第18讲 应答器
一、应答器结构
应答器的主要用途是向车载ATP控制设备提供可靠的地面固定信息和可变信息。 应答器系统是一种采用电磁感应原理构成的高速点式数据传输设备，用于在特定地点实现地面与机车间的相互通信。安装于两根钢轨中心枕木上的地面应答器不要求外加电源，平时处于休眠状态，仅靠瞬时接收车载天线的功率而工作，并能在接收到车载天线功率的同时向车载天线发送大量的编码信息。安装于机车底部的车载天线不断向地面发送功率并在机车通过地面应答器时接收来自应答器的编码信息。
当列车经过无源应答器上方时，无源应答器接收到车载天线发射的电磁能量后，将其转换成电能，使地面应答器中的电子电路工作，把存储在地面应答器中的1023位数据报文循环发送出去，直至电能消失（即车载天线已经离去）。
通过报文读写工具BEPT可以向改写无源应答器的数据报文。 通过BEPT可以对无源应答器存储的数据报文进行读出、校核。 有源应答器通过与LEU的连接，可实时改变传送的数据报文。 当与LEU通信故障时（接口“C”故障），有源应答器可以自动切换到无源应答器工作模式，发送缺省报文。
阿尔斯通的有源应答器和无源应答器完全相同，通过电缆及插接件与LEU连接，就做为有源应答器使用；
下面主要描述阿尔斯通应答器。 二、应答器机械特性
应答器由壳体（黄盒子）、电路板、灌封材料构成。壳体是玻璃纤维类材料热压而成；电路板厚度为3.2mm，安装在壳体内，它包含了用于发送和接收的电磁感应耦合线圈。
应答器外部尺寸：长480 mm 宽350 mm 高70 mm
重量：约7公斤 三、应答器抗杂物理能力
欧洲标准中，对应答器定义了2个等级的抗杂物能力，A级和B 级，A级更为严格，其指标如表 1所示。
四、应答器运用环境
●运行温度范围： -40℃到+70℃ ●冷却 ：自然对流
●储存：-40℃到+70℃，在最后的检查和测试之后小于5年
●震动：符合EN50125-3（表5）
●抗震：根据标准EN60068-2-75，符合摆锤打桩机冲击试验，根据标准的表格2，最高级别是20 J
●抵抗行人踩踏以2000 N的最大力在安装的应答器上行走的可能性 ●湿度范围：根据EN60721-3-4表格1，为等级4K3 ●压力范围：根据EN60721-3-4表格1，为等级4K3 ●风：根据标准EN60721-3-4表2（50m/s）等级为4Z5 ●防护等级：根据标准EN 60529，为IP68
●太阳辐射：根据EN 60721-3-4表1分类，为4K3 ●生物：根据EN 60721-3-4表3分类，为4B2
●机械：根据EN 60721-3-4表5分类，为4S4 ●MTBF：λ = 2,869.10-6/h / +40℃ ●使用年限：大于20年
●安全：根据EN50129，为SIL4（电气系统）
五、应答器工作原理
1、电磁感应的基本原理
车载天线与应答器之间是按电感耦合的原理进行工作的，如图 错误！文档中没有指定样式的文字。-1所示，当能量频率≤30MHz时，磁场起着主导作用，电场起着次要作用 。
图 错误！文档中没有指定样式的文字。-1天线与应答器之间的作用原理图 为便于分析，将矩形线圈按面积等效成圆型线圈计算。
如果被测线圈沿X轴方向运动，那么场强H随着距离X的增加不断减弱。当被测线圈沿线圈X轴方向移动距离超过圆半径R时,场强急剧下降，为60dB/每10倍距离；当移动距离超过圆半径3R时,场强的衰减变得比较平缓约为20dB/每10倍距离。
当天线与应答器线圈垂直作用时，安装高度Y方向的场强曲线(H)可用下式计算:
H=
I⋅N⋅Y22(R2+Y2)3
式中N=线圈匝数；R:圆半径；Y=Y轴偏离线圈中心的距离。 2、应答器的工作电源
应答器的电源是由感应电压获取，在应答器线圈中，应答器最小动作磁场强度Hmin，由下列公式求出：
⎡ω⋅L2⎤⎡R⎤μ2⎢+ω⋅R2⋅C2⎥+⎢1-ω2⋅L2⋅C2+2⎥
RL⎦⎣RL⎦⎣
Hmin=
ω⋅μ0⋅A⋅N
式中: R2=输入电阻，RL=线圈电阻，N=1匝；A=面积；μ0=1。
上述两个公式是应答器设计的基础，在频率、线圈结构一定的条件下，可计算出应答器临界动作的最小磁场强度，进而得出天线发射功率。
3、应答器工作方式及功能
●接收电能信号：探测、解调远程能量信号
●上行链路信号产生，该功能是应答器通过接口A1向车传载传送报文 ●启动时的方式选择，是发送自身存储的报文还是发送接口C来的报文 ●串音防护：对上行链路的限制 ●操作/编程模式的管理 ●接收来自接口C的数据
22
●I/O接口特性的控制 ●产生“列车通过”信号 4、无线编程
此功能允许对应答器进行无线编程和维护。执行这个过程不需要任何电缆的插拔，这就保证了安全等级。
无线编程具有下列功能： ●应答器报文的读写
编写的报文长度可以是1023或341位（分别有830和210位用户位）。报文可以改写。
●应答器制造商数据的读出。
包括制造商认证、序列号、制造日期等数据 电路板原理框图
图 错误！文档中没有指定样式的文字。-2应答器原理框图
电路板原理框图 错误！文档中没有指定样式的文字。-2如所示，其工作过程如下： 当车载天线接近应答器时，应答器的耦合线圈感应到27MHz的磁场，能量接收电路将其转化为电能，从而建立起应答器工作所需要的电源，此时，应答器开始工作。
应答器控制模块是整个电路的控制核心，当电源建立后，它首先判断由C接口来的数据是否有效，若该数据无效或无数据，控制模块使用存储在报文存储器中的数据，将其进行FSK调制后，输出到数据收发模块，经功率放大后，由耦合线圈发送。只要电源存在，控制模块就不间断地发送，这意味着车载天线一直在应答器上方。
当控制模块上电时，判断出C接口的数据有效，则控制模块将发送C接口传来的数据。
一旦控制模块作出报文选择（选择存储的数据还是C接口传来的数据），在这次上电的工作周期内，无论C接口数据有效与否，应答器都不会改变发送的数据。
当车载天线离开应答器上方后，应答器失去了电源，便停止数据发送。
C接口工作电源仅用于该接口电路部分，不给控制模块和数据收发供电，因此，
有源应答器也只有在车载天线出现时才发送数据。
制造数据存储器的数据只能被报文读写工具读取。
第18讲 应答器
一、应答器结构
应答器的主要用途是向车载ATP控制设备提供可靠的地面固定信息和可变信息。 应答器系统是一种采用电磁感应原理构成的高速点式数据传输设备，用于在特定地点实现地面与机车间的相互通信。安装于两根钢轨中心枕木上的地面应答器不要求外加电源，平时处于休眠状态，仅靠瞬时接收车载天线的功率而工作，并能在接收到车载天线功率的同时向车载天线发送大量的编码信息。安装于机车底部的车载天线不断向地面发送功率并在机车通过地面应答器时接收来自应答器的编码信息。
当列车经过无源应答器上方时，无源应答器接收到车载天线发射的电磁能量后，将其转换成电能，使地面应答器中的电子电路工作，把存储在地面应答器中的1023位数据报文循环发送出去，直至电能消失（即车载天线已经离去）。
通过报文读写工具BEPT可以向改写无源应答器的数据报文。 通过BEPT可以对无源应答器存储的数据报文进行读出、校核。 有源应答器通过与LEU的连接，可实时改变传送的数据报文。 当与LEU通信故障时（接口“C”故障），有源应答器可以自动切换到无源应答器工作模式，发送缺省报文。
阿尔斯通的有源应答器和无源应答器完全相同，通过电缆及插接件与LEU连接，就做为有源应答器使用；
下面主要描述阿尔斯通应答器。 二、应答器机械特性
应答器由壳体（黄盒子）、电路板、灌封材料构成。壳体是玻璃纤维类材料热压而成；电路板厚度为3.2mm，安装在壳体内，它包含了用于发送和接收的电磁感应耦合线圈。
应答器外部尺寸：长480 mm 宽350 mm 高70 mm
重量：约7公斤 三、应答器抗杂物理能力
欧洲标准中，对应答器定义了2个等级的抗杂物能力，A级和B 级，A级更为严格，其指标如表 1所示。
四、应答器运用环境
●运行温度范围： -40℃到+70℃ ●冷却 ：自然对流
●储存：-40℃到+70℃，在最后的检查和测试之后小于5年
●震动：符合EN50125-3（表5）
●抗震：根据标准EN60068-2-75，符合摆锤打桩机冲击试验，根据标准的表格2，最高级别是20 J
●抵抗行人踩踏以2000 N的最大力在安装的应答器上行走的可能性 ●湿度范围：根据EN60721-3-4表格1，为等级4K3 ●压力范围：根据EN60721-3-4表格1，为等级4K3 ●风：根据标准EN60721-3-4表2（50m/s）等级为4Z5 ●防护等级：根据标准EN 60529，为IP68
●太阳辐射：根据EN 60721-3-4表1分类，为4K3 ●生物：根据EN 60721-3-4表3分类，为4B2
●机械：根据EN 60721-3-4表5分类，为4S4 ●MTBF：λ = 2,869.10-6/h / +40℃ ●使用年限：大于20年
●安全：根据EN50129，为SIL4（电气系统）
五、应答器工作原理
1、电磁感应的基本原理
车载天线与应答器之间是按电感耦合的原理进行工作的，如图 错误！文档中没有指定样式的文字。-1所示，当能量频率≤30MHz时，磁场起着主导作用，电场起着次要作用 。
图 错误！文档中没有指定样式的文字。-1天线与应答器之间的作用原理图 为便于分析，将矩形线圈按面积等效成圆型线圈计算。
如果被测线圈沿X轴方向运动，那么场强H随着距离X的增加不断减弱。当被测线圈沿线圈X轴方向移动距离超过圆半径R时,场强急剧下降，为60dB/每10倍距离；当移动距离超过圆半径3R时,场强的衰减变得比较平缓约为20dB/每10倍距离。
当天线与应答器线圈垂直作用时，安装高度Y方向的场强曲线(H)可用下式计算:
H=
I⋅N⋅Y22(R2+Y2)3
式中N=线圈匝数；R:圆半径；Y=Y轴偏离线圈中心的距离。 2、应答器的工作电源
应答器的电源是由感应电压获取，在应答器线圈中，应答器最小动作磁场强度Hmin，由下列公式求出：
⎡ω⋅L2⎤⎡R⎤μ2⎢+ω⋅R2⋅C2⎥+⎢1-ω2⋅L2⋅C2+2⎥
RL⎦⎣RL⎦⎣
Hmin=
ω⋅μ0⋅A⋅N
式中: R2=输入电阻，RL=线圈电阻，N=1匝；A=面积；μ0=1。
上述两个公式是应答器设计的基础，在频率、线圈结构一定的条件下，可计算出应答器临界动作的最小磁场强度，进而得出天线发射功率。
3、应答器工作方式及功能
●接收电能信号：探测、解调远程能量信号
●上行链路信号产生，该功能是应答器通过接口A1向车传载传送报文 ●启动时的方式选择，是发送自身存储的报文还是发送接口C来的报文 ●串音防护：对上行链路的限制 ●操作/编程模式的管理 ●接收来自接口C的数据
22
●I/O接口特性的控制 ●产生“列车通过”信号 4、无线编程
此功能允许对应答器进行无线编程和维护。执行这个过程不需要任何电缆的插拔，这就保证了安全等级。
无线编程具有下列功能： ●应答器报文的读写
编写的报文长度可以是1023或341位（分别有830和210位用户位）。报文可以改写。
●应答器制造商数据的读出。
包括制造商认证、序列号、制造日期等数据 电路板原理框图
图 错误！文档中没有指定样式的文字。-2应答器原理框图
电路板原理框图 错误！文档中没有指定样式的文字。-2如所示，其工作过程如下： 当车载天线接近应答器时，应答器的耦合线圈感应到27MHz的磁场，能量接收电路将其转化为电能，从而建立起应答器工作所需要的电源，此时，应答器开始工作。
应答器控制模块是整个电路的控制核心，当电源建立后，它首先判断由C接口来的数据是否有效，若该数据无效或无数据，控制模块使用存储在报文存储器中的数据，将其进行FSK调制后，输出到数据收发模块，经功率放大后，由耦合线圈发送。只要电源存在，控制模块就不间断地发送，这意味着车载天线一直在应答器上方。
当控制模块上电时，判断出C接口的数据有效，则控制模块将发送C接口传来的数据。
一旦控制模块作出报文选择（选择存储的数据还是C接口传来的数据），在这次上电的工作周期内，无论C接口数据有效与否，应答器都不会改变发送的数据。
当车载天线离开应答器上方后，应答器失去了电源，便停止数据发送。
C接口工作电源仅用于该接口电路部分，不给控制模块和数据收发供电，因此，
有源应答器也只有在车载天线出现时才发送数据。
制造数据存储器的数据只能被报文读写工具读取。