曹李竹，周慶飛

1.滇西科技師范學院信息科學與技術(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)鎖控制實驗系統(tǒng)

曹李竹1，周慶飛2

1.滇西科技師范學院信息科學與技術(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)鎖實驗系統(tǒng)是現(xiàn)代高校鐵路信號專業(yè)教學中很重要的實驗設(shè)備，能實現(xiàn)對鐵路現(xiàn)場各個設(shè)備的高度仿真，學生可以通過實驗系統(tǒng)對實際的鐵路系統(tǒng)有一個比較好的認識。本文中通過設(shè)計一個基于嵌入式的模擬鐵路系統(tǒng)，學生可以通過它清楚地看到鐵路現(xiàn)場各設(shè)備的工作狀況。譬如道岔如何扳動、軌道如何斷電給點、聯(lián)鎖控制如何實現(xiàn)等。

聯(lián)鎖控制；實驗系統(tǒng)；嵌入式

鐵路信號系統(tǒng)，作為鐵路運輸系統(tǒng)的一個重要組成部分，其主要功能為指揮行車、保證行車安全、提高運輸效率和改善勞動條件，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，就必須使信號機、進路、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)計一個基于嵌入式的模擬鐵路系統(tǒng)，學生可以通過它清楚地看到鐵路現(xiàn)場各設(shè)備的工作狀況。譬如道岔如何扳動、軌道如何斷電給點、聯(lián)鎖控制如何實現(xiàn)等。

1 系統(tǒng)設(shè)計

為達到與鐵路現(xiàn)場一致的效果，系統(tǒng)搭建了模擬軌道交通現(xiàn)場設(shè)備的軌道交通沙盤，沙盤主要由鐵路現(xiàn)場室外設(shè)備信號機、道岔、軌道電路等組成的真實車站系統(tǒng)，學生需要自行設(shè)計上位機人機交互層、單片機聯(lián)鎖運算層、驅(qū)動采集接口層來實現(xiàn)對沙盤車站系統(tǒng)的控制，實現(xiàn)列車正、側(cè)線接發(fā)車。學生可以自行選擇VB、MFC、C#、JAVA等各種語言編寫上位機顯示程序，通過串口對單片機聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)送指令，由單片機通過接口電路對沙盤的模擬軌道、信號燈、道岔進行信號驅(qū)動與采集。實驗過程需要學生自行搭建驅(qū)動采集接口板、連接單片機控制電路、設(shè)計單片機聯(lián)鎖程序及上位機顯示程序。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

本軌道交通聯(lián)鎖控制實驗系統(tǒng)主要由三個部分組成：上位機終端（人機界面）、控制系統(tǒng)和模擬軌道（包括轉(zhuǎn)轍機、信號機、軌道電路）三部分組成。三個部分之間的關(guān)系如圖1所示。

1.2 人機界面

其中上位機終端部分實際上就是為模擬車站配備一個人機交互設(shè)備，人機交互界面是一個模擬控制中心，能對模擬鐵路現(xiàn)場的沙盤中的各個設(shè)備進行控制。包括道岔的狀態(tài)、信號機狀態(tài)、軌道上直流電源的極性等進行控制。同時在人機界面可以通過實驗系統(tǒng)的站場圖實時觀察具體的進路選擇信息，實時監(jiān)控仿真火車的具體位置、信號機狀態(tài)、道岔狀態(tài)和軌道區(qū)段的占用狀態(tài)[2]。人機界面如圖2所示。

圖1 實驗系統(tǒng)組成

圖2 人機交互界面

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)包括一個嵌入式系統(tǒng)最基本的組成：電源、時鐘和復位電路、CPU等。

輸出模塊（即驅(qū)動模塊）用來控制系統(tǒng)中的道岔轉(zhuǎn)轍機、信號機，同時也驅(qū)動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)段上機車動力直流信號電源的極性[3]，從而控制火車的行駛方向。其中輸出驅(qū)動電路由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]。采集到的各個狀態(tài)將在上位機的站場圖中顯示出來。同信號輸出部分相同，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。模擬軌道部分主要由軌道電路、道岔、信號機構(gòu)成。

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

本系統(tǒng)現(xiàn)已成功應(yīng)用于車站信號自動控制及鐵道信號課程設(shè)計等實驗教學課程。軌道交通聯(lián)鎖控制實驗主要用于軌道交通聯(lián)鎖控制原理的學習與實踐驗證，學生根據(jù)確定的進路、道岔、信號機之間的關(guān)系，編制聯(lián)鎖表，以此作為編程與控制依據(jù)，編寫單片機聯(lián)鎖邏輯控制信號機、進路、道岔之間的聯(lián)鎖關(guān)系，從而實現(xiàn)演示系統(tǒng)的聯(lián)鎖性能。

2 創(chuàng)新點

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

2）因材施教多樣化。本實驗系統(tǒng)僅為學生提供功能性及視覺性參考，在實際教學中由學生自行搭建復原整個系統(tǒng)，但對操作及實現(xiàn)方式不作要求，學生可以選擇性使用VB、C++、C#、JAVA等軟件制作上位機顯示終端，也可以選擇單片機、ARM、DSP等控制器設(shè)計控制器，學生可自由選擇熟悉或渴望學習的軟硬件平臺，大大地提高了學生學習和實踐的興趣，因材施教培育多樣化人才。

3）理論教學實踐化。軌道交通聯(lián)鎖控制涉及車站信號自動控制等鐵道信號專業(yè)課程，但由于校內(nèi)鐵路現(xiàn)場設(shè)備缺乏等現(xiàn)狀，學生往往對專業(yè)課程、實際設(shè)備工作原理理解不到位，本實驗系統(tǒng)通過將課內(nèi)知識實踐化，通過學生動手實踐加深對專業(yè)課程的認識與理解。

3 作品新穎性、實用性，與教學結(jié)合情況

1）新穎性。軌道交通聯(lián)鎖控制系統(tǒng)是現(xiàn)代鐵道信號專業(yè)教學迫切需要的設(shè)備，它將鐵道信號微機聯(lián)鎖科研成果應(yīng)用于本科生實踐教學，開創(chuàng)了科研成果教學化的新篇章；本作品與鐵道信號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；本作品以學生中心因材施教，融合多學科、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)為學習點，可實現(xiàn)對模擬軌道沙盤的控制，實現(xiàn)列車正、側(cè)線接發(fā)車過程，實驗允許學生自行動手替換上位機終端、單片機聯(lián)鎖控制器、驅(qū)動采集接口板等，操作具體，實用性較強，是卓越工程師人才培養(yǎng)的實踐教學平臺。

3）與教學結(jié)合情況。軌道交通聯(lián)鎖控制系統(tǒng)依托車站信號自動控制、鐵道信號課程設(shè)計等課程，自2008年系統(tǒng)研發(fā)應(yīng)用至今每年培育鐵道信號專業(yè)兩個班約60人，本作品可加深學生對車站聯(lián)鎖控制理論知識的理解，提高學生實際操作的能力，達到知行相成的效果。

[1]張佳楠.基于嵌入式系統(tǒng)的車站信號安全軟件設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京交通大學，2006.

[2]李娟.基于軌道交通聯(lián)鎖控制實驗系統(tǒng)的軟件設(shè)計[J].鐵路計算機應(yīng)用，2011.

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

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1674-6708（2015）150-0161-02