自動(dòng)閉塞系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)考核裝置的設(shè)計(jì)

于維佳+潘羽+梁韜+吳凌

【摘 要】為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)閉塞系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)中高效地對(duì)斷線故障點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置與恢復(fù)，研制了一種用于自動(dòng)閉塞系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)考核裝置;上位機(jī)考核軟件具備故障設(shè)置、修復(fù)、自動(dòng)記錄成績等功能，下位機(jī)以C8051F410單片機(jī)為主控單元，并使用繼電器模擬線路通斷。

【關(guān)鍵詞】自動(dòng)閉塞系統(tǒng) 實(shí)訓(xùn)考核裝置 C8051F410 考核軟件

【中圖分類號(hào)】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2016）02C-0191-02

各鐵道類高職院校在鐵道信號(hào)相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)、課程設(shè)置當(dāng)中，自動(dòng)閉塞實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛。自動(dòng)閉塞實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成與鐵道系統(tǒng)實(shí)際使用的信號(hào)設(shè)備完全一致，信號(hào)設(shè)備可分為室內(nèi)設(shè)備、室外設(shè)備與系統(tǒng)防雷三部分，在ZPW-2000A自動(dòng)閉塞系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)中最重要的技能考核點(diǎn)是室內(nèi)設(shè)備的維修。而在實(shí)際使用過程中，室內(nèi)設(shè)備的故障類型通常是斷路故障，因此教師在對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核時(shí)，必須模擬實(shí)際故障場景中的斷線故障，以此方法來評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)技能點(diǎn)的掌握。

在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，室內(nèi)設(shè)備部分使用“區(qū)間信號(hào)零散組合1”進(jìn)行配線與檢修實(shí)訓(xùn)，該組合至少包括超過100個(gè)配線端子，教師在進(jìn)行室內(nèi)設(shè)備維修技能考核時(shí)，人為設(shè)置配線斷路故障點(diǎn)需要耗費(fèi)大量時(shí)間與精力，存在實(shí)訓(xùn)效率低下的問題;而且在考核中，難以對(duì)學(xué)生維修技能的過程進(jìn)行評(píng)價(jià)，學(xué)生無法真正掌握實(shí)際工作中室內(nèi)設(shè)備故障檢修的方法，不能適應(yīng)信號(hào)工的崗位需求?，F(xiàn)有設(shè)備已無法滿足教學(xué)的要求。

針對(duì)上述問題，研制了一種用于ZPW-2000A型自動(dòng)閉塞系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)的考核裝置，提供了一種在實(shí)訓(xùn)中模擬室內(nèi)設(shè)備斷路故障維修的智能化考核方法。這是一種可通過上位機(jī)考核軟件出題、評(píng)分的軌道交通信號(hào)控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)考核裝置，能快速設(shè)置斷路點(diǎn)，并對(duì)學(xué)生維修過程進(jìn)行公正的評(píng)價(jià)。

一、硬件電路設(shè)計(jì)

（一）設(shè)計(jì)方案

裝置包括上位機(jī)考核軟件與下位機(jī)控制器，上、下位機(jī)之間通過串口RS232連接。上位機(jī)考核軟件采用VC開發(fā)，要求能夠設(shè)置包含故障點(diǎn)信息的考核試題，并能根據(jù)學(xué)生維修情況自動(dòng)評(píng)分?？己吮患せ詈螅瑪?shù)據(jù)與指令通過串口通信發(fā)送至下位機(jī);下位機(jī)接收完畢后自動(dòng)應(yīng)答，并根據(jù)實(shí)時(shí)指令對(duì)相應(yīng)的繼電器進(jìn)行控制，達(dá)到還原斷路故障維修場景的目的。

下位機(jī)包括RS232電路、微控制單元電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路、繼電器接口電路。采用單片機(jī)設(shè)計(jì)微控制單元電路，通過RS232通信接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并執(zhí)行相關(guān)指令，同時(shí)單片機(jī)還負(fù)責(zé)采集兩路反饋信號(hào)。

將自動(dòng)閉塞系統(tǒng)通過繼電器驅(qū)動(dòng)電路來設(shè)置繼電器接口電路的斷路故障點(diǎn)，達(dá)到模擬室內(nèi)設(shè)備故障的目的。繼電器驅(qū)動(dòng)電路須要能夠?qū)Τ^100個(gè)配線進(jìn)行通斷控制。

下位機(jī)利用單片機(jī)對(duì)兩路燈絲繼電器的通斷狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過RS232電路反饋至上位機(jī)，考核軟件根據(jù)該燈絲繼電器狀態(tài)信息在界面中實(shí)時(shí)地轉(zhuǎn)換顯示信號(hào)燈的亮、滅狀態(tài)。

（二）微控制單元與RS232電路設(shè)計(jì)

微控制單元電路采用C8051F410單片機(jī)作為核心。這是一款集成高速51內(nèi)核的混合信號(hào)單片機(jī)，共有24路IO口資源，并內(nèi)建多路12位逐次逼近型ADC，可以用于信號(hào)燈絲繼電器的工作狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。為便于與上位機(jī)進(jìn)行串口通信，RS232電路選用MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片搭建。微控制單元電路、RS232電路原理圖如圖2所示。

（三）繼電器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

繼電器驅(qū)動(dòng)電路要求能對(duì)數(shù)量較多的繼電器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此使用74HC595輸出位移寄存器芯片對(duì)單片機(jī)有限的I/O口資源進(jìn)行擴(kuò)展。該芯片可以完成串口輸入轉(zhuǎn)換成并口輸出的功能，每片芯片只需要4個(gè)控制信號(hào)即可控制8路并口輸出數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)使用4片74HC595級(jí)聯(lián)，后級(jí)芯片的串行數(shù)據(jù)輸入端口連接到前級(jí)芯片的串行數(shù)據(jù)輸出端口Q7'，此時(shí)只需通過單片機(jī)的4根IO口線作為輸入，便可擴(kuò)展至一組32位并行數(shù)據(jù)輸出。

用單片機(jī)控制總共四組32位并口數(shù)據(jù)輸出，這樣只需16根IO口線就可以完成128個(gè)繼電器的通/斷控制，在滿足設(shè)備研制要求的同時(shí)，也留出了一定的冗余。

同時(shí)采用ULN2803芯片直接驅(qū)動(dòng)繼電器，芯片集成8路達(dá)林頓管，并內(nèi)建肖特基二極管反向放電回路，無需外接二極管，每片芯片可以直接驅(qū)動(dòng)8個(gè)繼電器。

圖3為繼電器驅(qū)動(dòng)模塊電路原理圖（A組）。包括4片74HC595芯片級(jí)聯(lián)，用于擴(kuò)展單片機(jī)的IO口線，分別編號(hào)為A1、A2、A3、A4，以上組成“A組繼電器驅(qū)動(dòng)電路”;整個(gè)裝置包括A、B、C、D四組繼電器驅(qū)動(dòng)電路，限于篇幅，圖中只給出A組電路原理圖。四組繼電器驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成繼電器驅(qū)動(dòng)模塊，每一組驅(qū)動(dòng)電路可驅(qū)動(dòng)32個(gè)繼電器，四組驅(qū)動(dòng)電路一共能夠驅(qū)動(dòng)128個(gè)繼電器，滿足設(shè)備開發(fā)需求。

（四）繼電器接口電路設(shè)計(jì)

圖4為繼電器接口模塊電路原理圖（部分），裝置包含128路繼電器接口，篇幅所限，圖中只畫出了8路繼電器接口電路，其余繼電器接口電路采用相同結(jié)構(gòu)?！芭啪€R1”與圖3中的“排線1”用軟排線相連，用于接收?qǐng)D3繼電器驅(qū)動(dòng)模塊的控制信號(hào);圖中2路燈絲繼電器接口與圖2中的單片機(jī)17、18腳相連，用于反饋ZPW-2000A實(shí)訓(xùn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

電磁繼電器采用G6K-2F-Y-5V信號(hào)繼電器，其觸點(diǎn)容量滿足自動(dòng)閉塞系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)的要求，并能夠有效控制PCB規(guī)模。在對(duì)ZPW-2000A實(shí)訓(xùn)設(shè)備配線時(shí)將需要考查的線路與本裝置的接線端子串聯(lián)，接線端子繼電器動(dòng)觸點(diǎn)與常閉觸點(diǎn)連接“接線端子”，這樣在繼電器無動(dòng)作時(shí)，保證設(shè)備與ZPW-2000A實(shí)訓(xùn)設(shè)備的接線無斷路故障，在接到上位機(jī)指令后，單片機(jī)控制相應(yīng)繼電器吸合，產(chǎn)生斷路故障現(xiàn)象。同樣，控制繼電器釋放后，故障點(diǎn)得以恢復(fù)。以此模擬ZPW-2000A自動(dòng)閉塞系統(tǒng)的斷路故障。

繼電器接口電路中使用超小型電磁繼電器，并且繼電器驅(qū)動(dòng)電路與繼電器接口電路之間用排線相連。這種結(jié)構(gòu)方便調(diào)試、更換，也為后期使用中的設(shè)備本身的維護(hù)檢修帶來了很大的方便。

二、軟件設(shè)計(jì)

使用VC開發(fā)上位機(jī)考核軟件，主程序流程圖如圖5。教師使用考核軟件對(duì)軌道交通信號(hào)控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)進(jìn)行故障點(diǎn)設(shè)置、考核分值設(shè)置，學(xué)生在查找故障點(diǎn)后可以在軟件界面中對(duì)相應(yīng)的故障點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)維修操作。

教師在軟件中設(shè)置考核內(nèi)容，上位機(jī)將題目中的故障點(diǎn)信息與指令通過串口發(fā)送至下位機(jī)。學(xué)生考核時(shí)根據(jù)信號(hào)設(shè)備知識(shí)在自動(dòng)閉塞系統(tǒng)組合配線處查找故障點(diǎn)。當(dāng)完成訓(xùn)練或考核后，只需在軟件中勾選相應(yīng)的故障點(diǎn)圖標(biāo)，軟件自動(dòng)判斷學(xué)生選擇的正確性，選擇錯(cuò)誤則扣分，選擇正確時(shí)，軟件通過串口通知單片機(jī)將故障點(diǎn)恢復(fù)完好，通過上述方法，考核軟件可自動(dòng)對(duì)維修過程進(jìn)行記錄、評(píng)分。

將該考核裝置用于ZPW-2000A型自動(dòng)閉塞系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)中，經(jīng)過應(yīng)用證明，可以通過上位機(jī)考核軟件設(shè)置題目并自動(dòng)評(píng)分，上位機(jī)與下位機(jī)建立串口通信，下位機(jī)能夠控制配線的通/斷來模擬實(shí)際工作中的斷路故障，可操作的斷路故障點(diǎn)數(shù)量超過100個(gè)，滿足自動(dòng)閉塞系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)的需求。裝置能夠?qū)?路信號(hào)燈絲繼電器狀態(tài)進(jìn)行采集，反饋的狀態(tài)信號(hào)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測信號(hào)設(shè)備工作穩(wěn)定與否。

教師在進(jìn)行軌道交通信號(hào)控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)時(shí)，無需再花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行手工設(shè)置故障點(diǎn)，可以把精力放在故障現(xiàn)象的講解上，大幅提升了實(shí)訓(xùn)的效率。該考核裝置功能完善，符合實(shí)際教學(xué)需求，適合推廣至鐵道通信信號(hào)專業(yè)實(shí)訓(xùn)室當(dāng)中，同樣地，該裝置也適合推廣至其他軌道交通類專業(yè)的實(shí)訓(xùn)當(dāng)中，適用于包括斷線故障維修內(nèi)容的實(shí)訓(xùn)場合。

【參考文獻(xiàn)】

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[2]賈毓杰.鐵路信號(hào)與通信設(shè)備[M].北京：中國鐵道出版社，2012

【作者簡介】于維佳（1982— ），男，廣西柳州人，碩士，柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：智能檢測與控制技術(shù)。

（責(zé)編 丁 夢(mèng)）