城市軌道交通運營安全模擬沙盤列車模型控制系統(tǒng)的設(shè)計*

陳岳劍 邢宗義 黃 超

(1.南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，210094，南京;2.同方人工環(huán)境有限公司，100080，北京∥第一作者，碩士研究生)

運營安全是城市軌道交通的基礎(chǔ)。城市軌道交通運營安全模擬沙盤可以模擬不同類型的事故或危險環(huán)境，并可進行不允許實際發(fā)生的重大事故的仿真實驗，從而為城市軌道交通安全運營積累經(jīng)驗和提供技術(shù)支持，在實際運營中減少或避免安全事故。城市軌道交通運營安全模擬沙盤的核心是列車模型控制系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)實現(xiàn)運營圖模擬、列車救援等功能。對列車模型控制系統(tǒng)功能的基本要求是能夠控制列車模型、道岔和信號燈，準(zhǔn)確判斷列車位置。

列車模型控制系統(tǒng)的功能通過工控機、可編程邏輯控制器(PIC)和單片機等實現(xiàn)［1-5］。文獻［1］開發(fā)的城市軌道交通綜合實訓(xùn)系統(tǒng)采用工控機控制沙盤站場設(shè)備，采用AT 96 總線連接各工控機，并設(shè)計了列車、信號燈和道岔控制電路。文獻［2］開發(fā)的軌道交通實驗控制系統(tǒng)采用工控機作為主站進行控制:由工控機通過功率輸出板實現(xiàn)信號機和道岔轉(zhuǎn)轍機的輸出控制，并同時用于驅(qū)動軌道供電電路的繼電器，實現(xiàn)列車的正反向行駛;通過開關(guān)量輸入板實現(xiàn)列車位置等信息的采集。采用工控機實施控制存在成本高、通用性差的缺點，不利于推廣應(yīng)用。文獻［3］開發(fā)的城市軌道交通ATC(列車自動控制)模擬系統(tǒng)采用調(diào)制解調(diào)器產(chǎn)生的軌道電流信號控制列車，采用MSP 430 單片機控制道岔、信號燈和列車定位，在PC(電腦)端運行調(diào)度軟件實現(xiàn)各個被控對象的模擬控制。但該系統(tǒng)未考慮分布式控制，現(xiàn)場道岔信號燈均集成在一塊控制板上，導(dǎo)致場景內(nèi)走線雜，系統(tǒng)可維護性較差。文獻［4］開發(fā)的鐵路運輸綜合演練沙盤采用C8051F330 單片機控制道岔、信號燈和進行區(qū)間定位，通過單片機控制接觸網(wǎng)供電從而對機車進行控制。但該系統(tǒng)未應(yīng)用數(shù)字電流控制技術(shù)，且機車采用接觸網(wǎng)與干電池聯(lián)合供電，使得系統(tǒng)兼容性較差。

本文提出一種基于485 總線的PIC 單片機分布式列車模型控制系統(tǒng)設(shè)計方案。根據(jù)城市軌道交通運營安全模擬沙盤仿真需要，該系統(tǒng)實現(xiàn)了列車模型方向及速度控制、道岔與信號燈控制、列車位置探測，并可通過串口與PC 端的上位軟件互聯(lián)，實現(xiàn)基于PC 端軟件的列車模型控制。

1 列車模型控制系統(tǒng)設(shè)備基本原理

列車模型控制系統(tǒng)的設(shè)備主要包括列車模型、道岔、信號燈、道岔轉(zhuǎn)轍機、列車定位設(shè)備等。由于主流的列車模型已經(jīng)配置了解碼模塊，因此，本文只介紹列車模型數(shù)字命令控制的原理，不再進行列車解碼器的開發(fā)工作，本節(jié)也不再贅述列車模型的基礎(chǔ)知識。信號燈一般采用簡單的發(fā)光二極管，采用開關(guān)量輸出驅(qū)動顯示，道岔根據(jù)實際需要采購現(xiàn)成的產(chǎn)品，因此本文對此也不再進行詳述。道岔轉(zhuǎn)轍機和列車定位有多種實現(xiàn)方式，實現(xiàn)方式是列車模型控制系統(tǒng)的核心，下文分步進行原理介紹及優(yōu)缺點分析。

1.1 列車模型數(shù)字直流控制

在列車模型控制系統(tǒng)中，模型列車通過金屬車輪獲取加載在軌道上的驅(qū)動電流，實現(xiàn)列車的速度及方向控制。

根據(jù)電流信號的不同，列車模型控制可分為直接直流控制(Direct Current，簡為DC)和數(shù)字命令控制(Digital Command Control，簡為 DCC)［6］。早期的DC 控制屬于模擬控制，通過加載電流的大小和極性實現(xiàn)列車的速度和方向控制，但在同一區(qū)間內(nèi)DC無法實現(xiàn)不同列車的獨立控制，且存在低速時列車運行不平穩(wěn)等缺點，因此DC 控制只能用于簡單的展示沙盤等場景。在DC 基礎(chǔ)上發(fā)展完善的DCC控制，采用在軌道上加載數(shù)字電流信號的方式實現(xiàn)了對列車模型的控制。列車模型對軌道的數(shù)字電流進行整流后作為驅(qū)動電源，同時通過解碼器獲取列車地址、運行方向及調(diào)速信號，實現(xiàn)了模型列車的獨立控制。

DCC 的電流信號由方波信號調(diào)制而成，如圖1所示。方波幅值根據(jù)不同比例的列車模型確定，如HO 比例的列車模型對應(yīng)的方波幅值為14.5 V。在方波電流信號中，短波代表1，其周期為116 μs;長波代表0，其周期為232 μs;延伸0 代表數(shù)據(jù)包結(jié)束，周期在 95 μs 至 9.9 ms 之間。

圖1 DCC 信號時序示意圖

數(shù)字命令控制DCC 數(shù)據(jù)包由引導(dǎo)位、地址字節(jié)、數(shù)據(jù)字節(jié)、校驗字節(jié)組成，其中引導(dǎo)位由大于14 位的1 組成，數(shù)據(jù)字節(jié)不大于4 且每個字節(jié)由0 間隔。DCC 信號除了實現(xiàn)傳統(tǒng)的列車速度與方向控制、列車燈光與音效控制、信號燈道岔解碼操作外，還可以針對地址字節(jié)實現(xiàn)車頭解碼變量配置等功能。

1.2 道岔轉(zhuǎn)轍機

在列車模型控制系統(tǒng)中，道岔轉(zhuǎn)轍機可分為舵機轉(zhuǎn)撤和電磁轉(zhuǎn)撤2 種。舵機轉(zhuǎn)撤是在軌道上安裝小舵機，通過連桿機構(gòu)實現(xiàn)道岔的轉(zhuǎn)撤控制，但存在舵機機械安裝復(fù)雜、故障率高、扳道時間較長等缺陷。電磁轉(zhuǎn)撤是在道岔附件上安裝2 個電磁線圈，通過線圈內(nèi)部的卡簧實現(xiàn)鎖閉功能，當(dāng)需要進行轉(zhuǎn)轍時，控制系統(tǒng)對應(yīng)的驅(qū)動電路輸出電流至電磁線圈，并克服卡簧的鎖閉，從而帶動叉芯位移實現(xiàn)道岔轉(zhuǎn)轍。道岔轉(zhuǎn)轍機可采用DCC 傳輸控制信息，然后通過專門的解調(diào)單元實現(xiàn)控制，也可以直接由專門控制板卡實現(xiàn)。

1.3 列車模型定位

列車模型定位是指對列車位置的反饋探測，是實現(xiàn)區(qū)間閉塞控制的基礎(chǔ)，主要有機械微動開關(guān)、電流判斷、光電傳感器、霍爾傳感器以及干簧管等定位方法。機械微動開關(guān)方式是在軌道上鋪設(shè)機械觸點，列車經(jīng)過時接觸式檢測出列車位置，該方法存在機械開關(guān)壽命短且接觸式檢測影響列車運行等缺點。電流判斷方式是將軌道劃分為若干個區(qū)間，并實現(xiàn)不同區(qū)間的物理電隔離，當(dāng)列車處于某區(qū)間時，由于軌道供電會造成該區(qū)間軌道電流變化，從而可通過電流檢測實現(xiàn)列車定位。光電傳感器方式是在軌道區(qū)間內(nèi)鋪設(shè)光電對管，當(dāng)列車經(jīng)過時，光電對管的信號經(jīng)列車底部反射，經(jīng)信號調(diào)理電路生成0 或1 信號，從而進行列車有無判斷，實現(xiàn)列車定位?；魻杺鞲衅鞣绞脚c光電對管類似，在列車底端安裝一小塊磁鐵，當(dāng)列車經(jīng)過時霍爾傳感器由于磁場變化產(chǎn)生霍爾電勢差，經(jīng)信號調(diào)理后產(chǎn)生0 或1 信號。干簧管方式同樣是在列車底端安裝一小塊磁鐵，當(dāng)列車經(jīng)過時，磁鐵使得干簧管的簧片磁化，簧片觸點被磁力吸引，常開觸點狀態(tài)轉(zhuǎn)換為吸合，從而進一步經(jīng)由數(shù)字量輸入模塊實現(xiàn)列車定位。干簧管結(jié)構(gòu)簡單、體積小、壽命長、工作可靠，已經(jīng)成為非接觸式列車定位的主要方式。

2 列車模型控制系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 單片機選型

根據(jù)列車模型控制系統(tǒng)的需要，本文選用美國微芯公司的PIC16F628A 單片機作為調(diào)制解調(diào)板和道岔解碼板等的核心控制器。該單片機具有精簡指令集和哈佛總線，自帶2048 字節(jié)的閃存程序存儲器、224字節(jié)的SRAM 和128 字節(jié)的EEPROM，除此之外還有16 路I/O、RB 口電平變化中斷、3 路定時器和可尋址的通用同步/異步收發(fā)器等資源，可完全滿足列車模型控制系統(tǒng)中解碼編碼板的主控制器要求。

2.2 列車模型控制系統(tǒng)架構(gòu)

列車模型控制系統(tǒng)主要由電腦接口板、調(diào)制解調(diào)板、區(qū)間編碼板、信號燈解碼板和道岔解碼板，以及傳統(tǒng)的列車模型、道岔、轉(zhuǎn)轍機、信號燈和軌道組成，如圖2所示。電腦接口板實現(xiàn)上位機與單片機之間的通信，并直接讀取區(qū)間編碼信息。調(diào)制解調(diào)板作為控制中心，接收上位機控制指令或擴展接口連接的其它控制站的指令，將電流信號調(diào)制為標(biāo)準(zhǔn)的DCC 信號加載到軌道。區(qū)間編碼板實現(xiàn)對干簧管開關(guān)信號采樣編碼。信號燈和道岔解碼板實現(xiàn)對軌道DCC 對應(yīng)信號的解碼，以實現(xiàn)信號燈和道岔轉(zhuǎn)轍機控制。上位機運行列車模型控制軟件，通過電腦串口發(fā)送指令，實現(xiàn)列車自動控制、救援調(diào)度等功能。

圖2 列車模型控制系統(tǒng)架構(gòu)

控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)遵循了分布式設(shè)計，邏輯上可以分為3 個系統(tǒng):以調(diào)制解調(diào)板為主控站的串行總線多機通信系統(tǒng)、分布式級聯(lián)的區(qū)間編碼系統(tǒng)以及信號燈道岔DCC 信號解碼系統(tǒng)。

2.3 串行總線多機通信系統(tǒng)

本文設(shè)計的串行總線多機通信系統(tǒng)的總線連接方式?？偩€標(biāo)準(zhǔn)遵循RS 485 半雙工異步通信協(xié)議，采用平衡驅(qū)動器和差分接收器組合傳輸，抗共模干擾能力強，在1 Mbit/s 傳輸速率下最遠有效距離可達100 m，并可允許最大掛載32 臺設(shè)備，完全滿足城市軌道交通運營安全模擬沙盤的需要。PIC 單片機通過美信公司MAX 485 芯片掛載到總線?？蓪⒄{(diào)制解調(diào)板視為主機，而電腦接口板與手持遙控器、功放板和場景音效設(shè)備等可作為從機。PIC 單片機的可尋址通用同步/異步收發(fā)功能可對數(shù)據(jù)進行第9 位地址區(qū)分，使接收器自動尋址產(chǎn)生接收中斷，提高了總線傳輸效率。本文設(shè)計的串行總線多機通信系統(tǒng)支持分布式擴展，可以遵循總線標(biāo)準(zhǔn)掛載多塊調(diào)制解調(diào)板和電腦接口板等主從設(shè)備。

3 硬軟件設(shè)計

3.1 電腦接口板設(shè)計

電腦接口板由USB(通用串行總線)轉(zhuǎn)換接口、485 總線接口、PIC 單片機和區(qū)間編碼讀取接口組成。由于PIC16F628A 單片機未集成USB 接口功能，因此本文采用FTDI 公司的FT232BL 接口轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)USB 轉(zhuǎn)換。區(qū)間編碼讀取接口采用德州儀器生產(chǎn)的8 路雙向非門集成芯片SN74LS245N。該芯片的傳輸方向控制引腳T/R 接高電平，從而定義芯片的A 引腳為輸入，定義B 引腳為輸出;該芯片的 B7、B6 和 B5 與單片機的 RST(復(fù)位)、LOAD(裝載)和CLOCK(時鐘)連接，實現(xiàn)單片機輸出控制，A4 與單片機的DATA(數(shù)據(jù))連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入讀取控制。

3.2 調(diào)制解調(diào)板設(shè)計

調(diào)制解調(diào)板由 DCC 調(diào)制電路、PIC 單片機和485 總線接口組成。列車及信號燈、道岔等控制信號，經(jīng)由單片機兩個I/O 口，結(jié)合58μs 定時器進行DCC 信號的時序調(diào)制，然后經(jīng)功率放大后加載到軌道。功率放大選用了意法半導(dǎo)體公司的全電機驅(qū)動芯片L 6203。L 6203 的最高工作電壓為48 V，最高工作電流為5 A，切換頻率為100 kHz，放大后的DCC 信號能驅(qū)動10 臺HO 比例的列車模型，滿足了本文沙盤系統(tǒng)的需求。

3.3 信號燈與道岔解碼板

信號燈解碼板與道岔解碼板均包含解調(diào)電路、單片機和輸出控制接口。采用光耦6N137 作為解調(diào)電路的輸入隔離，其最高切換速度為10 Mbit/s，完全滿足DCC 解碼要求。軌道中的DCC 信號作為元耦6N137 的輸入，其輸出連接到單片機的RB 口。單片機通過電平中斷和58 μs 定時器一起完成DCC信號解碼。單片機輸出口的控制信號，經(jīng)ULN 2803達林頓管芯片功率放大后，實現(xiàn)信號燈點亮或道岔轉(zhuǎn)轍機線圈上電。

3.4 區(qū)間編碼板設(shè)計

區(qū)間編碼板由前端觸發(fā)電路和后端串/并入串出電路組成，實現(xiàn)對列車有無的1/0 信號編碼。8路干簧管并行信號接入由兩片RS 觸發(fā)器CD4044B的S1-S4 口，并在每個端口處接10 kΩ 限流電阻、100 kΩ 上拉電阻和10 nF 消抖電容;觸發(fā)器的R 口實現(xiàn)復(fù)位功能，在系統(tǒng)初始化時所有觸發(fā)器的輸出均復(fù)位為0;觸發(fā)器的輸出Q1-Q4 接串/并入串出編碼芯片CD4014B 的P0-P7。CD4014B 芯片的低級串入口支持低級編碼板的數(shù)據(jù)輸入口，低級的串出口接高級編碼板的串入口，從而實現(xiàn)了多塊編碼板的級聯(lián)功能。本文設(shè)計的區(qū)間編碼板共有4 塊CD4044B 觸發(fā)器和2 塊 CD4014B 編碼芯片，支持16 路干簧管信號，在滿足功耗及讀取時間要求的前提下，最大可級聯(lián)8 塊區(qū)間編碼板，可實現(xiàn)128 路干簧管信號的編碼。

3.5 485總線通信協(xié)議

在485 總線通信協(xié)議中，調(diào)制解調(diào)板作為主機工作，電腦接口板等作為從機工作。主機的程序定期輪詢系統(tǒng)，查看是否有新從機設(shè)備掛載到總線。主機實現(xiàn)列車速度與方向、信號燈、道岔等狀態(tài)信息的存儲，以及DCC 信號調(diào)制功能。當(dāng)從機向主機發(fā)送狀態(tài)信息查詢時，主機負責(zé)將對應(yīng)的列車、信號燈等狀態(tài)信息回饋給從機，當(dāng)從機向主機發(fā)送控制命令時，主機負責(zé)將該命令調(diào)制為DCC 信號加載到軌道。

3.6 上位機軟件串口通信

城市軌道交通運營安全模擬沙盤的上位機軟件基于VS 2008 開發(fā)環(huán)境的MFC 編寫，上位機軟件通過串口向調(diào)制解調(diào)板發(fā)送查詢或控制命令。本文采用通信控件MSComm 實現(xiàn)串口通訊，其串口初始化及數(shù)據(jù)收發(fā)過程如下。

3.6.1 串口初始化

(1)選擇串口號:put__CommPort();

(2)設(shè)置通信方式為:9 600 kbit/s，無校驗，8位數(shù)據(jù)位，1 個停止位，put_Settings();

(3)以二進制方式檢取數(shù)據(jù):put_InputMode();

(4)設(shè)置串口接收緩沖區(qū)中有多于或等于1 個字符時將引發(fā)一個接收數(shù)據(jù)的OnComm 事件:put_RThreshold(1);

(5)設(shè)置接收全部數(shù)據(jù):put_InputLen(0);(6)打開串口:put_PortOpen(1)。

3.6.2 數(shù)據(jù)收發(fā)

串口每接收到一個字節(jié)數(shù)據(jù)后便觸發(fā)OnComm事件，在該事件的消息響應(yīng)函數(shù)中編寫相關(guān)接收子程序。發(fā)送數(shù)據(jù)通過put_Output()子程序，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Variant 類，并進行 COleVariant 封裝。發(fā)送完成后等待電腦接口卡應(yīng)答確認(rèn)接收指令或狀態(tài)數(shù)據(jù)包，若在規(guī)定的時間內(nèi)未收到應(yīng)答數(shù)據(jù)則假設(shè)數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，重新進行數(shù)據(jù)發(fā)送。

4 試驗

為驗證列車模型控制系統(tǒng)各板卡的功能，在實驗室搭建了功能測試環(huán)境?；A(chǔ)環(huán)境包括2 輛由德國Fleischmann 公司生產(chǎn)的ICE 4460 火車模型，3 個道岔和對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)轍機，5 個LED(發(fā)光二極管)自制信號燈，環(huán)形軌道;控制系統(tǒng)包括電腦接口板、調(diào)制解調(diào)板、區(qū)間編碼板、信號燈解碼板和道岔解碼板等5 塊本文開發(fā)的控制板卡。在上位機基于MFC 編寫的單文檔軟件界面如圖3所示。試驗結(jié)果表明，采用本文所介紹的控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)列車模型的獨立正反向控制和128 級調(diào)速控制、信號燈點亮和道岔轉(zhuǎn)轍控制、列車區(qū)間位置反饋等功能，從而驗證了本文開發(fā)的板卡的有效性。

圖3 上位機界面

在城市軌道交通運營安全模擬沙盤中，采用本文所介紹的列車模型控制系統(tǒng)進行列車控制，除實現(xiàn)測試環(huán)境的功能以外，也成功實現(xiàn)了列車定點停車、故障列車拖掛救援、列車應(yīng)急聲光報警等功能，滿足了安全模擬沙盤的需求。

5 結(jié)語

本文提出了一種利用PIC 單片機進行列車模型分布式控制系統(tǒng)設(shè)計的方案，該系統(tǒng)實現(xiàn)了列車模型的定位與控制、信號燈與道岔控制、應(yīng)急救援控制等功能。在測試環(huán)境及模擬沙盤中進行了列車模型控制試驗，結(jié)果驗證了該系統(tǒng)的可用性，能夠滿足城市軌道交通運營安全模擬沙盤的列車模型控制的需求。

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