Système permettant d'éviter le rattrapage des trains circulant dans le même sens sur une même voie, le cantonnement (ou block-system) consiste à découper la voie en sections, appelées cantons ou sections de block, dans lesquelles n'est admis qu'un seul train à la fois. Le sémaphore est le signal qui indique si un canton est occupé ou libre ; il est donc placé en gare avant le canton qu'il gère : celui côté Andelot-en-Montagne pour le canton Andelot - Champagnole, l'autre pour le canton Champagnole - Saint-Laurent (si cette gare est ouverte) ou Morez. Chacun des deux sémaphores de Champagnole est constitué d'une aile, en tôle emboutie peinte en rouge avec encadrement par un filet blanc, qui, pivotant sur un axe central, peut être en position horizontale (arrêt) ou verticale (voie libre). Fixée en haut d'un mât métallique, accessible par une échelle, cette aile est actionnée, via un câble en acier, par un moteur électrique Mors (moteur de signal le plus répandu en France) disposé au bas du poteau et abrité dans un coffre métallique. L'alimentation électrique du moteur est assurée par une batterie de 8 volts, placée dans un boîtier en fonte d'aluminium fixé sur le mât. Elle est commandée par un électroaimant : lorsque ce dernier est excité, il laisse passer le courant et le moteur peut actionner le levier auquel est fixé le câble. Tant que l'électroaimant est sous tension, il s'oppose à l'action du contrepoids (situé à l'arrière de l'aile) qui, par défaut, ramène le signal en position horizontale. Le poteau porte également en partie haute une signalisation lumineuse, composée de deux lampes (une rouge pour l'arrêt et une verte pour la voie libre), et deux flèches pointe vers le bas, indiquant que cette signalisation concerne les deux voies existant à cet endroit. Commandé depuis le bureau de l'agent de circulation à l'aide du poste à verrous commutateurs à manettes, le sémaphore pilote en outre le fonctionnement des barrières du passage à niveau proche (n° 7 côté Andelot-en-Montagne, n° 8 côté La Cluse).