环路链路正常的传输链路；

即：主网络节点通过探测到的链路状态调整组网方式，实现四通道光纤自愈。

另外，在上述过程中，链路检测过程是自愈的核心，其检测的速度直接决定了自愈的时间，链路检测过程由主网元节点定时发送同步帧完成，而从网元节点根据接收到的同步帧类型完成相应的链路转换。为保证在链路传输上，同步帧不和来自通信管理机发送的数据帧冲突，提高链路检测效率，光端机(主机)的链路检测帧采用15M bps的波特率每10ms发送一次。

由于主网元节点定时发起的同步帧存在和来自通信管理机的数据帧重叠的可能，本发明设计了冲突避让机制，避开数据帧和同步帧之间的冲突，即：根据串口数据传输的特点，TTL电平在无数据传输情况下，数据线保持高电平，当有串口有数据时，起始位为低电平，根据此特点，主光端机可以通过对其RS232/RS485接口对应的TTL串口的RX接口电平的检测确定当前的数据传送状态，当检测到RX口为低电平后，延时5ms停止当前的同步帧发送，从而避开来自通信管理机的数据帧发送，超时后重启发送

具体过程为：主网元节点与通信管理机之间通过RS232/RS485接口传输数据帧；

主网元节点设置定时时间间隔，当没有检测到RS232/RS485接口存在数据帧时，按该定时时间间隔定时发送各种类型的同步帧；一旦检测到RS232/RS485接口存在数据帧时，则优先发送数据帧，在数据帧发送完成，且检测到RS232/RS485接口不存在数据帧时，再将后续需要发送的同步帧按定时时间间隔不断发送到下一网元节点。

另外，根据建立的链路类型，通信管理机发送的数据帧经主光端机TX口转发，经过从光端机处理后，将会在主光端机的对应RX口同步接收到该数据帧，该数据帧如果直接转发给通信管理机，将会影响通信管理机，导致数据回环。为了避免该问题，主光端机应对该部分进行过滤处理。

过滤处理的原则：主光端机在检测到其与通信管理机连接的RX口发送数据帧时(即低电平起始信号)，则将其与通信管理机连接的TX接口电平拉高。也就是说，主网元节点接收通信管理机发送的数据帧，并检测是否在预定时间间隔内接收到经环路传输后返回的该数据帧，如果接收到，首先对该数据帧进行过滤处理，再将过滤后的数据帧返回到通信管理机。

为了验证本发明提供的多通道光纤自愈方法的自愈效果，使用了40个光端机(从机)节点进行试验，通过断开和恢复相应节点，验证自愈链路重新建立的时间，测试的相应的指标如表10所示：

表10自愈环转换时间

序号	自愈切换	自愈时间(平均值)
			1	内环-->外环	10ms
2	内环-->左半环	20ms
			3	内环-->右半环	20ms
4	外环-->内环	20ms
			5	外环-->左半环	10ms
6	外环-->右半环	10ms
			7	右半环-->外环	20ms
8	左半环-->外环	20ms

9	右半环-->内环	10ms
			10	左半环-->内环	10ms

从测试结果上看，本发明自愈时间非常小。

本发明提供的一种用于机电设备或隧道照明的监控系统，具有以下优点：

(1)结构简单：系统采用了单板结构，采用标准接线端子和通信接口，接线和安装方式简单；

(2)功能齐全：具备遥测采集、遥控输出、遥信采集、故障录波、故障判断、参数整定、GPRS/CDMA无线通信、光纤环网自愈等功能，具体功能可根据项目需求灵活选配；

(3)资源丰富：装置配备多个串口、RS485口、光纤自愈接口和CAN接口；

(4)性能可靠：采用标准Modubus通信协议，可同时支持主、从机模式，协议可定制扩充；

(5)维护方便：支持远程程序升级功能，用户可以通过配套的升级软件，无需打开设备外壳，实现底板和顶板的程序升级；

(6)配置灵活：可根据现场需要实现多装置联合组网，组网方式支持RS485总线和CAN总线模式；

(7)环网自愈：支持全回路的环网自愈功能，提高了通信网络的性能，相比传统的光端机装置信道恢复效率大大提高，将本发明提供的方法应用于某高铁隧道照明监控系统中，实测情况证明，该方法将自愈时间控制在20ms内，相比传统的内、外环模式，性能更加可靠稳定，适应能力强，应用前景广阔。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于机电设备或隧道照明的监控系统，其特征在于，包括：至少一个底板和至少一个顶板；

每一个所述底板包括：处理器、遥信接口、遥控接口、LED数码管接口、CAN总线接口、用于与自愈光端机连接的光纤自愈接口、至少一个用于与顶板连接的顶板接口以及无线模块接口；所述处理器分别与所述遥信接口、所述遥控接口、所述LED数据管接口、所述CAN总线接口、所述光纤自愈接口、所述顶板接口以及所述无线模块接口连接；其中，所述顶板接口为RS485接口、CAN总线接口或串口；

其中，所述遥信接口用于采集本地被监控设备的遥信信号，为多路单点遥信接口；

所述遥信接口包括遥信信号调理电路和遥信数据处理电路；所述遥信信号调理电路对采集到的原始遥信信号进行滤波和隔离，然后将滤波和隔离后的遥信信号发送到遥信数据处理电路；所述遥信数据处理电路用于对接收到的滤波和隔离后的遥信信号分时读取；

所述遥控接口用于向本地被监控设备发送遥控指令，为多通道遥控接口；

所述遥控接口具体用于：

被监控设备通过电源继电器与执行继电器连接；

当通过遥控接口下发遥控选择命令后，电源继电器吸合；然后，处理器对该电源继电器的触点状态进行反校，确认该电源继电器是否吸合成功，如果成功，则与电源继电器连接的执行继电器获取到电源；然后，处理器通过遥控接口下发遥控执行命令，执行继电器在接收到该遥控执行命令后，执行继电器执行动作，控制被控设备的开关状态，执行完成后，处理器对该执行继电器的触点状态进行反校，确认执行继电器执行动作是否执行成功。

所述顶板接口用于：接收来自所述顶板发送的遥测数据；

所述光纤自愈接口用于连接外部的自愈光端机，自愈光端机通过FPGA逻辑实现自愈判断，并针对本监控系统为主机或从机的工作模式，采用不同的逻辑处理策略，实现光纤环网自愈；

所述LED数码管接口用于：显示各种类型的数据，包括电压、电流、有功功率、无功功率、频率、设备地址；

每一个所述顶板包括：顶板处理器以及分别与顶板处理器连接的第1串口、第2串口、第3串口、外部CAN总线接口、顶板CAN总线接口和遥测数据采集接口；

其中，所述第1串口用于输出本监控系统的调试信息；

所述第2串口用于连接外部输入输出设备；

所述外部CAN总线接口为上行CAN总线接口；

所述顶板CAN总线接口为上行顶板的CAN总线接口；

所述遥测数据采集接口用于采集本地遥测数据；

所述第3串口用于和所述底板进行数据通信，响应来自所述底板的数据请求，将采集到的本地遥测数据发送给所述底板。

2.根据权利要求1所述的用于机电设备或隧道照明的监控系统，其特征在于，所述处理器包括Modubus主机模块和Modubus从机模块；在所述监控系统中，从机包括顶板遥测模块和被控外部设备；

所述Modubus主机模块用于：通过初始化配置参数生成对应的请求帧数据，并将请求帧填入发送环形缓冲区；然后，接收从机返回的数据帧，采用对应的解析规则进行数据解析；此外，所述Modubus主机模块还采用轮询帧控制结构体，即：使用指针控制发送环形缓冲区中对应请求帧的发送规则，并定义了轮询的周期和超时时间；

Modubus从机模块用于：将接收到的遥信、遥测数据直接存入实时数据结构体，并将遥信和遥测对应的SOE信息存入缓冲区，以及，解析来自Modubus主机模块的命令帧，响应遥控操作命令、参数设置命令和数据读取命令。

3.根据权利要求1所述的用于机电设备或隧道照明的监控系统，其特征在于，所述处理器还包括应用程序在线更新模块；

所述应用程序在线更新模块用于：接收来自底板转发的升级报文后，对顶板或底板应用程序进行在线更新。

4.根据权利要求1所述的用于机电设备或隧道照明的监控系统，其特征在于，所述处理器还包括列控逻辑分析模块；

所述列控逻辑分析模块用于：在被监控的隧道的洞室附近布设光电开关A，

所述监控系统的遥信接口与所述光电开关A连接，用于采集所述光电开关A的遥信信号；所述监控系统的遥控接口通过继电器与所述隧道的照明系统连接，用于控制照明系统的上电状态；

在列车通过被监控的隧道时，设列车车头首先经过光电开关A，当光电开关A被列车遮挡时，所述监控系统的遥信接口采集到所述光电开关A的合遥信信号，并启动定时器开始计时；当列车车尾离开光电开关A时，所述监控系统的遥信接口采集到所述光电开关A的分遥信信号，并停止定时器计时；由此，所述监控系统计算得到列车通过光电开关A的时间差，设为T1；已知列车车身总长度，计算得到列车当前行车速度；然后，将列车当前行车速度与预设的列车行车速度进行比较，如果列车当前行车速度低于预设的列车行车速度，则得出列车出现故障的结论；然后，通过遥控接口向照明系统发送上电的控制信号，使隧道照明系统上电而发光。

5.根据权利要求1所述的用于机电设备或隧道照明的监控系统，其特征在于，还包括：

将每一台用于机电设备或隧道照明的监控系统记为RTU；每一台RTU通过光纤自愈接口连接一台自愈光端机，各自愈光端机组成四通道双纤自愈环，通过以下方法进行多通道光纤自愈：

该四通道双纤自愈环由1个主网元节点和n个从网元节点连成封闭环路；所述主网元节点与通信管理机通信连接；每一个从网元节点均连接对应的RTU；所述主网元节点和n个所述从网元节点均为自愈光端机；所述自愈光端机包括TX1光发送端口、RX1光接收端口、TX2光发送端口、RX2光接收端口、端口状态检测模块、控制芯片和倒切开关；

设n个从网元节点按连接顺序依次记为从网元节点1、从网元节点2…从网元节点n；对于任意一个从网元节点i，记其配置有TX1_-i光发送端口、RX1_-i光接收端口、TX2_-i光发送端口、RX2_-i光接收端口、端口状态检测模块i、控制芯片i和倒切开关i；

则：主网元节点的TX1光发送端口与从网元节点1的RX2_-1光接收端口连接，从网元节点1的TX1_-1光发送端口与从网元节点2的RX2_-2光接收端口连接，从网元节点2的TX1_-2光发送端口与从网元节点3的RX2_-3光接收端口连接…依此类推，从网元节点n的TX1_-n光发送端口连接到主网元节点的RX2光接收端口，由此形成一个内环路；

主网元节点的TX2光发送端口与从网元节点n的RX1_-n光接收端口连接，从网元节点n的TX2_-n光发送端口与从网元节点n-1的RX1_-n-1光接收端口连接，从网元节点n-1的TX2_-n-1光发送端口与从网元节点n-2的RX1_-n-2光接收端口连接，依此类推，从网元节点1的TX2_-1光发送端口与主网元节点的RX1光接收端口连接，由此形成一个外环路；

多通道光纤自愈方法包括以下步骤：

S1，主网元节点的控制芯片配置四种链路检测模式，分别为：内环模式、外环模式、左半环模式和右半环模式；并设置四种链路检测模式的优先级顺序，即：内环模式的优先级高于外环模式的优先级，左半环模式和右半环模式的优先级相同且低于外环模式的优先级；

另外，控制芯片还配置四种同步帧类型，分别为：与内环模式唯一对应的内环同步帧，与外环模式唯一对应的外环同步帧，与左半环模式唯一对应的左半环同步帧以及与右半环模式唯一对应的右半环同步帧；

S2，主网元节点初始上电为空闲态，然后，根据链路检测模式的优先级顺序，首先按一定的发送策略不断发送内环同步帧，各个从网元节点根据接收到的同步帧类型以及自身四个端口状态，确定倒切开关的动作方向：

具体为：如果从网元节点的RX2光接收端口接收到内环同步帧，并检测到本节点的RX2光接收端口和TX1光发送端口正常，则通过倒切开关短接RX2光接收端口和TX1光发送端口，然后将该内环同步帧向下一从网元节点发送，如果环路上某一段链路出现故障，则内环同步帧无法继续向前传输；

S3，主网元节点判断是否能够在预设时间间隔内通过RX2光接收端口接收到经地环路传输后返回的内环同步帧，如果能够接收到，则证明当前内环环路链路正常，继续使用内环作为通信链路；一旦未能够接收到，则证明当前内环环路链路故障，然后执行S4；

S4，所述主网元节点按一定的发送策略不断发送外环同步帧，各个从网元节点根据接收到的同步帧类型以及自身四个端口状态，确定倒切开关的动作方向：

具体为：如果从网元节点的RX1光接收端口接收到外环同步帧，并检测到本节点的RX1光接收端口和TX2光发送端口均正常，则通过倒切开关短接RX1光接收端口和TX2光发送端口，然后将该外环同步帧向下一节从网元节点发送，如果外环环路上某一段链路出现故障，则外环同步帧无法继续向前传输；

S5，主网元节点判断是否能够在预设时间间隔内通过RX1光接收端口接收到经地环路传输后返回的外环同步帧，如果能够接收到，则证明当前外环环路链路正常，继续使用外环作为通信链路；一旦未能够接收到，则证明当前外环环路链路故障，然后执行S6；

S6，所述主网元节点按一定的发送策略同时执行以下操作：通过TX1光发送端口不断发送左环同步帧，以及，通过TX1光发送端口不断发送右环同步帧；

对于任何一个从网络节点i，当其接收到左环同步帧时，判断自身的TX1光发送端口是否故障，如果没有，则将左环同步帧继续向后一个从网络节点i+1发送，直到发送到TX1光发送端口出现故障的从网络节点；如果出现故障，则通过倒切开关短接自身的RX2光接收端口和TX2光发送端口，将接收到的左环同步帧通过自身的TX2光发送端口返回给前一个从网络节点i-1，从网络节点i-1再将接收到的左环同步帧返回给前一个从网络节点，如果返回链路均正常，则最终返回到主网络节点的RX1光接收端口；如果返回链路出现故障，则无法将左环同步帧返回到主网络节点的RX1光接收端口；即：主网络节点判断RX1光接收端口是否能够在预设时间间隔内接收到经左环路传输后返回的左环同步帧，如果能够接收到，则证明当前存在左环环路链路正常的传输链路；

对于任何一个从网络节点i，当其接收到右环同步帧时，判断自身的TX2光发送端口是否故障，如果没有，则将右环同步帧继续向后一个从网络节点i-1发送，直到发送到TX2光发送端口出现故障的从网络节点；如果出现故障，则通过倒切开关短接自身的RX1光接收端口和TX1光发送端口，将接收到的右环同步帧通过自身的TX1光发送端口返回给前一个从网络节点i+1，从网络节点i+1再将接收到的右环同步帧返回给前一个从网络节点，如果返回链路均正常，则最终返回到主网络节点的RX2光接收端口；如果返回链路出现故障，则无法将右环同步帧返回到主网络节点的RX2光接收端口；即：主网络节点判断RX2光接收端口是否能够在预设时间间隔内接收到经右环路传输后返回的右环同步帧，如果能够接收到，则证明当前存在右环环路链路正常的传输链路；

即：主网络节点通过探测到的链路状态调整组网方式，实现四通道光纤自愈。

6.根据权利要求5所述的用于机电设备或隧道照明的监控系统，其特征在于，S2中，对于任何一个从网元节点i，其控制芯片通过以下方式获知自身的TX1_-i光发送端口、RX1_-i光接收端口、TX2_-i光发送端口和RX2_-i光接收端口是否出现故障：

(1)对于RX1-i光接收端口和RX2-i光接收端口：

通过端口状态检测模块i，直接检测本网元节点中RX1-i光接收端口和RX2-i光接收端口是否出现连接故障，如果检测到RX1-i光接收端口出现故障，则一方面，将故障信号通知给本网元节点中的控制芯片i；另一方面，向TX1-i光发送端口发送第一故障头，TX1-i光发送端口再将接收到的第一故障头发送到从网元节点i+1的RX2_-i+1光接收端口，RX2_-i+1光接收端口再将接收到的第一故障头发送到本网元节点的控制芯片i+1，控制芯片i+1即可获知自身的TX2_-i+1光发送端口出现故障；

如果检测到RX2-i光接收端口出现故障，则一方面，将故障信号通知给本网元节点中的控制芯片i；另一方面，向TX2-i光发送端口发送第二故障头，TX2-i光发送端口再将接收到的第二故障头发送到从网元节点i-1的RX1_-i+1光接收端口，RX1_-i+1光接收端口再将接收到的第二故障头发送到本网元节点的控制芯片i-1，控制芯片i-1即可获知自身的TX1_-i+1光发送端口出现故障；

(2)对于TX1_-i光发送端口和TX2_-i光发送端口：

如果其RX1_-i光接收端口接收到来自后一从网元节点i+1的TX2_-i+1光发送端口发送的第二故障头，则可获知TX1_-i光发送端口出现故障；

如果其RX2_-i光接收端口接收到来自前一从网元节点i-1的TX1_-i-1光发送端口发送的第一故障头，则可获知TX2_-i光发送端口出现故障。

7.根据权利要求5所述的用于机电设备或隧道照明的监控系统，其特征在于，S2、S4和S6中，主网元节点发送各种类型同步帧的发送策略为：同步帧与数据帧之间的冲突避让机制。

8.根据权利要求7所述的用于机电设备或隧道照明的监控系统，其特征在于，所述冲突避让机制具体为：

主网元节点与通信管理机之间通过RS232/RS485接口传输数据帧；

主网元节点设置定时时间间隔，当没有检测到RS232/RS485接口存在数据帧时，按该定时时间间隔定时发送各种类型的同步帧；一旦检测到RS232/RS485接口存在数据帧时，则优先发送数据帧，在数据帧发送完成，且检测到RS232/RS485接口不存在数据帧时，再将后续需要发送的同步帧按定时时间间隔不断发送到下一网元节点。

9.根据权利要求5所述的用于机电设备或隧道照明的监控系统，其特征在于，所述控制芯片为FPGA芯片。

10.根据权利要求5所述的用于机电设备或隧道照明的监控系统，其特征在于，还包括：

主网元节点接收通信管理机发送的数据帧，并检测是否在预定时间间隔内接收到经环路传输后返回的该数据帧，如果接收到，首先对该数据帧进行过滤处理，再将过滤后的数据帧返回到通信管理机。