基于硬件在環(huán)仿真的應答器實驗系統(tǒng)設計

韓笑

摘要：隨著列車運行速度不斷提高，運行密度逐漸加大，列車運行的安全問題得到越來越多的重視。應答器作為一種具有高速度、高信息量以及高可靠性的點式數(shù)據(jù)傳輸設備，在鐵路系統(tǒng)中被廣泛應用。但鐵路現(xiàn)場設備笨重且昂貴，難以滿足鐵路院校的教學需要。因此，本文利用硬件在環(huán)仿真技術，以LabWindows/CVI為開發(fā)平臺，設計應答器教學實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)旨在幫助學生掌握應答器工作原理，培養(yǎng)相關專業(yè)技能、創(chuàng)新意識以及實踐動手的能力。

關鍵詞：應答器;硬件在環(huán)仿真;實驗系統(tǒng)

中圖分類號：TP274.2??????? 文獻標志碼：A

一、引言

應答器作為點式地—車信息傳輸設備，是列車車載設備從地面獲取獲取信息來源的重要設備，具有十分重要的地位。傳統(tǒng)的實踐教學方式，學生很難實際參與其中，教學效果不理想。因此，本文利用硬件在環(huán)仿真（Hardware in the loop）技術，以LabWindows/CVI為開發(fā)平臺，設計應答器教學實驗系統(tǒng)，旨在使學生熟悉實際應答器設備及其工作原理，深入了解應答器的關鍵技術問題，探究綜合應用專業(yè)基礎理論知識分析與解決實際問題的方法，培養(yǎng)相關專業(yè)技能、創(chuàng)新意識以及實踐動手能力。

二、應答器及硬件在環(huán)仿真技術

（一）應答器

應答器是安裝在鐵路沿線向車載子系統(tǒng)發(fā)送報文信息的傳輸設備，其中存儲的報文信息為列車的正常運行提供了強大的信息支撐，是整個信號系統(tǒng)安全體系中不可或缺的部分。目前，鐵路上使用的應答器采用RFID（Radio Frequency Identigication，射頻識別）技術。列車運行時，應答器和列車系統(tǒng)之間利用電磁感應實現(xiàn)雙向通信。應答器是一個在列車經(jīng)過時需要車載設備發(fā)送能量信號的從設備^[1]。

（二）硬件在環(huán)仿真技術

硬件在環(huán)仿真也稱半實物仿真，它為物理部件創(chuàng)造一個模擬實際環(huán)境的仿真環(huán)境，利用物理部件實物與仿真系統(tǒng)共同完成仿真過程。硬件在環(huán)仿真技術使得無法準確建立模型的部件直接進入仿真回路，通過計算機與應用軟件、硬件及其驅動軟件來共同完成數(shù)據(jù)采集、分析及結果顯示等功能。系統(tǒng)采用虛擬儀器，以計算機作為系統(tǒng)控制器、由軟件實現(xiàn)人機交互和大部分儀器功能，具有靈活性和擴展性強、性價比高、擁有良好人機界面等的特點^[2][3]。硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分構成，其硬件系統(tǒng)包括通用計算機和外圍硬件設備;軟件系統(tǒng)包括操作系統(tǒng)、儀器驅動和應用軟件三個層次。操作系統(tǒng)可以選擇Windows 9x/NT/2000/7/10、SUN OS、Linux等;儀器驅動軟件是直接控制各種硬件接口的驅動程序;應用軟件通過儀器驅動實現(xiàn)與外圍硬件模塊的通信連接。

三、教學實驗系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

基于硬件在環(huán)仿真的應答器教學實驗系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分兩部分組成，其系統(tǒng)總體結構框圖如圖2.1所示。

（一）硬件設計

應到期教學實驗系統(tǒng)硬件部分包括：計算機、數(shù)據(jù)采集卡、功率放大器、車載硬件設備、地面硬件設備。基礎硬件組成部分主要為臺式計算機，完成控制管理、數(shù)據(jù)處理、存儲顯示等功能;數(shù)據(jù)采集卡是機車信號信息的產(chǎn)生和接收設備，采集模擬信號并將其轉換為數(shù)字信號;功率放大器將發(fā)射信號放大，使其能夠驅動車載設備和地面設備;車載硬件設備用于發(fā)送多頻信號，同時接收地面設備發(fā)送的信號;地面硬件設備用于向車載設備發(fā)送特定頻率信號的實物模型，不同頻率的信號可表示不同的信息。

每個諧振單元對應一個特點的頻率點并代表相應的信號，地面設備根據(jù)實際的列車運行情況控制多路選擇開關接通相應的諧振單元與天線，列車經(jīng)過時，由車載設備發(fā)送激勵信號，地面設備通過天線接收激勵信號后回饋對應諧振點的頻率信號，即將相應信號發(fā)送給列車，實現(xiàn)車地通信。

（二）軟件設計

為完成實驗任務，數(shù)據(jù)采集卡的啟動、采集卡的采集參數(shù)的設置、軌道電路信號的調(diào)制、發(fā)送、接收、解調(diào)，數(shù)據(jù)的顯示和存儲均由軟件來控制和實現(xiàn)。軟件總體結構框圖如圖2.2所示。

1.信號發(fā)生功能

息的目的。本系統(tǒng)所設計的車載信號源由若干個頻率、相位、幅值確定的正弦信號，采用遺傳算法疊加組成，并配置數(shù)據(jù)采集卡利用其模擬輸出功能產(chǎn)生。

2.采集、解調(diào)功能

通過數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入通道對軌道電路中電信號進行采集、保存和解調(diào)。用戶可設置采樣通道、采樣時間、采樣率等信息。其軟件流程圖如圖2.4所示。

四、教學實驗系統(tǒng)功能仿真驗證

發(fā)碼器發(fā)出的激勵信號由十個正弦信號疊加成的正弦掃頻信號模擬，車載通信天線與地面設備通信天線使用變壓器進行模擬（事實上當列車通過地面設備時，車載天線和地面設備天線直接就相當于構成了一個變壓器，因此可以這樣仿真），諧振單元使用電感電容構成，由多路開關代替多路選擇器，方便仿真時人工操作選擇相應頻率點測試通信性能，當所有開關都斷開時，沒有任何一個諧振點被接通，相當于列車沒有通過地面設備，接通某個開關后，發(fā)送的激勵信號中某個頻率產(chǎn)生諧振，相當于列車通過某個信號設備。

五、結束語

本文針對機車信號設備在實驗室中進行教學實驗使用不方便的實際情況，運用數(shù)據(jù)采集卡等硬件設備以及Lab Windows/CVI的軟件開發(fā)環(huán)境，開發(fā)出一套基于硬件在環(huán)仿真的應答器教學實驗系統(tǒng)。為應答器教學實驗提供了新的實驗平臺和環(huán)境，突破了傳統(tǒng)儀器設備在數(shù)據(jù)實時處理，交換，數(shù)據(jù)顯示、存儲，共享等諸多方面的限制。使用戶可根據(jù)教學實驗內(nèi)容的需要，對儀器的系統(tǒng)功能通過軟件編程實現(xiàn)自由組合

參考文獻：

[1]? 王亞舉.高速鐵路列控系統(tǒng)中應答器維護探究[J].通訊世界，2017（07）：290.

[2]? 楊勇，儲云澤，奚嘯天.硬件在環(huán)仿真測試技術及其在船舶行業(yè)中的應用現(xiàn)狀[J].造船技術，2018（04）：62-65.

[3]? 朱輝，王麗清，程昌圻.硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的軟硬件基礎[J].小型內(nèi)燃機，1998（06）：24-28.

基金項目：2019年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目（鐵路電務設備故障管理研究，2019KY1571）

（作者單位：柳州鐵道職業(yè)技術學院）