基于嵌入式的軌道交通聯(lián)鎖控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

曹李竹，周慶飛

1.滇西科技師范學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)系，云南臨滄 677000 2.航天恒星科技有限公司，北京 100044

基于嵌入式的軌道交通聯(lián)鎖控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

曹李竹1，周慶飛2

1.滇西科技師范學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)系，云南臨滄 677000 2.航天恒星科技有限公司，北京 100044

軌道交通聯(lián)鎖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是現(xiàn)代高校鐵路信號(hào)專業(yè)教學(xué)中很重要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，能實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)設(shè)備的高度仿真，學(xué)生可以通過實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)實(shí)際的鐵路系統(tǒng)有一個(gè)比較好的認(rèn)識(shí)。本文中通過設(shè)計(jì)一個(gè)基于嵌入式的模擬鐵路系統(tǒng)，學(xué)生可以通過它清楚地看到鐵路現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備的工作狀況。譬如道岔如何扳動(dòng)、軌道如何斷電給點(diǎn)、聯(lián)鎖控制如何實(shí)現(xiàn)等。

聯(lián)鎖控制；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；嵌入式

鐵路信號(hào)系統(tǒng)，作為鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，其主要功能為指揮行車、保證行車安全、提高運(yùn)輸效率和改善勞動(dòng)條件，其首要任務(wù)是保證行車安全，它既要保證區(qū)間行車安全，又要保證車站行車安全[1]。為了保證安全，就必須使信號(hào)機(jī)、進(jìn)路、和道岔三者之間有著一定的相互制約關(guān)系，這種關(guān)系稱為聯(lián)鎖。

本文中通過設(shè)計(jì)一個(gè)基于嵌入式的模擬鐵路系統(tǒng)，學(xué)生可以通過它清楚地看到鐵路現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備的工作狀況。譬如道岔如何扳動(dòng)、軌道如何斷電給點(diǎn)、聯(lián)鎖控制如何實(shí)現(xiàn)等。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為達(dá)到與鐵路現(xiàn)場(chǎng)一致的效果，系統(tǒng)搭建了模擬軌道交通現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的軌道交通沙盤，沙盤主要由鐵路現(xiàn)場(chǎng)室外設(shè)備信號(hào)機(jī)、道岔、軌道電路等組成的真實(shí)車站系統(tǒng)，學(xué)生需要自行設(shè)計(jì)上位機(jī)人機(jī)交互層、單片機(jī)聯(lián)鎖運(yùn)算層、驅(qū)動(dòng)采集接口層來實(shí)現(xiàn)對(duì)沙盤車站系統(tǒng)的控制，實(shí)現(xiàn)列車正、側(cè)線接發(fā)車。學(xué)生可以自行選擇VB、MFC、C#、JAVA等各種語言編寫上位機(jī)顯示程序，通過串口對(duì)單片機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)送指令，由單片機(jī)通過接口電路對(duì)沙盤的模擬軌道、信號(hào)燈、道岔進(jìn)行信號(hào)驅(qū)動(dòng)與采集。實(shí)驗(yàn)過程需要學(xué)生自行搭建驅(qū)動(dòng)采集接口板、連接單片機(jī)控制電路、設(shè)計(jì)單片機(jī)聯(lián)鎖程序及上位機(jī)顯示程序。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本軌道交通聯(lián)鎖控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成：上位機(jī)終端（人機(jī)界面）、控制系統(tǒng)和模擬軌道（包括轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號(hào)機(jī)、軌道電路）三部分組成。三個(gè)部分之間的關(guān)系如圖1所示。

1.2 人機(jī)界面

其中上位機(jī)終端部分實(shí)際上就是為模擬車站配備一個(gè)人機(jī)交互設(shè)備，人機(jī)交互界面是一個(gè)模擬控制中心，能對(duì)模擬鐵路現(xiàn)場(chǎng)的沙盤中的各個(gè)設(shè)備進(jìn)行控制。包括道岔的狀態(tài)、信號(hào)機(jī)狀態(tài)、軌道上直流電源的極性等進(jìn)行控制。同時(shí)在人機(jī)界面可以通過實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的站場(chǎng)圖實(shí)時(shí)觀察具體的進(jìn)路選擇信息，實(shí)時(shí)監(jiān)控仿真火車的具體位置、信號(hào)機(jī)狀態(tài)、道岔狀態(tài)和軌道區(qū)段的占用狀態(tài)[2]。人機(jī)界面如圖2所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

圖2 人機(jī)交互界面

1.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是本系統(tǒng)中最為核心的部分，該部分包括開關(guān)量功率輸出模塊，軌道電路板、開關(guān)量輸入模塊的設(shè)計(jì)方案?？刂葡到y(tǒng)的核心處理器是lms615芯片，它能控制所有設(shè)備信號(hào)的輸入、輸出功能?？刂葡到y(tǒng)的功能框圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)功能框圖

其中最小系統(tǒng)包括一個(gè)嵌入式系統(tǒng)最基本的組成：電源、時(shí)鐘和復(fù)位電路、CPU等。

輸出模塊（即驅(qū)動(dòng)模塊）用來控制系統(tǒng)中的道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號(hào)機(jī)，同時(shí)也驅(qū)動(dòng)控制軌道供電電路中的繼電器，通過改變繼電器的狀態(tài)來改變軌道絕緣區(qū)段上機(jī)車動(dòng)力直流信號(hào)電源的極性[3]，從而控制火車的行駛方向。其中輸出驅(qū)動(dòng)電路由ULN2004A芯片完成。輸入模塊（即采集模塊）用來采集道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)的定位、反位狀態(tài)，絕緣區(qū)段的車輛占用狀態(tài)[3]。采集到的各個(gè)狀態(tài)將在上位機(jī)的站場(chǎng)圖中顯示出來。同信號(hào)輸出部分相同，控制采集板采集開關(guān)量信息，光電耦合隔離芯片仍然選用TLP521-4芯片，一片TLP521-4．能夠采集4路信號(hào)。模擬軌道部分主要由軌道電路、道岔、信號(hào)機(jī)構(gòu)成。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用了如下電路模式：用軌道直接向機(jī)車提供直流電源；采用開路式交流軌道電路對(duì)軌道的占用和出清進(jìn)行檢測(cè)；采用磁環(huán)和干簧管完成對(duì)道岔定位、范圍表示的采集。

本系統(tǒng)現(xiàn)已成功應(yīng)用于車站信號(hào)自動(dòng)控制及鐵道信號(hào)課程設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程。軌道交通聯(lián)鎖控制實(shí)驗(yàn)主要用于軌道交通聯(lián)鎖控制原理的學(xué)習(xí)與實(shí)踐驗(yàn)證，學(xué)生根據(jù)確定的進(jìn)路、道岔、信號(hào)機(jī)之間的關(guān)系，編制聯(lián)鎖表，以此作為編程與控制依據(jù)，編寫單片機(jī)聯(lián)鎖邏輯控制信號(hào)機(jī)、進(jìn)路、道岔之間的聯(lián)鎖關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)演示系統(tǒng)的聯(lián)鎖性能。

2 創(chuàng)新點(diǎn)

1）科研成果教學(xué)化。軌道交通實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作為北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院國家電工電子教學(xué)基地創(chuàng)新中心科研成果，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要功能的提取與分解，將科研演練系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為可由學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的軌道交通聯(lián)鎖控制實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，該科研平臺(tái)自應(yīng)用于教學(xué)以來，深受學(xué)生歡迎，開創(chuàng)了科研成果教學(xué)化的新篇章，為更多科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)平臺(tái)提供了參考。

2）因材施教多樣化。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)僅為學(xué)生提供功能性及視覺性參考，在實(shí)際教學(xué)中由學(xué)生自行搭建復(fù)原整個(gè)系統(tǒng)，但對(duì)操作及實(shí)現(xiàn)方式不作要求，學(xué)生可以選擇性使用VB、C++、C#、JAVA等軟件制作上位機(jī)顯示終端，也可以選擇單片機(jī)、ARM、DSP等控制器設(shè)計(jì)控制器，學(xué)生可自由選擇熟悉或渴望學(xué)習(xí)的軟硬件平臺(tái)，大大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)踐的興趣，因材施教培育多樣化人才。

3）理論教學(xué)實(shí)踐化。軌道交通聯(lián)鎖控制涉及車站信號(hào)自動(dòng)控制等鐵道信號(hào)專業(yè)課程，但由于校內(nèi)鐵路現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備缺乏等現(xiàn)狀，學(xué)生往往對(duì)專業(yè)課程、實(shí)際設(shè)備工作原理理解不到位，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過將課內(nèi)知識(shí)實(shí)踐化，通過學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐加深對(duì)專業(yè)課程的認(rèn)識(shí)與理解。

3 作品新穎性、實(shí)用性，與教學(xué)結(jié)合情況

1）新穎性。軌道交通聯(lián)鎖控制系統(tǒng)是現(xiàn)代鐵道信號(hào)專業(yè)教學(xué)迫切需要的設(shè)備，它將鐵道信號(hào)微機(jī)聯(lián)鎖科研成果應(yīng)用于本科生實(shí)踐教學(xué)，開創(chuàng)了科研成果教學(xué)化的新篇章；本作品與鐵道信號(hào)卓越工程師人才培養(yǎng)相結(jié)合，為卓越工程師人才培養(yǎng)提供了新途徑；本作品以學(xué)生中心因材施教，融合多學(xué)科、多技術(shù)手段，培育綜合性、多樣化人才，開創(chuàng)了人才培養(yǎng)的新模式。

2）實(shí)用性。軌道交通聯(lián)鎖控制系統(tǒng)以車站聯(lián)鎖技術(shù)為學(xué)習(xí)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬軌道沙盤的控制，實(shí)現(xiàn)列車正、側(cè)線接發(fā)車過程，實(shí)驗(yàn)允許學(xué)生自行動(dòng)手替換上位機(jī)終端、單片機(jī)聯(lián)鎖控制器、驅(qū)動(dòng)采集接口板等，操作具體，實(shí)用性較強(qiáng)，是卓越工程師人才培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。

3）與教學(xué)結(jié)合情況。軌道交通聯(lián)鎖控制系統(tǒng)依托車站信號(hào)自動(dòng)控制、鐵道信號(hào)課程設(shè)計(jì)等課程，自2008年系統(tǒng)研發(fā)應(yīng)用至今每年培育鐵道信號(hào)專業(yè)兩個(gè)班約60人，本作品可加深學(xué)生對(duì)車站聯(lián)鎖控制理論知識(shí)的理解，提高學(xué)生實(shí)際操作的能力，達(dá)到知行相成的效果。

[1]張佳楠.基于嵌入式系統(tǒng)的車站信號(hào)安全軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京交通大學(xué)，2006.

[2]李娟.基于軌道交通聯(lián)鎖控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2011.

[3]翟國銳.軌道交通實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)的研究[D].北京交通大學(xué)，2008.

TP3

A

1674-6708（2015）150-0161-02