基于硬件在環(huán)仿真的應(yīng)答器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓笑

摘要：隨著列車運(yùn)行速度不斷提高，運(yùn)行密度逐漸加大，列車運(yùn)行的安全問題得到越來越多的重視。應(yīng)答器作為一種具有高速度、高信息量以及高可靠性的點(diǎn)式數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，在鐵路系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。但鐵路現(xiàn)場設(shè)備笨重且昂貴，難以滿足鐵路院校的教學(xué)需要。因此，本文利用硬件在環(huán)仿真技術(shù)，以LabWindows/CVI為開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)應(yīng)答器教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)旨在幫助學(xué)生掌握應(yīng)答器工作原理，培養(yǎng)相關(guān)專業(yè)技能、創(chuàng)新意識(shí)以及實(shí)踐動(dòng)手的能力。

關(guān)鍵詞：應(yīng)答器;硬件在環(huán)仿真;實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP274.2??????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

一、引言

應(yīng)答器作為點(diǎn)式地—車信息傳輸設(shè)備，是列車車載設(shè)備從地面獲取獲取信息來源的重要設(shè)備，具有十分重要的地位。傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)方式，學(xué)生很難實(shí)際參與其中，教學(xué)效果不理想。因此，本文利用硬件在環(huán)仿真（Hardware in the loop）技術(shù)，以LabWindows/CVI為開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)應(yīng)答器教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，旨在使學(xué)生熟悉實(shí)際應(yīng)答器設(shè)備及其工作原理，深入了解應(yīng)答器的關(guān)鍵技術(shù)問題，探究綜合應(yīng)用專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)分析與解決實(shí)際問題的方法，培養(yǎng)相關(guān)專業(yè)技能、創(chuàng)新意識(shí)以及實(shí)踐動(dòng)手能力。

二、應(yīng)答器及硬件在環(huán)仿真技術(shù)

（一）應(yīng)答器

應(yīng)答器是安裝在鐵路沿線向車載子系統(tǒng)發(fā)送報(bào)文信息的傳輸設(shè)備，其中存儲(chǔ)的報(bào)文信息為列車的正常運(yùn)行提供了強(qiáng)大的信息支撐，是整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)安全體系中不可或缺的部分。目前，鐵路上使用的應(yīng)答器采用RFID（Radio Frequency Identigication，射頻識(shí)別）技術(shù)。列車運(yùn)行時(shí)，應(yīng)答器和列車系統(tǒng)之間利用電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)雙向通信。應(yīng)答器是一個(gè)在列車經(jīng)過時(shí)需要車載設(shè)備發(fā)送能量信號(hào)的從設(shè)備^[1]。

（二）硬件在環(huán)仿真技術(shù)

硬件在環(huán)仿真也稱半實(shí)物仿真，它為物理部件創(chuàng)造一個(gè)模擬實(shí)際環(huán)境的仿真環(huán)境，利用物理部件實(shí)物與仿真系統(tǒng)共同完成仿真過程。硬件在環(huán)仿真技術(shù)使得無法準(zhǔn)確建立模型的部件直接進(jìn)入仿真回路，通過計(jì)算機(jī)與應(yīng)用軟件、硬件及其驅(qū)動(dòng)軟件來共同完成數(shù)據(jù)采集、分析及結(jié)果顯示等功能。系統(tǒng)采用虛擬儀器，以計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)控制器、由軟件實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和大部分儀器功能，具有靈活性和擴(kuò)展性強(qiáng)、性價(jià)比高、擁有良好人機(jī)界面等的特點(diǎn)^[2][3]。硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分構(gòu)成，其硬件系統(tǒng)包括通用計(jì)算機(jī)和外圍硬件設(shè)備;軟件系統(tǒng)包括操作系統(tǒng)、儀器驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用軟件三個(gè)層次。操作系統(tǒng)可以選擇Windows 9x/NT/2000/7/10、SUN OS、Linux等;儀器驅(qū)動(dòng)軟件是直接控制各種硬件接口的驅(qū)動(dòng)程序;應(yīng)用軟件通過儀器驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)與外圍硬件模塊的通信連接。

三、教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于硬件在環(huán)仿真的應(yīng)答器教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分兩部分組成，其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。

（一）硬件設(shè)計(jì)

應(yīng)到期教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件部分包括：計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、功率放大器、車載硬件設(shè)備、地面硬件設(shè)備。基礎(chǔ)硬件組成部分主要為臺(tái)式計(jì)算機(jī)，完成控制管理、數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)顯示等功能;數(shù)據(jù)采集卡是機(jī)車信號(hào)信息的產(chǎn)生和接收設(shè)備，采集模擬信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào);功率放大器將發(fā)射信號(hào)放大，使其能夠驅(qū)動(dòng)車載設(shè)備和地面設(shè)備;車載硬件設(shè)備用于發(fā)送多頻信號(hào)，同時(shí)接收地面設(shè)備發(fā)送的信號(hào);地面硬件設(shè)備用于向車載設(shè)備發(fā)送特定頻率信號(hào)的實(shí)物模型，不同頻率的信號(hào)可表示不同的信息。

每個(gè)諧振單元對(duì)應(yīng)一個(gè)特點(diǎn)的頻率點(diǎn)并代表相應(yīng)的信號(hào)，地面設(shè)備根據(jù)實(shí)際的列車運(yùn)行情況控制多路選擇開關(guān)接通相應(yīng)的諧振單元與天線，列車經(jīng)過時(shí)，由車載設(shè)備發(fā)送激勵(lì)信號(hào)，地面設(shè)備通過天線接收激勵(lì)信號(hào)后回饋對(duì)應(yīng)諧振點(diǎn)的頻率信號(hào)，即將相應(yīng)信號(hào)發(fā)送給列車，實(shí)現(xiàn)車地通信。

（二）軟件設(shè)計(jì)

為完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，數(shù)據(jù)采集卡的啟動(dòng)、采集卡的采集參數(shù)的設(shè)置、軌道電路信號(hào)的調(diào)制、發(fā)送、接收、解調(diào)，數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)均由軟件來控制和實(shí)現(xiàn)。軟件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示。

1.信號(hào)發(fā)生功能

息的目的。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的車載信號(hào)源由若干個(gè)頻率、相位、幅值確定的正弦信號(hào)，采用遺傳算法疊加組成，并配置數(shù)據(jù)采集卡利用其模擬輸出功能產(chǎn)生。

2.采集、解調(diào)功能

通過數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入通道對(duì)軌道電路中電信號(hào)進(jìn)行采集、保存和解調(diào)。用戶可設(shè)置采樣通道、采樣時(shí)間、采樣率等信息。其軟件流程圖如圖2.4所示。

四、教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能仿真驗(yàn)證

發(fā)碼器發(fā)出的激勵(lì)信號(hào)由十個(gè)正弦信號(hào)疊加成的正弦掃頻信號(hào)模擬，車載通信天線與地面設(shè)備通信天線使用變壓器進(jìn)行模擬（事實(shí)上當(dāng)列車通過地面設(shè)備時(shí)，車載天線和地面設(shè)備天線直接就相當(dāng)于構(gòu)成了一個(gè)變壓器，因此可以這樣仿真），諧振單元使用電感電容構(gòu)成，由多路開關(guān)代替多路選擇器，方便仿真時(shí)人工操作選擇相應(yīng)頻率點(diǎn)測(cè)試通信性能，當(dāng)所有開關(guān)都斷開時(shí)，沒有任何一個(gè)諧振點(diǎn)被接通，相當(dāng)于列車沒有通過地面設(shè)備，接通某個(gè)開關(guān)后，發(fā)送的激勵(lì)信號(hào)中某個(gè)頻率產(chǎn)生諧振，相當(dāng)于列車通過某個(gè)信號(hào)設(shè)備。

五、結(jié)束語

本文針對(duì)機(jī)車信號(hào)設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn)使用不方便的實(shí)際情況，運(yùn)用數(shù)據(jù)采集卡等硬件設(shè)備以及Lab Windows/CVI的軟件開發(fā)環(huán)境，開發(fā)出一套基于硬件在環(huán)仿真的應(yīng)答器教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。為應(yīng)答器教學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和環(huán)境，突破了傳統(tǒng)儀器設(shè)備在數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，交換，數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)，共享等諸多方面的限制。使用戶可根據(jù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的需要，對(duì)儀器的系統(tǒng)功能通過軟件編程實(shí)現(xiàn)自由組合

參考文獻(xiàn)：

[1]? 王亞舉.高速鐵路列控系統(tǒng)中應(yīng)答器維護(hù)探究[J].通訊世界，2017（07）：290.

[2]? 楊勇，儲(chǔ)云澤，奚嘯天.硬件在環(huán)仿真測(cè)試技術(shù)及其在船舶行業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].造船技術(shù)，2018（04）：62-65.

[3]? 朱輝，王麗清，程昌圻.硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的軟硬件基礎(chǔ)[J].小型內(nèi)燃機(jī)，1998（06）：24-28.

基金項(xiàng)目：2019年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目（鐵路電務(wù)設(shè)備故障管理研究，2019KY1571）

（作者單位：柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院）