可編程鐵路信號(hào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀的研制

趙志敏+陳輝

摘 要 鐵路信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備在教學(xué)、員工培訓(xùn)和產(chǎn)品開發(fā)中發(fā)揮著重要作用。采用DSP內(nèi)核的單片機(jī)，開發(fā)出通用的硬件；采用VC++語言編寫上位機(jī)軟件，對(duì)通用的硬件進(jìn)行仿真和編程，以實(shí)現(xiàn)不同鐵路信號(hào)的功能。該可編程鐵路信號(hào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀具有節(jié)約資金、提高設(shè)備利用率和占地面積小的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 鐵路信號(hào)；可編程；實(shí)驗(yàn)儀

中圖分類號(hào)：G484 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：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(hào)設(shè)備是組織指揮列車運(yùn)行、傳遞信息、保障行車安全、增加鐵路運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)效益及改善鐵路員工勞動(dòng)條件的關(guān)鍵設(shè)施，是鐵路主要技術(shù)之一，它的裝備水平和技術(shù)水準(zhǔn)也是一個(gè)國家鐵路現(xiàn)代化的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)[1]。因此，鐵路信號(hào)的教學(xué)、鐵路信號(hào)員工的培訓(xùn)、鐵路信號(hào)系統(tǒng)的研發(fā)都需要鐵路信號(hào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀。

對(duì)于鐵路類院校、軌道交通類院校而言，鐵路信號(hào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀的作用不言而喻。學(xué)生可以不出校門就在學(xué)校內(nèi)找到和現(xiàn)場(chǎng)類似的信號(hào)系統(tǒng)，對(duì)熟悉現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和開展試驗(yàn)都有很大的幫助。鐵路部門和軌道交通公司利用該系統(tǒng)，可以對(duì)鐵路信號(hào)的員工進(jìn)行仿真模擬培訓(xùn)，使其熟練掌握鐵路信號(hào)系統(tǒng)崗位的操作技能。一些從事鐵路信號(hào)產(chǎn)品研發(fā)的企業(yè)，由于測(cè)試的次數(shù)較多，不可能每次都去現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，能有一種隨時(shí)根據(jù)所需來模擬現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)環(huán)境的設(shè)備，不僅可以方便測(cè)試，而且可以大大降低人力和物力成本。

國外在20世紀(jì)中期已經(jīng)運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬方法，研究解決鐵路運(yùn)輸、控制問題，這些研究主要集中在點(diǎn)線能力協(xié)調(diào)、列車運(yùn)行自動(dòng)控制、路網(wǎng)工作指揮等方面，沒有涉及鐵路信號(hào)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和仿真儀器。

2 實(shí)驗(yàn)儀的功能

本次所研發(fā)的鐵路信號(hào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀，采用新型電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，不僅可以用軟件仿真現(xiàn)場(chǎng)鐵路信號(hào)系統(tǒng)，而且硬件可以和實(shí)際的鐵路現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)相連接，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，反向控制現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，同時(shí)其硬件具有可編程的功能，通過編程一套系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)軌道、道岔和車站不同的鐵路信號(hào)系統(tǒng)[2]。

仿真和編程功能 仿真和編程功能主要是通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)的。仿真功能主要是用戶根據(jù)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(shí)驗(yàn)功能，實(shí)現(xiàn)軟件仿真的功能。編程功能是首先搭建出所需的信號(hào)儀的模型，然后將模型進(jìn)行編譯，最后將程序下載到實(shí)驗(yàn)儀中的功能。

信號(hào)輸出功能 信號(hào)輸出功能是實(shí)驗(yàn)儀的核心功能，通過前期的編程，鐵路信號(hào)實(shí)驗(yàn)儀可以輸出進(jìn)路、道岔、信號(hào)燈等功能。

3 實(shí)驗(yàn)儀的構(gòu)成

根據(jù)可編程鐵路信號(hào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀的基本特點(diǎn)和要求，該設(shè)備的構(gòu)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(shù)；顯示功能除了完成站上信號(hào)設(shè)備的顯示之外，還需根據(jù)其所顯示設(shè)備類型來承擔(dān)其應(yīng)有的屬性，如進(jìn)路顯示、道岔動(dòng)作、信號(hào)燈轉(zhuǎn)換等功能。

電源模塊 根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，電源模塊需提供一個(gè)低電壓、大電流的電源，并解決由此產(chǎn)生的發(fā)熱問題?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要，電源模塊有電池接口，以外接電池進(jìn)行供電。

控制模塊 根據(jù)實(shí)時(shí)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(yīng)該有比較大的非易失存儲(chǔ)容量（用來存儲(chǔ)I/O模塊的內(nèi)容）和較強(qiáng)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(jī)或者其他信號(hào)處理系統(tǒng)之間的通信問題。

4 實(shí)驗(yàn)儀硬件的實(shí)現(xiàn)

控制模塊 考慮到可編程鐵路信號(hào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀處理的實(shí)時(shí)性、計(jì)算的復(fù)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(jī)+DSP三種系統(tǒng)后，采用成本低、具有DSP功能的dsPIC33系列的高性能單片機(jī)。dsPIC33具有高速、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有PWM功能，在滿足通用控制要求的情況下，可以方便地實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源功能。

和傳統(tǒng)MCU相比，dsPIC33在程序存儲(chǔ)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，具有“中斷向量表”和“備用中斷向量表”兩個(gè)中斷向量表，使得程序可以從兩個(gè)地方運(yùn)行，結(jié)合RTSP（Run Time Self-Programming）功能，可以實(shí)現(xiàn)在線編程功能。和傳統(tǒng)修改參數(shù)的方法相比，采用dsPIC33的RTSP功能實(shí)現(xiàn)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(jī)、按鍵、LED顯示屏組成，其界面如圖2所示。按鍵有菜單鍵、確認(rèn)件、取消鍵、四個(gè)方向的移動(dòng)鍵、+鍵、-鍵。顯示屏采用16*16的LED，顯示的圖像內(nèi)容和屬性可以根據(jù)車站信號(hào)的要求設(shè)置。其中內(nèi)容圖像可以根據(jù)提供的標(biāo)準(zhǔn)模塊或是自行設(shè)計(jì)導(dǎo)入，而屬性會(huì)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模塊而自行設(shè)定或是自行設(shè)計(jì)。

通信模塊 通信模塊主要采用USB和串行口通信協(xié)議。上位機(jī)和控制模塊采用USB2.0通信協(xié)議，同時(shí)可以外接USB設(shè)備，以方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的需要。dsPIC33單片機(jī)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(shí)現(xiàn)USB協(xié)議。電源模塊、I/O模塊和控制模塊之間采用串行口的協(xié)議?？紤]到系統(tǒng)的成本和速度，該協(xié)議利用的串行口不是真正的串行口，而是采用單片機(jī)模擬串行口的方式實(shí)現(xiàn)的。

電源模塊 電源模塊采用基于同步整流的Buck-Boost拓?fù)涞拈_關(guān)程控電源，同時(shí)加入短路、過流和低電壓保護(hù)。利用dsPIC33自帶的ADC和PWM功能，方便實(shí)現(xiàn)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(zhì)因數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，并且其導(dǎo)通電阻只有5.5 mΩ，非常適合做功率變換。在驅(qū)動(dòng)方面，采用基于模擬信號(hào)的小型PWM控制器MCP19035，MCP19035具有出色的暫態(tài)性能，可在4.5～30 V DC的寬范圍內(nèi)工作，開關(guān)頻率為300 kHz，并提供工廠可調(diào)節(jié)的死區(qū)設(shè)置。

5 實(shí)驗(yàn)儀軟件的實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)軟件 上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)仿真現(xiàn)場(chǎng)鐵路信號(hào)系統(tǒng)和對(duì)實(shí)驗(yàn)儀的編程功能，上位機(jī)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(shí)驗(yàn)功能，并通過下載功能，將實(shí)驗(yàn)功能下載到控制模塊中，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)儀的編程和離線使用功能。同時(shí)采用項(xiàng)目的管理方式，用戶可以將所編寫的實(shí)驗(yàn)功能生成一個(gè)項(xiàng)目文件進(jìn)行保存，以便后期進(jìn)行修改使用[3]。

下位機(jī)軟件 下位機(jī)主要完成和上位機(jī)的通信，將上位機(jī)的特征信息寫入特定的Flash，也就是編程功能，同時(shí)完成輸入輸出操作、信號(hào)產(chǎn)生功能。

控制模塊的主程序流程圖如圖3所示。系統(tǒng)啟動(dòng)后首先初始化，然后進(jìn)行USB中斷處理，完成實(shí)驗(yàn)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(hào)的發(fā)生功能，同時(shí)更新顯示的內(nèi)容。

I/O模塊的單片機(jī)程序主要完成鍵盤的檢測(cè)與處理、檢測(cè)外部信號(hào)的輸入和處理、顯示相應(yīng)的圖形。其中鍵盤采用掃描的形式進(jìn)行處理，外部輸入檢測(cè)和圖形顯示均采用串行口中斷的方式去實(shí)現(xiàn)。

電源模塊的單片機(jī)程序主要根據(jù)串行口中斷的數(shù)據(jù)和測(cè)量到的電壓、電流信號(hào)，通過相減求出誤差信號(hào)，然后改變PWM的參數(shù)，從而控制開關(guān)電源的輸出，以產(chǎn)生不同的輸出信號(hào)。同時(shí)，系統(tǒng)具有故障檢測(cè)和軟啟動(dòng)功能。故障檢測(cè)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(fā)生故障，將禁止PWM輸出，直到清除故障條件。軟啟動(dòng)功能以閉環(huán)方式升高輸出電壓，使系統(tǒng)在PID控制環(huán)的工作范圍內(nèi)。軟啟動(dòng)的功能確保輸出不會(huì)超出期望的電壓，同時(shí)限制了啟動(dòng)時(shí)的電流。

6 結(jié)論

通過采用單片機(jī)和相應(yīng)的硬件、軟件，設(shè)計(jì)出可編程鐵路信號(hào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀。和其他實(shí)驗(yàn)儀相比，該實(shí)驗(yàn)儀主要具有以下功能：

1）實(shí)驗(yàn)儀的每一個(gè)模塊都是通用的，通過編寫程序可以將其設(shè)定為軌道、道岔或是其他設(shè)備，可有效降低成本，同時(shí)減少設(shè)備占地面積；

2）實(shí)驗(yàn)儀不僅能完成仿真功能，而且可以和實(shí)際的鐵路現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)相連接，其功能和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的鐵路信號(hào)系統(tǒng)相同；

3）通過可編程功能，使實(shí)驗(yàn)儀不僅具有豐富的功能，而且今后通過軟件升級(jí)，就可以實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備的升級(jí)換代，延長了設(shè)備的使用壽命，降低了設(shè)備的使用成本。

參考文獻(xiàn)

[1]劉鑫東.鐵路信號(hào)設(shè)備的自動(dòng)化控制技術(shù)探析[J].電子制作，2016（14）：66.

[2]趙永君.高職鐵路綜合演練場(chǎng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施[J].中國教育技術(shù)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(xué)出版社，2011.endprint