铁路运输仿真实验平台硬件系统设计

邬芝权，翟 旭，靳 桅

（西南交通大学 计算机与通信工程系，峨眉山 614202）

铁路运输仿真实验平台硬件系统设计

邬芝权，翟 旭，靳 桅

（西南交通大学 计算机与通信工程系，峨眉山 614202）

针对仿真铁路现场的沙盘缩略模型，设计硬件控制系统，特别是信号机和道岔的专用驱动电路，使上位机能控制沙盘上的信号设备和采集信号设备的状态，以利于铁路运输各个功能的仿真。本项目采用了Visio，Altium Designer，keil uvision4工具，完成了接口电路、信号机驱动电路、道岔驱动电路的设计，并为上位机提供二次开发接口。最终上位机通过二次开发接口，实现了上位机对沙盘上设备的控制和状态数据的采集读取的测试。

实验平台；铁路运输；硬件系统；二次开发接口

铁路运输仿真实验平台是西南交通大学铁路运输管控一体实验室建设项目的一个组成部分。其设计思路是构建铁路运行过程仿真环境，在基于现场的沙盘缩略模型上，构建信号、道岔、轨道电路、车辆等实物对象，通过硬件系统对实物对象进行控制，使之能实现对各对象的作业过程及相应的控制过程仿真。铁路运输仿真实验平台硬件系统是在上位机运行的铁路运输管理控制软件和沙盘信号设备之间的中间设备,既要和上位机通信，又要控制和检测沙盘上的信号设备，其结构示意如图1所示。

本硬件系统的创新点在于它周期性地采集沙盘信号设备状态信息，将变化的状态及时回送给上位机。因此，可以在沙盘上对信号设备或线路设置故障，既可以培训学员查找和排除故障的能力，也可以训练学员在故障出现后的应急处理能力和预案实施能力。硬件系统设计内容包含接口和协议，信号灯驱动及检测、道岔驱动及检测3个部分，发车表示器和紧急停车按键可以采用信号灯驱动及检测电路来完成。

图1 铁路运输仿真实验平台的结构示意图

1 硬件系统接口及协议

硬件系统接口的设计要综合考虑信息通信速度、数据格式、抗干扰性、沙盘布线便捷性、实时性和可扩展性等因素。对沙盘上的信号设备控制和数据采集具有2个特点：（1）数据都是开关量信号，数据量不大；（2）信号设备主要集中在车站部分,站内部布线较多但线路短,站间布线较少但线路长。在综合分析USB、网络、WiFi和RS232，RS485等类型接口后，RS-485接口具有组网简单、抗干扰性强、接口芯片价格便宜、传输距离远等特点，比较适合于沙盘的控制接口。最后选择的组网方案是：一个硬件系统管理一个或相邻近的几个站，各个硬件系统之间采用RS485通信来组网，并连接至上位机。RS-485接口示意图如图2所示，接口芯片为MAX485，通信接口端使用120 Ω终端电阻，稳压管接地作为瞬态保护，接口始终处于接收数据状态，当UART有数据发送时切换为发送模式。

图2 通信接口示意图

RS485为半双工通信模式，通信时需由上位机决定和哪一个控制系统进行数据通信，通信协议设计参照modbus协议，格式如表1所示。一帧数据的结构包含同步字符、地址、数据长度、数据和校验。

表1 通信协议格式

为了区别数据流动的方向，从上位机至沙盘流向的数据帧的同步字符使用0x55，返回的数据帧使用的同步字符为0xAA。车站地址为控制系统中固化的一个地址，具有唯一性。命令字包含读写车站地址，读写道岔状态，读写信号灯状态，写发车表示器，读紧急停车按键状态等。数据帧的第3字节决定数据长度，最后一个字节为校验字。

2 信号灯驱动及检测

信号灯采用LED来制作，驱动信号灯的电路比较简单，但要检测信号灯状态，特别是信号灯数量多的时候，就显得比较复杂。信号灯的正常工作状态有亮不亮2种状态，故障状态有短路、断路和接地3种状态。由于LED在点亮时有不同的压降值，红、黄色在1.8 V～2.5 V之间，绿色在2.7 V～3.3 V之间。根据此特点，可以通过检测LED在导通情况下是否存在规定范围的压降来判断LED是否点亮或处在何种故障状态。为了测量LED的压降，可以采用A/D方法来采样，但这种方法需要使用微控单元（MCU）许多IO口和消耗大量采样转换时间，不利于在信号灯数量比较多的情况下使用。西南交通大学的铁路沙盘教学模型上共有860个需控制的灯位，灯位置分散，数量多。根据CMOS门电路翻转的输入电平阀值总是为电源的1/2，是随电源波动的。根据这些特点，对一个正常点亮的LED灯的压降进行测量，在测量点外接电阻网络，使不同的输入得到不同的逻辑值，从而快速判断出LED的各种状态。根据这些原理，设计了信号灯驱动及检测卡，每个板卡能管理32个灯位，板卡之间采用统一的串行总线，可以级联。板卡的原理如图3所示，板卡之间级联的总线使用74HC245驱动，信号灯的控制数据通过CMOS工艺制造的串入并出移位寄存器74HC595送出。检测数据采用CMOS工艺制造的并串入出移位寄存器74HC165送至MCU。每个信号灯需要使用74HC595和74HC165两个点位。

在图3中，当要控制序号为x灯位的信号灯时，控制数据需送至74HC595的Q2x端，Q2x端输出高低电平使信号灯Lx熄灭或点亮。当检测序号为x灯位的信号灯时，在Q2x端和Q2x+1端输出00B、01B、10B和11B共4种状态，读回每种状态的D2x端和D2x+1端的值，根据返回的逻辑值进行分析就可以判断出信号灯的状态。

3 道岔驱动及检测

以指示灯L0为例进行说明，指示灯电路的输入信号是Q0和Q1，输出是D0和D1，当信号灯处在不同的故障模式时，其输入和输出数据如表2。如果Q0和Q1端为00B、01B、10B和11B这4种状态时，返回的4个D0和D1的值，由低位至高位构成一个字节，其值为设备状态值，如表2所示。

表2 信号灯在不同状态下呈现的逻辑值

通过设备状态值，可以判断信号灯的故障状态。要判断信号灯的工作状态，首先要判断出信号灯是正常，读回的设备状态值为0xf8。这时，信号灯的工作状态由Q0决定，Q0为0时，信号灯亮，Q0为1时，信号灯灭。

沙盘对道岔的控制采用24 V推拉式电磁铁，其磁性对道岔有锁紧功能。道岔的检测采用非接触式光电开关，正反位各装一个。道岔驱动的数据和采集数据的传输通道和信号灯数据传输一致，驱动信号数据使用74HC595，采集到的数据采用74HC165回送。一个道岔的控制和检测电路如图4所示，道岔驱动的信号为74HC595的Q0脚，通过组合逻辑电路控制，可使L293D驱动转辙机线圈电流正向、反向或无电流，使道岔搬动到不同位置。

道岔搬动时，带动道岔联接机构，当道岔联结机构可靠到达定位（反位）检测装置一侧时，检测器就会输出定（反）位脉冲信号。定位（反位）检测电路首先采用反相器40106和电阻、电容构成TTL反相RC振荡器，输出方波信号驱动红外发光二极管，其中定位检测电路的电阻是反位检测电路电阻的2倍。故输入到定位红外发光二极管的驱动方波的频率是反位的一半，这样通过频率来区别定位和反位脉冲的输入。红外接收二极管接收到信号后，将信号调理输出至MCU进行识别，识别后的道岔状态通过74HC165的D0端回送至主控制卡。

转辙机线圈采用直流24 V电源供电，其阻抗很小，长时间供电会烧毁线圈或驱动芯片L293D。当保护MCU检测到道岔控制到位后，会及时拉低L293的使能脚EN，切断转辙机线圈供电，达到保护目的。如果MCU不能检测到道岔是否到位，MCU也会在0.4 s内切断转辙机线圈供电，1 s后再行试探，如3次检测到道岔不到位，也会切断转辙机线圈供电，故障数据通过74HC165的D1端回送至主控制卡。

4 硬件系统测试

整个硬件系统包括主控制卡、信号灯驱动及检测卡、道岔驱动及检测卡组成，板卡之间采用PCI插槽进行级联，主控制卡为上位机提供RS485接口和控制协议，信号灯驱动及检测卡负责管理信号机、发车表示器和紧急停车按键，道岔驱动及检测卡负责管理道岔。1套硬件系统包含1个主控制卡和数量不等的信号卡和道岔卡，安装在1个控制箱内，可以控制1个车站或相邻的几个车站。1个沙盘可能有多条线路，1条线路可以有多个控制系统，安装在1个控制柜中，板卡实物和组装后的控制柜如图5所示。

图4 道岔控制及检测电路

上位机通过硬件系统的RS485接口可以控制和检测信号设备状态，可以验证铁路运输的各个环节，也可以验证联锁软件的逻辑关系。图6是西南交通大学学生设计的计算机联锁系统软件在沙盘上测试的运行情况，经过多组学生实际操作，证明该硬件系统可靠、稳定。

5 结束语

铁路运输仿真实验平台硬件系统为上位机提供二次开发接口，提供协议，使上位机可以便捷的管理沙盘信号设备。沙盘信号设备不但能控制，还能检测状态，在仿真营运环境的过程中可以设置故障状态，以便训练培训人员的故障处理能力和应急方案处理能力。仿真实验室能模拟在运输现场各个环节很难实现的状况，为高校、铁路局培训单位和研究部门的教学、培训和科研提供服务。

图6 计算机联锁软件在沙盘上的测试情况

责任编辑 方 圆

[1] 叶敬贤. 轨道交通联锁实验系统的研究[D].北京：北京交通大学，2009.

[2] 赵 煜. 铁道信号电子沙盘系统整体规划及设计[D].成都：西南交通大学，2009.

[3] 张 博，王思明，肖健华. 基于C8051F330的铁路模拟沙盘的设计与开发[J]. 科学技术与工程，2008（3）：700-702，714.

[4] 邬芝权. 铁路信号仿真实验室的硬件系统设计及其信号机程序测试[D]. 成都：西南交通大学，2011.

[5] 雍志强. 铁路综合演练系统的开发与实现[D]. 成都：电子科技大学，2008.

[6] 周 妍，周磊山. 高速铁路行车调度指挥一体化仿真实验平台设计与研究[J]. 铁道学报，2012（6）：1-7.

[7] 李 锦. CTC铁道运输教学沙盘系统设计研究[J]. 福建广播电视大学学报，2013（4）：80-83.

Hardware System of railway transportation simulation experiment platform

WU Zhiquan, ZHAI Xu, JIN Wei
( Department of Computer and Communication Engineering, Southwest Jiaotong University, Emeishan 614202, China )

For the sand table thumbnail model of simulating railway scene, to control the status of signal device and signal acquisition device on the sand table through the upper computer, and in order to facilitate the simulation of various functions for railway transportation, the hardware control system was designed, and the dedicated driver circuits of signal lights and turnout were designed especially. The project adopted some tools such as Visio, Altium Designer and keil uvision4 to implement the design of interface circuit, signal lights driver circuit, turnout drive circuit. The secondary development interface was provided for the upper computer. The upper computer could control the device on the sand table, collect and read the status data through the secondary development interface.

experiment platform; railway transportation; Hardware System; secondary development interface

1005-8451（2015）06-0036-04

U29∶TP39

A

2014-11-12

教育部春晖计划科研合作项目（2013CH012NM）。作者简介：邬芝权，实验师；翟 旭，讲师。