基于嵌入式的軌道交通聯鎖控制實驗系統

曹李竹，周慶飛

1.滇西科技師范學院信息科學與技術系，云南臨滄 677000 2.航天恒星科技有限公司，北京 100044

基于嵌入式的軌道交通聯鎖控制實驗系統

曹李竹1，周慶飛2

1.滇西科技師范學院信息科學與技術系，云南臨滄 677000 2.航天恒星科技有限公司，北京 100044

軌道交通聯鎖實驗系統是現代高校鐵路信號專業教學中很重要的實驗設備，能實現對鐵路現場各個設備的高度仿真，學生可以通過實驗系統對實際的鐵路系統有一個比較好的認識。本文中通過設計一個基于嵌入式的模擬鐵路系統，學生可以通過它清楚地看到鐵路現場各設備的工作狀況。譬如道岔如何扳動、軌道如何斷電給點、聯鎖控制如何實現等。

聯鎖控制；實驗系統；嵌入式

鐵路信號系統，作為鐵路運輸系統的一個重要組成部分，其主要功能為指揮行車、保證行車安全、提高運輸效率和改善勞動條件，其首要任務是保證行車安全，它既要保證區間行車安全，又要保證車站行車安全[1]。為了保證安全，就必須使信號機、進路、和道岔三者之間有著一定的相互制約關系，這種關系稱為聯鎖。

本文中通過設計一個基于嵌入式的模擬鐵路系統，學生可以通過它清楚地看到鐵路現場各設備的工作狀況。譬如道岔如何扳動、軌道如何斷電給點、聯鎖控制如何實現等。

1 系統設計

為達到與鐵路現場一致的效果，系統搭建了模擬軌道交通現場設備的軌道交通沙盤，沙盤主要由鐵路現場室外設備信號機、道岔、軌道電路等組成的真實車站系統，學生需要自行設計上位機人機交互層、單片機聯鎖運算層、驅動采集接口層來實現對沙盤車站系統的控制，實現列車正、側線接發車。學生可以自行選擇VB、MFC、C#、JAVA等各種語言編寫上位機顯示程序，通過串口對單片機聯鎖系統發送指令，由單片機通過接口電路對沙盤的模擬軌道、信號燈、道岔進行信號驅動與采集。實驗過程需要學生自行搭建驅動采集接口板、連接單片機控制電路、設計單片機聯鎖程序及上位機顯示程序。

1.1 系統設計

本軌道交通聯鎖控制實驗系統主要由三個部分組成：上位機終端（人機界面）、控制系統和模擬軌道（包括轉轍機、信號機、軌道電路）三部分組成。三個部分之間的關系如圖1所示。

1.2 人機界面

其中上位機終端部分實際上就是為模擬車站配備一個人機交互設備，人機交互界面是一個模擬控制中心，能對模擬鐵路現場的沙盤中的各個設備進行控制。包括道岔的狀態、信號機狀態、軌道上直流電源的極性等進行控制。同時在人機界面可以通過實驗系統的站場圖實時觀察具體的進路選擇信息，實時監控仿真火車的具體位置、信號機狀態、道岔狀態和軌道區段的占用狀態[2]。人機界面如圖2所示。

圖1 實驗系統組成

圖2 人機交互界面

1.3 控制系統

控制系統是本系統中最為核心的部分，該部分包括開關量功率輸出模塊，軌道電路板、開關量輸入模塊的設計方案。控制系統的核心處理器是lms615芯片，它能控制所有設備信號的輸入、輸出功能。控制系統的功能框圖如圖3所示。

圖3 控制系統功能框圖

其中最小系統包括一個嵌入式系統最基本的組成：電源、時鐘和復位電路、CPU等。

輸出模塊（即驅動模塊）用來控制系統中的道岔轉轍機、信號機，同時也驅動控制軌道供電電路中的繼電器，通過改變繼電器的狀態來改變軌道絕緣區段上機車動力直流信號電源的極性[3]，從而控制火車的行駛方向。其中輸出驅動電路由ULN2004A芯片完成。輸入模塊（即采集模塊）用來采集道岔轉轍機的定位、反位狀態，絕緣區段的車輛占用狀態[3]。采集到的各個狀態將在上位機的站場圖中顯示出來。同信號輸出部分相同，控制采集板采集開關量信息，光電耦合隔離芯片仍然選用TLP521-4芯片，一片TLP521-4．能夠采集4路信號。模擬軌道部分主要由軌道電路、道岔、信號機構成。

本實驗系統采用了如下電路模式：用軌道直接向機車提供直流電源；采用開路式交流軌道電路對軌道的占用和出清進行檢測；采用磁環和干簧管完成對道岔定位、范圍表示的采集。

本系統現已成功應用于車站信號自動控制及鐵道信號課程設計等實驗教學課程。軌道交通聯鎖控制實驗主要用于軌道交通聯鎖控制原理的學習與實踐驗證，學生根據確定的進路、道岔、信號機之間的關系，編制聯鎖表，以此作為編程與控制依據，編寫單片機聯鎖邏輯控制信號機、進路、道岔之間的聯鎖關系，從而實現演示系統的聯鎖性能。

2 創新點

1）科研成果教學化。軌道交通實驗系統作為北京交通大學電子信息工程學院國家電工電子教學基地創新中心科研成果，通過對實驗系統主要功能的提取與分解，將科研演練系統轉化為可由學生動手實驗的軌道交通聯鎖控制實踐教學平臺，該科研平臺自應用于教學以來，深受學生歡迎，開創了科研成果教學化的新篇章，為更多科研成果轉化為教學平臺提供了參考。

2）因材施教多樣化。本實驗系統僅為學生提供功能性及視覺性參考，在實際教學中由學生自行搭建復原整個系統，但對操作及實現方式不作要求，學生可以選擇性使用VB、C++、C#、JAVA等軟件制作上位機顯示終端，也可以選擇單片機、ARM、DSP等控制器設計控制器，學生可自由選擇熟悉或渴望學習的軟硬件平臺，大大地提高了學生學習和實踐的興趣，因材施教培育多樣化人才。

3）理論教學實踐化。軌道交通聯鎖控制涉及車站信號自動控制等鐵道信號專業課程，但由于校內鐵路現場設備缺乏等現狀，學生往往對專業課程、實際設備工作原理理解不到位，本實驗系統通過將課內知識實踐化，通過學生動手實踐加深對專業課程的認識與理解。

3 作品新穎性、實用性，與教學結合情況

1）新穎性。軌道交通聯鎖控制系統是現代鐵道信號專業教學迫切需要的設備，它將鐵道信號微機聯鎖科研成果應用于本科生實踐教學，開創了科研成果教學化的新篇章；本作品與鐵道信號卓越工程師人才培養相結合，為卓越工程師人才培養提供了新途徑；本作品以學生中心因材施教，融合多學科、多技術手段，培育綜合性、多樣化人才，開創了人才培養的新模式。

2）實用性。軌道交通聯鎖控制系統以車站聯鎖技術為學習點，可實現對模擬軌道沙盤的控制，實現列車正、側線接發車過程，實驗允許學生自行動手替換上位機終端、單片機聯鎖控制器、驅動采集接口板等，操作具體，實用性較強，是卓越工程師人才培養的實踐教學平臺。

3）與教學結合情況。軌道交通聯鎖控制系統依托車站信號自動控制、鐵道信號課程設計等課程，自2008年系統研發應用至今每年培育鐵道信號專業兩個班約60人，本作品可加深學生對車站聯鎖控制理論知識的理解，提高學生實際操作的能力，達到知行相成的效果。

[1]張佳楠.基于嵌入式系統的車站信號安全軟件設計與實現[D].北京交通大學，2006.

[2]李娟.基于軌道交通聯鎖控制實驗系統的軟件設計[J].鐵路計算機應用，2011.

[3]翟國銳.軌道交通實驗控制系統的研究[D].北京交通大學，2008.

TP3

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1674-6708（2015）150-0161-02