鐵路運(yùn)輸仿真實(shí)驗(yàn)平臺硬件系統(tǒng)設(shè)計

鄔芝權(quán)，翟 旭，靳 桅

（西南交通大學(xué) 計算機(jī)與通信工程系，峨眉山 614202）

鐵路運(yùn)輸仿真實(shí)驗(yàn)平臺硬件系統(tǒng)設(shè)計

鄔芝權(quán)，翟 旭，靳 桅

（西南交通大學(xué) 計算機(jī)與通信工程系，峨眉山 614202）

針對仿真鐵路現(xiàn)場的沙盤縮略模型，設(shè)計硬件控制系統(tǒng)，特別是信號機(jī)和道岔的專用驅(qū)動電路，使上位機(jī)能控制沙盤上的信號設(shè)備和采集信號設(shè)備的狀態(tài)，以利于鐵路運(yùn)輸各個功能的仿真。本項(xiàng)目采用了Visio，Altium Designer，keil uvision4工具，完成了接口電路、信號機(jī)驅(qū)動電路、道岔驅(qū)動電路的設(shè)計，并為上位機(jī)提供二次開發(fā)接口。最終上位機(jī)通過二次開發(fā)接口，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)對沙盤上設(shè)備的控制和狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集讀取的測試。

實(shí)驗(yàn)平臺；鐵路運(yùn)輸；硬件系統(tǒng)；二次開發(fā)接口

鐵路運(yùn)輸仿真實(shí)驗(yàn)平臺是西南交通大學(xué)鐵路運(yùn)輸管控一體實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目的一個組成部分。其設(shè)計思路是構(gòu)建鐵路運(yùn)行過程仿真環(huán)境，在基于現(xiàn)場的沙盤縮略模型上，構(gòu)建信號、道岔、軌道電路、車輛等實(shí)物對象，通過硬件系統(tǒng)對實(shí)物對象進(jìn)行控制，使之能實(shí)現(xiàn)對各對象的作業(yè)過程及相應(yīng)的控制過程仿真。鐵路運(yùn)輸仿真實(shí)驗(yàn)平臺硬件系統(tǒng)是在上位機(jī)運(yùn)行的鐵路運(yùn)輸管理控制軟件和沙盤信號設(shè)備之間的中間設(shè)備,既要和上位機(jī)通信，又要控制和檢測沙盤上的信號設(shè)備，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

本硬件系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)在于它周期性地采集沙盤信號設(shè)備狀態(tài)信息，將變化的狀態(tài)及時回送給上位機(jī)。因此，可以在沙盤上對信號設(shè)備或線路設(shè)置故障，既可以培訓(xùn)學(xué)員查找和排除故障的能力，也可以訓(xùn)練學(xué)員在故障出現(xiàn)后的應(yīng)急處理能力和預(yù)案實(shí)施能力。硬件系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容包含接口和協(xié)議，信號燈驅(qū)動及檢測、道岔驅(qū)動及檢測3個部分，發(fā)車表示器和緊急停車按鍵可以采用信號燈驅(qū)動及檢測電路來完成。

圖1 鐵路運(yùn)輸仿真實(shí)驗(yàn)平臺的結(jié)構(gòu)示意圖

1 硬件系統(tǒng)接口及協(xié)議

硬件系統(tǒng)接口的設(shè)計要綜合考慮信息通信速度、數(shù)據(jù)格式、抗干擾性、沙盤布線便捷性、實(shí)時性和可擴(kuò)展性等因素。對沙盤上的信號設(shè)備控制和數(shù)據(jù)采集具有2個特點(diǎn)：（1）數(shù)據(jù)都是開關(guān)量信號，數(shù)據(jù)量不大；（2）信號設(shè)備主要集中在車站部分,站內(nèi)部布線較多但線路短,站間布線較少但線路長。在綜合分析USB、網(wǎng)絡(luò)、WiFi和RS232，RS485等類型接口后，RS-485接口具有組網(wǎng)簡單、抗干擾性強(qiáng)、接口芯片價格便宜、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，比較適合于沙盤的控制接口。最后選擇的組網(wǎng)方案是：一個硬件系統(tǒng)管理一個或相鄰近的幾個站，各個硬件系統(tǒng)之間采用RS485通信來組網(wǎng)，并連接至上位機(jī)。RS-485接口示意圖如圖2所示，接口芯片為MAX485，通信接口端使用120 Ω終端電阻，穩(wěn)壓管接地作為瞬態(tài)保護(hù)，接口始終處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，當(dāng)UART有數(shù)據(jù)發(fā)送時切換為發(fā)送模式。

圖2 通信接口示意圖

RS485為半雙工通信模式，通信時需由上位機(jī)決定和哪一個控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通信協(xié)議設(shè)計參照modbus協(xié)議，格式如表1所示。一幀數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)包含同步字符、地址、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)和校驗(yàn)。

表1 通信協(xié)議格式

為了區(qū)別數(shù)據(jù)流動的方向，從上位機(jī)至沙盤流向的數(shù)據(jù)幀的同步字符使用0x55，返回的數(shù)據(jù)幀使用的同步字符為0xAA。車站地址為控制系統(tǒng)中固化的一個地址，具有唯一性。命令字包含讀寫車站地址，讀寫道岔狀態(tài)，讀寫信號燈狀態(tài)，寫發(fā)車表示器，讀緊急停車按鍵狀態(tài)等。數(shù)據(jù)幀的第3字節(jié)決定數(shù)據(jù)長度，最后一個字節(jié)為校驗(yàn)字。

2 信號燈驅(qū)動及檢測

信號燈采用LED來制作，驅(qū)動信號燈的電路比較簡單，但要檢測信號燈狀態(tài)，特別是信號燈數(shù)量多的時候，就顯得比較復(fù)雜。信號燈的正常工作狀態(tài)有亮不亮2種狀態(tài)，故障狀態(tài)有短路、斷路和接地3種狀態(tài)。由于LED在點(diǎn)亮?xí)r有不同的壓降值，紅、黃色在1.8 V～2.5 V之間，綠色在2.7 V～3.3 V之間。根據(jù)此特點(diǎn)，可以通過檢測LED在導(dǎo)通情況下是否存在規(guī)定范圍的壓降來判斷LED是否點(diǎn)亮或處在何種故障狀態(tài)。為了測量LED的壓降，可以采用A/D方法來采樣，但這種方法需要使用微控單元（MCU）許多IO口和消耗大量采樣轉(zhuǎn)換時間，不利于在信號燈數(shù)量比較多的情況下使用。西南交通大學(xué)的鐵路沙盤教學(xué)模型上共有860個需控制的燈位，燈位置分散，數(shù)量多。根據(jù)CMOS門電路翻轉(zhuǎn)的輸入電平閥值總是為電源的1/2，是隨電源波動的。根據(jù)這些特點(diǎn)，對一個正常點(diǎn)亮的LED燈的壓降進(jìn)行測量，在測量點(diǎn)外接電阻網(wǎng)絡(luò)，使不同的輸入得到不同的邏輯值，從而快速判斷出LED的各種狀態(tài)。根據(jù)這些原理，設(shè)計了信號燈驅(qū)動及檢測卡，每個板卡能管理32個燈位，板卡之間采用統(tǒng)一的串行總線，可以級聯(lián)。板卡的原理如圖3所示，板卡之間級聯(lián)的總線使用74HC245驅(qū)動，信號燈的控制數(shù)據(jù)通過CMOS工藝制造的串入并出移位寄存器74HC595送出。檢測數(shù)據(jù)采用CMOS工藝制造的并串入出移位寄存器74HC165送至MCU。每個信號燈需要使用74HC595和74HC165兩個點(diǎn)位。

在圖3中，當(dāng)要控制序號為x燈位的信號燈時，控制數(shù)據(jù)需送至74HC595的Q2x端，Q2x端輸出高低電平使信號燈Lx熄滅或點(diǎn)亮。當(dāng)檢測序號為x燈位的信號燈時，在Q2x端和Q2x+1端輸出00B、01B、10B和11B共4種狀態(tài)，讀回每種狀態(tài)的D2x端和D2x+1端的值，根據(jù)返回的邏輯值進(jìn)行分析就可以判斷出信號燈的狀態(tài)。

3 道岔驅(qū)動及檢測

以指示燈L0為例進(jìn)行說明，指示燈電路的輸入信號是Q0和Q1，輸出是D0和D1，當(dāng)信號燈處在不同的故障模式時，其輸入和輸出數(shù)據(jù)如表2。如果Q0和Q1端為00B、01B、10B和11B這4種狀態(tài)時，返回的4個D0和D1的值，由低位至高位構(gòu)成一個字節(jié)，其值為設(shè)備狀態(tài)值，如表2所示。

表2 信號燈在不同狀態(tài)下呈現(xiàn)的邏輯值

通過設(shè)備狀態(tài)值，可以判斷信號燈的故障狀態(tài)。要判斷信號燈的工作狀態(tài)，首先要判斷出信號燈是正常，讀回的設(shè)備狀態(tài)值為0xf8。這時，信號燈的工作狀態(tài)由Q0決定，Q0為0時，信號燈亮，Q0為1時，信號燈滅。

沙盤對道岔的控制采用24 V推拉式電磁鐵，其磁性對道岔有鎖緊功能。道岔的檢測采用非接觸式光電開關(guān)，正反位各裝一個。道岔驅(qū)動的數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)的傳輸通道和信號燈數(shù)據(jù)傳輸一致，驅(qū)動信號數(shù)據(jù)使用74HC595，采集到的數(shù)據(jù)采用74HC165回送。一個道岔的控制和檢測電路如圖4所示，道岔驅(qū)動的信號為74HC595的Q0腳，通過組合邏輯電路控制，可使L293D驅(qū)動轉(zhuǎn)轍機(jī)線圈電流正向、反向或無電流，使道岔搬動到不同位置。

道岔搬動時，帶動道岔聯(lián)接機(jī)構(gòu)，當(dāng)?shù)啦砺?lián)結(jié)機(jī)構(gòu)可靠到達(dá)定位（反位）檢測裝置一側(cè)時，檢測器就會輸出定（反）位脈沖信號。定位（反位）檢測電路首先采用反相器40106和電阻、電容構(gòu)成TTL反相RC振蕩器，輸出方波信號驅(qū)動紅外發(fā)光二極管，其中定位檢測電路的電阻是反位檢測電路電阻的2倍。故輸入到定位紅外發(fā)光二極管的驅(qū)動方波的頻率是反位的一半，這樣通過頻率來區(qū)別定位和反位脈沖的輸入。紅外接收二極管接收到信號后，將信號調(diào)理輸出至MCU進(jìn)行識別，識別后的道岔狀態(tài)通過74HC165的D0端回送至主控制卡。

轉(zhuǎn)轍機(jī)線圈采用直流24 V電源供電，其阻抗很小，長時間供電會燒毀線圈或驅(qū)動芯片L293D。當(dāng)保護(hù)MCU檢測到道岔控制到位后，會及時拉低L293的使能腳EN，切斷轉(zhuǎn)轍機(jī)線圈供電，達(dá)到保護(hù)目的。如果MCU不能檢測到道岔是否到位，MCU也會在0.4 s內(nèi)切斷轉(zhuǎn)轍機(jī)線圈供電，1 s后再行試探，如3次檢測到道岔不到位，也會切斷轉(zhuǎn)轍機(jī)線圈供電，故障數(shù)據(jù)通過74HC165的D1端回送至主控制卡。

4 硬件系統(tǒng)測試

整個硬件系統(tǒng)包括主控制卡、信號燈驅(qū)動及檢測卡、道岔驅(qū)動及檢測卡組成，板卡之間采用PCI插槽進(jìn)行級聯(lián)，主控制卡為上位機(jī)提供RS485接口和控制協(xié)議，信號燈驅(qū)動及檢測卡負(fù)責(zé)管理信號機(jī)、發(fā)車表示器和緊急停車按鍵，道岔驅(qū)動及檢測卡負(fù)責(zé)管理道岔。1套硬件系統(tǒng)包含1個主控制卡和數(shù)量不等的信號卡和道岔卡，安裝在1個控制箱內(nèi)，可以控制1個車站或相鄰的幾個車站。1個沙盤可能有多條線路，1條線路可以有多個控制系統(tǒng)，安裝在1個控制柜中，板卡實(shí)物和組裝后的控制柜如圖5所示。

圖4 道岔控制及檢測電路

上位機(jī)通過硬件系統(tǒng)的RS485接口可以控制和檢測信號設(shè)備狀態(tài)，可以驗(yàn)證鐵路運(yùn)輸?shù)母鱾€環(huán)節(jié)，也可以驗(yàn)證聯(lián)鎖軟件的邏輯關(guān)系。圖6是西南交通大學(xué)學(xué)生設(shè)計的計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)軟件在沙盤上測試的運(yùn)行情況，經(jīng)過多組學(xué)生實(shí)際操作，證明該硬件系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

鐵路運(yùn)輸仿真實(shí)驗(yàn)平臺硬件系統(tǒng)為上位機(jī)提供二次開發(fā)接口，提供協(xié)議，使上位機(jī)可以便捷的管理沙盤信號設(shè)備。沙盤信號設(shè)備不但能控制，還能檢測狀態(tài)，在仿真營運(yùn)環(huán)境的過程中可以設(shè)置故障狀態(tài)，以便訓(xùn)練培訓(xùn)人員的故障處理能力和應(yīng)急方案處理能力。仿真實(shí)驗(yàn)室能模擬在運(yùn)輸現(xiàn)場各個環(huán)節(jié)很難實(shí)現(xiàn)的狀況，為高校、鐵路局培訓(xùn)單位和研究部門的教學(xué)、培訓(xùn)和科研提供服務(wù)。

圖6 計算機(jī)聯(lián)鎖軟件在沙盤上的測試情況

責(zé)任編輯 方 圓

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Hardware System of railway transportation simulation experiment platform

WU Zhiquan, ZHAI Xu, JIN Wei
( Department of Computer and Communication Engineering, Southwest Jiaotong University, Emeishan 614202, China )

For the sand table thumbnail model of simulating railway scene, to control the status of signal device and signal acquisition device on the sand table through the upper computer, and in order to facilitate the simulation of various functions for railway transportation, the hardware control system was designed, and the dedicated driver circuits of signal lights and turnout were designed especially. The project adopted some tools such as Visio, Altium Designer and keil uvision4 to implement the design of interface circuit, signal lights driver circuit, turnout drive circuit. The secondary development interface was provided for the upper computer. The upper computer could control the device on the sand table, collect and read the status data through the secondary development interface.

experiment platform; railway transportation; Hardware System; secondary development interface

1005-8451（2015）06-0036-04

U29∶TP39

A

2014-11-12

教育部春暉計劃科研合作項(xiàng)目（2013CH012NM）。作者簡介：鄔芝權(quán)，實(shí)驗(yàn)師；翟 旭，講師。