可編程鐵路信號系統實驗儀的研制

趙志敏+陳輝

摘 要 鐵路信號系統設備在教學、員工培訓和產品開發中發揮著重要作用。采用DSP內核的單片機，開發出通用的硬件；采用VC++語言編寫上位機軟件，對通用的硬件進行仿真和編程，以實現不同鐵路信號的功能。該可編程鐵路信號系統實驗儀具有節約資金、提高設備利用率和占地面積小的優點。

關鍵詞 鐵路信號；可編程；實驗儀

中圖分類號：G484 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）16-0036-03

Abstract Railway signal system plays a significant role in teaching， training of staff and product development. The general hardware isdeveloped with microcontroller integrated a DSP kernel， and the software in PC is developed with Visual C++ language to simulate the function of railway signal experimental instrument， and the soft-ware program the general hardware to perform programmable the railway signal experimental instrument. The programmable railway signal experimental instrument has the advantages of saving funds， improving the utilization ratio of the equipment， small occupation area.

Key words railway signal； programmable； experimental instrument

1 引言

鐵路信號設備是組織指揮列車運行、傳遞信息、保障行車安全、增加鐵路運輸經濟效益及改善鐵路員工勞動條件的關鍵設施，是鐵路主要技術之一，它的裝備水平和技術水準也是一個國家鐵路現代化的重要衡量標準[1]。因此，鐵路信號的教學、鐵路信號員工的培訓、鐵路信號系統的研發都需要鐵路信號系統實驗儀。

對于鐵路類院校、軌道交通類院校而言，鐵路信號系統實驗儀的作用不言而喻。學生可以不出校門就在學校內找到和現場類似的信號系統，對熟悉現場環境和開展試驗都有很大的幫助。鐵路部門和軌道交通公司利用該系統，可以對鐵路信號的員工進行仿真模擬培訓，使其熟練掌握鐵路信號系統崗位的操作技能。一些從事鐵路信號產品研發的企業，由于測試的次數較多，不可能每次都去現場進行測試，能有一種隨時根據所需來模擬現場信號環境的設備，不僅可以方便測試，而且可以大大降低人力和物力成本。

國外在20世紀中期已經運用計算機模擬方法，研究解決鐵路運輸、控制問題，這些研究主要集中在點線能力協調、列車運行自動控制、路網工作指揮等方面，沒有涉及鐵路信號系統的實驗和仿真儀器。

2 實驗儀的功能

本次所研發的鐵路信號系統實驗儀，采用新型電子技術和計算機技術，不僅可以用軟件仿真現場鐵路信號系統，而且硬件可以和實際的鐵路現場信號相連接，實現存儲現場信號，反向控制現場相關機構的動作，同時其硬件具有可編程的功能，通過編程一套系統，可以實現軌道、道岔和車站不同的鐵路信號系統[2]。

仿真和編程功能 仿真和編程功能主要是通過上位機實現的。仿真功能主要是用戶根據需要，從元器件庫中選擇需要的元器件和模塊，搭建出所需要的實驗功能，實現軟件仿真的功能。編程功能是首先搭建出所需的信號儀的模型，然后將模型進行編譯，最后將程序下載到實驗儀中的功能。

信號輸出功能 信號輸出功能是實驗儀的核心功能，通過前期的編程，鐵路信號實驗儀可以輸出進路、道岔、信號燈等功能。

3 實驗儀的構成

根據可編程鐵路信號系統實驗儀的基本特點和要求，該設備的構成如圖1所示。

I/O模塊 I/O模塊完成輸入和顯示功能：輸入功能用按鍵輸入各種參數；顯示功能除了完成站上信號設備的顯示之外，還需根據其所顯示設備類型來承擔其應有的屬性，如進路顯示、道岔動作、信號燈轉換等功能。

電源模塊 根據系統的特點，電源模塊需提供一個低電壓、大電流的電源，并解決由此產生的發熱問題。考慮到現場的實際需要，電源模塊有電池接口，以外接電池進行供電。

控制模塊 根據實時性要求，控制模塊需要采用處理速度較高的處理芯片。此外，該模塊還應該有比較大的非易失存儲容量（用來存儲I/O模塊的內容）和較強的通信能力。

通信模塊 通信模塊主要解決與各I/O模塊、上位機或者其他信號處理系統之間的通信問題。

4 實驗儀硬件的實現

控制模塊 考慮到可編程鐵路信號系統實驗儀處理的實時性、計算的復雜性和接口的便利性，控制模塊在綜合比較了ARM+DSP、ARM+FPGA、單片機+DSP三種系統后，采用成本低、具有DSP功能的dsPIC33系列的高性能單片機。dsPIC33具有高速、低功耗的優點，同時具有PWM功能，在滿足通用控制要求的情況下，可以方便地實現開關電源功能。

和傳統MCU相比，dsPIC33在程序存儲器的內部結構上，具有“中斷向量表”和“備用中斷向量表”兩個中斷向量表，使得程序可以從兩個地方運行，結合RTSP（Run Time Self-Programming）功能，可以實現在線編程功能。和傳統修改參數的方法相比，采用dsPIC33的RTSP功能實現的在線編程，具有更高的可靠性。endprint

I/O模塊 I/O模塊硬件主要由PIC單片機、按鍵、LED顯示屏組成，其界面如圖2所示。按鍵有菜單鍵、確認件、取消鍵、四個方向的移動鍵、+鍵、-鍵。顯示屏采用16*16的LED，顯示的圖像內容和屬性可以根據車站信號的要求設置。其中內容圖像可以根據提供的標準模塊或是自行設計導入，而屬性會根據標準模塊而自行設定或是自行設計。

通信模塊 通信模塊主要采用USB和串行口通信協議。上位機和控制模塊采用USB2.0通信協議，同時可以外接USB設備，以方便現場調試的需要。dsPIC33單片機具有USB的host功能，其D+、D-和USB_D+、USB_D-直接相連即可，可以方便地實現USB協議。電源模塊、I/O模塊和控制模塊之間采用串行口的協議。考慮到系統的成本和速度，該協議利用的串行口不是真正的串行口，而是采用單片機模擬串行口的方式實現的。

電源模塊 電源模塊采用基于同步整流的Buck-Boost拓撲的開關程控電源，同時加入短路、過流和低電壓保護。利用dsPIC33自帶的ADC和PWM功能，方便實現電源模塊的各種功能。功率MOSFET選用的是MCP87050，MCP87050具有高速、低品質因數的優點，并且其導通電阻只有5.5 mΩ，非常適合做功率變換。在驅動方面，采用基于模擬信號的小型PWM控制器MCP19035，MCP19035具有出色的暫態性能，可在4.5～30 V DC的寬范圍內工作，開關頻率為300 kHz，并提供工廠可調節的死區設置。

5 實驗儀軟件的實現

上位機軟件 上位機軟件實現仿真現場鐵路信號系統和對實驗儀的編程功能，上位機軟件采用C++語言編寫。采用可視化、模塊化的方式形成不同的實驗功能，并通過下載功能，將實驗功能下載到控制模塊中，實現實驗儀的編程和離線使用功能。同時采用項目的管理方式，用戶可以將所編寫的實驗功能生成一個項目文件進行保存，以便后期進行修改使用[3]。

下位機軟件 下位機主要完成和上位機的通信，將上位機的特征信息寫入特定的Flash，也就是編程功能，同時完成輸入輸出操作、信號產生功能。

控制模塊的主程序流程圖如圖3所示。系統啟動后首先初始化，然后進行USB中斷處理，完成實驗儀的編程功

能；I/O串行口中斷處理，完成輸入和顯示功能；電源串行口中斷處理，完成信號的發生功能，同時更新顯示的內容。

I/O模塊的單片機程序主要完成鍵盤的檢測與處理、檢測外部信號的輸入和處理、顯示相應的圖形。其中鍵盤采用掃描的形式進行處理，外部輸入檢測和圖形顯示均采用串行口中斷的方式去實現。

電源模塊的單片機程序主要根據串行口中斷的數據和測量到的電壓、電流信號，通過相減求出誤差信號，然后改變PWM的參數，從而控制開關電源的輸出，以產生不同的輸出信號。同時，系統具有故障檢測和軟啟動功能。故障檢測功能檢查是否輸入欠壓、輸入過壓、輸出過壓、溫度超出限制。如果發生故障，將禁止PWM輸出，直到清除故障條件。軟啟動功能以閉環方式升高輸出電壓，使系統在PID控制環的工作范圍內。軟啟動的功能確保輸出不會超出期望的電壓，同時限制了啟動時的電流。

6 結論

通過采用單片機和相應的硬件、軟件，設計出可編程鐵路信號系統實驗儀。和其他實驗儀相比，該實驗儀主要具有以下功能：

1）實驗儀的每一個模塊都是通用的，通過編寫程序可以將其設定為軌道、道岔或是其他設備，可有效降低成本，同時減少設備占地面積；

2）實驗儀不僅能完成仿真功能，而且可以和實際的鐵路現場信號相連接，其功能和現場實際的鐵路信號系統相同；

3）通過可編程功能，使實驗儀不僅具有豐富的功能，而且今后通過軟件升級，就可以實現儀器設備的升級換代，延長了設備的使用壽命，降低了設備的使用成本。

參考文獻

[1]劉鑫東.鐵路信號設備的自動化控制技術探析[J].電子制作，2016（14）：66.

[2]趙永君.高職鐵路綜合演練場的設計與實施[J].中國教育技術裝備，2014（2）：51-53.

[3]明目科技.Visual C++從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2011.endprint