無源應(yīng)答器的仿真設(shè)計(jì)研究

周瑩 聶富春 李容

摘 要：隨著我國高速鐵路的發(fā)展，應(yīng)答器系統(tǒng)已在鐵路線路上得到了廣泛應(yīng)用，極大地提高了我國軌道交通運(yùn)輸?shù)陌踩院瓦\(yùn)輸效率。但在日常教育教學(xué)過程中，由于實(shí)驗(yàn)場地的限制，無法實(shí)際接觸并且操作設(shè)備，學(xué)習(xí)者只通過理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，無法熟練掌握設(shè)備的原理，也不能很好地對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)維修。因此，文章通過對應(yīng)答器工作原理的綜合分析，同時(shí)利用安卓手機(jī)NFC功能模擬實(shí)際設(shè)備的信息接收，設(shè)計(jì)出無源應(yīng)答器仿真系統(tǒng)，并將此系統(tǒng)運(yùn)用于日常教學(xué)中，旨在讓學(xué)習(xí)者更好地學(xué)習(xí)應(yīng)答器相關(guān)知識(shí)，掌握應(yīng)答器的工作原理和基本參數(shù)，為鐵路行業(yè)輸出更多專業(yè)性人才。

關(guān)鍵詞：無源應(yīng)答器；NFC；仿真系統(tǒng)

1 應(yīng)答器的發(fā)展趨勢

我國鐵路專用應(yīng)答器標(biāo)準(zhǔn)參照歐洲應(yīng)答器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。隨著我國高速鐵路的發(fā)展和進(jìn)步，應(yīng)答器在鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)中的運(yùn)用越來越普遍，需求也不斷地增加。目前，由于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，應(yīng)答器的內(nèi)部程序經(jīng)多次改良和編譯后，不僅優(yōu)化了報(bào)文編碼，還具有讀寫功能，性能也更加智能化，為鐵路運(yùn)營的安全可靠提供了極大的保障[1]。因此，鐵路信號系統(tǒng)的自動(dòng)化控制離不開應(yīng)答器的發(fā)展，對應(yīng)答器的相關(guān)研究也勢在必行。

2 針對目前教育教學(xué)要求

隨著應(yīng)答器在我國高速鐵路運(yùn)行中的使用越來越頻繁，作為鐵路信號工作人員而言，掌握應(yīng)答器的工作原理與參數(shù)，能很好地完成應(yīng)答器設(shè)備的維護(hù)與檢修，這是對鐵路信號工作人員業(yè)務(wù)的考驗(yàn)，更是對鐵路院校教育教學(xué)的考驗(yàn)。由于應(yīng)答器在實(shí)際應(yīng)用中，對場地條件有著一定要求，但在人才培養(yǎng)過程中，學(xué)校資源、環(huán)境有限，無法向?qū)W習(xí)者提供相應(yīng)的應(yīng)答器設(shè)備，造成了學(xué)習(xí)者對相關(guān)知識(shí)理解困難，比如：應(yīng)答器工作原理；標(biāo)準(zhǔn)的維護(hù)方法和檢測等內(nèi)容[2]。因此，設(shè)計(jì)應(yīng)答器仿真系統(tǒng)，模擬實(shí)際應(yīng)答器工作狀態(tài)，為學(xué)習(xí)者提供了模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備，同時(shí)解決了學(xué)院場地受限的狀況，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，性能可靠。

3 無源應(yīng)答器仿真設(shè)計(jì)

3.1 無源應(yīng)答器的工作原理

無源應(yīng)答器又稱固定應(yīng)答器，本身不具有電源，只有當(dāng)查詢其位于耦合諧振位置時(shí)，從查詢器送出的高頻信號作為電源給應(yīng)答器，使應(yīng)答器中預(yù)先存儲(chǔ)的信息被發(fā)送出來。無源應(yīng)答器存儲(chǔ)固定信息，當(dāng)列車經(jīng)過無源應(yīng)答器上方時(shí)，無源應(yīng)答器接收到車載天線發(fā)射的電磁能量后，將其轉(zhuǎn)換成電能，使地面應(yīng)答器中的電子電路工作，把存儲(chǔ)在地面應(yīng)答器中的數(shù)據(jù)循環(huán)發(fā)送出去，直至電能消失。無源應(yīng)答器平時(shí)處于休眠狀態(tài)，主要設(shè)于閉塞分區(qū)、入站口和車站進(jìn)、出站端處，用于向列控車載設(shè)備傳輸閉塞分區(qū)長度、線路速度、線路坡度、列車定位等信息[3]。應(yīng)答器結(jié)構(gòu)及工作原理分別如圖1和圖2所示。

3.2 無源應(yīng)答器仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

無源應(yīng)答器系統(tǒng)主要包括地面設(shè)備和車載設(shè)備兩部分。在實(shí)際教學(xué)中，學(xué)院實(shí)驗(yàn)條件有限，學(xué)習(xí)者無法動(dòng)手操作相關(guān)設(shè)備，通過對無源應(yīng)答器仿真設(shè)備的操作練習(xí)，讓學(xué)習(xí)者能了解無源應(yīng)答器的內(nèi)部數(shù)據(jù)信息組成；掌握無源應(yīng)答器工作原理，完成無源應(yīng)答器數(shù)據(jù)信息讀寫。

3.2.1 車載設(shè)備仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

選用帶有近距離無線通信（Near Field Communication，NFC）功能的安卓手機(jī)作為主體設(shè)備。NFC是由非接觸式射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）及互聯(lián)互通技術(shù)整合演變而來，在單一芯片上結(jié)合感應(yīng)式讀卡器與感應(yīng)式卡片點(diǎn)對點(diǎn)的功能，能在短距離內(nèi)與兼容設(shè)備進(jìn)行識(shí)別和數(shù)據(jù)交換。由于NFC技術(shù)的工作原理與應(yīng)答器工作原理相似，所以作為本項(xiàng)目的主要技術(shù)手段。運(yùn)用Android studio軟件編寫所需功能的應(yīng)用程序，內(nèi)容包括：報(bào)文信息的設(shè)置；報(bào)文信息的編寫；報(bào)文信息的寫入與讀取等，模擬車載設(shè)備的信息處理[4]。

3.2.2 地面設(shè)備仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

選擇空白MIFAREL芯卡作為地面設(shè)備仿真系統(tǒng)的主體設(shè)備，運(yùn)用手機(jī)NFC功能將固定信息通過系統(tǒng)功能寫入MIFAREL芯卡內(nèi)，進(jìn)行儲(chǔ)存。模擬無源應(yīng)答器相關(guān)數(shù)據(jù)信息預(yù)先存儲(chǔ)的。應(yīng)答器仿真如圖3所示。

3.2.3 系統(tǒng)功能界面

包括4個(gè)部分：應(yīng)答器功能簡介、報(bào)文代碼、無源應(yīng)答器輸入練習(xí)及無源應(yīng)答器輸出練習(xí)（見圖4）。

學(xué)習(xí)者打開應(yīng)答器仿真系統(tǒng)，可在首頁了解學(xué)習(xí)鐵路應(yīng)答器的基本概念，掌握應(yīng)答器的工作原理以及分類。當(dāng)進(jìn)入模擬狀態(tài)時(shí)，可練習(xí)無源應(yīng)答器報(bào)文輸入和相關(guān)信息查詢，并且可以通過NFC功能，將輸入的報(bào)文寫入MIFAREL芯卡。當(dāng)手機(jī)在MIFAREL芯卡上方通過NFC功能感應(yīng)時(shí)，可將寫入的報(bào)文信息讀取出來。通過簡潔的設(shè)計(jì)和完整的功能實(shí)現(xiàn)，充分滿足了教育教學(xué)要求[5]。

4 結(jié)語

基于真實(shí)無源應(yīng)答器所模擬設(shè)計(jì)的仿真系統(tǒng)，能極大程度上緩解鐵路學(xué)院在教育教學(xué)方面設(shè)備使用困難的狀況。也為學(xué)習(xí)鐵路信號應(yīng)答器相關(guān)專業(yè)的學(xué)者提供了簡便的實(shí)驗(yàn)?zāi)M設(shè)備。隨著互聯(lián)網(wǎng)社會(huì)的快速發(fā)展，模擬設(shè)備的使用能使我們更好地掌握實(shí)際設(shè)備的工作原理與參數(shù)，便于我們更好地對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)維修。

[參考文獻(xiàn)]

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[5]佟立本.鐵道概論[M].北京：中國鐵道出版社，2012.