LKJ2000型列車運行監控系統仿真研究

李曉杰，錢雪軍

（同濟大學 電氣工程系，上海 200331）

LKJ2000型列車運行監控系統仿真研究

李曉杰，錢雪軍

（同濟大學 電氣工程系，上海 200331）

針對LKJ2000型列車監控記錄裝置各功能模塊的交換信號，如機車工況信號、機車壓力傳感器信號，研制了基于單片機的模擬接口電路，可產生相應匹配的交換信號，用于LKJ2000型列車監控記錄裝置的脫機檢測；同時以VS2010為開發工具，利用MFC開發包設計了以Windows為平臺的上位機人機控制界面，并借助串口通信協議實現其與單片機模擬接口電路的雙向通信，構成了一套人機交互的仿真系統。該系統既可以應用于列車駕駛仿真器，也可以用于LKJ2000裝置的教學培訓。

LKJ2000；單片機；列車監控；仿真系統

LKJ2000型列車運行監控裝置是借鑒國內外ATP及ATC技術研究開發的新一代列車超速防護設備，該裝置通過采集列車運行中的各種狀態信息，如列車運行速度信號、制動系統壓力信號、軌道信號等，結合車載存儲線路參數，進行分析處理，以控制列車的運行速度，實現安全控制[1]。鑒于LKJ2000型監控記錄裝置在我國的大范圍使用及對我國鐵路現代化建設的推動[4]，對其進行仿真研究也具有重要意義。本研究要構建一個LKJ2000半實物仿真系統，用于列車駕駛模擬器或設備的教學培訓。

本文中主要利用51單片機作為機車信號的模擬發生器，并按照具體機車信號的類別劃分不同的信號產生模塊，各模塊由硬件接線直接與LKJ2000裝置相連。單片機通過串口通信協議與PC上位機相連接構成一套簡易仿真系統，同時可與其他列車駕駛仿真器相配合，為列車人員培訓提供一個可參考的平臺。

1 系統結構

本文所構建的LKJ2000型列車監控裝置仿真系統主要由PC平臺上位機系統以及單片機下位機系統構成，如圖1所示。PC平臺與單片機通過雙串口相互通信，分別為RS232及RS422串行口通信，RS232用作單片機ISP在線燒錄接口，RS422相比RS232具有更強的驅動能力，用作單片機與PC的數據收發端口，實現PC平臺對單片機的控制。單片機作為機車模擬接口以各類電信號的形式與LKJ2000交換信息，其主要功能即是按照PC平臺的控制命令產生正確且與LKJ2000相匹配的信號，最終達到在PC平臺對LKJ2000裝置的仿真的目的。

圖1 仿真系統結構

2 LKJ2000仿真信號描述

對LKJ2000的仿真主要通過與其交換各類不同的電信號，同時為了設計單片機硬件電路，需要對LKJ2000采集的機車信號進行分類。

LKJ2000系統框圖如圖2所示。

圖2 LKJ2000系統框圖

2.1 數字量輸出信號

6路110 V數字量輸出信號，該信號為LKJ2000的機車工況采集信號，分別為零位信號（LW）、前向信號（XQ）、后退信號(XH)、牽引信號（QY）、制動信號（ZD）、備用通道（SBBAK0）。

10路50 V數字量輸出信號，該信號為機車燈信號，分別表示綠燈（L）、綠黃燈（LU）、黃燈（U）、黃2燈（U2）、雙黃燈（UU）、紅黃燈（HU）、紅燈（H）、白燈（B）、兩路備用通道（B0、B1）。

2.2 數字量輸入信號

6路110 V數字量輸入信號，該信號為機車控制輸出信號，是LKJ2000裝置通過繼電器輸出至機車的控制信號。6路分別為卸載信號（XZ）、減壓信號（JY）、關風信號（GF）以及3路備用通道（BAK0、BAK1、BAK2）。

2.3 模擬量輸出信號

共7路模擬量信號，4路為列車管壓信號，變比為1 000 kPa:5 V，即信號輸出范圍為0 V ～5 V，表示范圍0 kPa ～1 000 kPa；1路原邊電流信號，1路原邊電壓信號，用來電力機車在運用中所消耗電網電能的功率，變比分別為300 A:1 V和300 V:1 V(均為有效值)，即信號輸出范圍為0 V～5 V，表示范圍為0 A（V）～1 500 A（V）；1路加速度信號，用于表示列車的加速度信號，變比為1 V/g，檢測范圍為±1.5 g，加速度為0時，輸出為2.5 V，即模擬量電壓輸出范圍為1 V～4V。

2.4 頻率輸出信號

共4路頻率信號，其中3路為機車速度信號，信號幅值為15 V，頻率范圍為0 Hz ～3 333 Hz，對應車輪轉速為0 r/min～1 000 r/min，即每轉產生200個脈沖信號，最大可表示機車速度為197 km/h；1路柴油機轉速信號，信號幅值為15 V，頻率范圍為0 Hz ～25 Hz，對應0 r/min ～1 500 r/min。

3 下位機系統

下位機采用51單片機，型號為STC15F2K60S2，采用LQFP44封裝，具有42個I/O口，搭載2個串行口、1個SPI接口、以及3個定時器，不需要外圍晶振電路及復位電路。

3.1 電源模塊

為產生多種類不同電壓電平信號，下位單片機采用110 V直流進線，利用MornSun電源模塊降壓產生15 V直流電源，型號為URB1D15XD-10W，在此基礎上再利用7805芯片降壓產生5 V的電源電壓。

3.2 數字量輸入輸出模塊

由于單片機載流能力有限，如果輸出信號全部直接采用單片機I/O口驅動，會導致單片機過熱損壞，故均通過74HC244芯片驅動并由光耦實現光電隔離。

圖3中，各驅動電阻可通過TTL電平與光耦的正常驅動電流(約為10 mA)的比值得到，約為500 Ω，考慮到PCB制板的尺寸以及電阻封裝的承載能力，可采用1206封裝。

數字量輸入信號電路與輸出信號電路相似，僅在其基礎上增加了施密特觸發反相器，對信號整型。

3.3 頻率量輸出模塊

頻率量模塊電路與數字量模塊電路相同，該模塊中光耦的開關速度要求較快，故采用高速光耦。

3.4 模擬量輸出模塊

圖3 數字量輸出信號驅動電路

模擬量信號通過2塊10 bit數模芯片AD5314實現，每塊芯片均有4路輸出通道。通過單片機自帶的SPI接口實現連續調節8路輸出通道的電壓，理論精度可到達2-10V。連接方法如圖4所示。

圖4 單片機SPI接口與AD5314接法

AD5314具有雙緩沖寄存器，拉低數模芯片的片選端，單片機SPI接口的MOSI端在16個時鐘周期內（16個時鐘周期后數據無效）發送數據至數模芯片的數據端，數據自動送入輸入寄存器之后轉存入DAC寄存器，并根據發送數據更新輸出端口及輸出電壓（參考電壓為5 V）。

3.5 通信模塊

通信模塊采用雙串口，RS232作為單片機程序燒錄口，RS422作為單片機與上位機通信端口。兩者同時互作備用，芯片分別采用MAX232及MAX4390。

3.6 單片機程序

單片機程序流程如圖5所示。

圖5 單片機程序流程圖

4 上位機系統

上位機控制界面以VS2010為開發平臺，基于MFC庫實現。重點介紹串口通信的編寫及各信號發送的數據包。

4.1 串口通信模塊編寫

串口通信模塊采用Windows API函數編寫，并單獨將其封裝成一個Serial類，包含了配置串口，打開串口，串口讀寫及關閉串口等函數。同時為了保證數據傳輸過程中數據的完整性、正確性，增加一個數據校驗的封裝類PIScomm對發送、接收數據進行數據校驗并封裝成數據包。其結構如圖6所示。

圖6 通信模塊結構圖

4.2 各信號數據包（封裝前）

（1）機車燈信號（10路50 V數字量信號）數據包僅需1 byte數據。從0x00～0x0a分別表示10個燈信號中某一個打開，其余關閉。

（2）機車工況信號（6路110 V數字量信號）數據包包含2個byte。第1個byte用于選中端口號，第2個byte用于表示選中端口的開關狀態。

（3）機車管壓信號（7路模擬量信號）包含14個byte數據。每2個byte表示一個管壓通道的信號，可直接由單片機SPI接口送入芯片。每2個byte中最高2 bit用于數模芯片選擇4通道中的一個通道，最高次2 bit分別是低功耗位及4通道同步位，這里都取1不使用，同樣最低2 bit為無效位也不使用。數據位為第3 bit～第12 bit，10個數據位表示輸出的電壓大小，如圖7所示。計算公式如式（1）。

圖7 AD5314輸入寄存器

（4）機車速度信號（4路頻率量信號）數據包包含16個byte數據，每個速度信號通道有4個byte數據。前2個byte分別為定時器的定時高位和低位計數，第3個byte表示是否將單片機定時器12分頻，第4個byte表示是否需要增加外循環。前文已述速度頻率量的范圍為0 Hz～3 333 Hz，為實現此頻率寬度在單片機程序中采用分段式的頻率產生方法，頻率在168.75 Hz～3 333 Hz時，可通過定時器直接定時產生，并計算最大誤差在3 333 Hz時產生約為1 Hz，轉換為轉速為0.3 r/min，在可接受的范圍內。當頻率在14.062 5 Hz～168.75 Hz時，需要將單片機的定時器進行12分頻，也可得到精確的頻率，在這里由于頻率較低故可忽略由單片機中斷程序產生的額外機器指令周期。當頻率小于14.062 5 Hz時，需要利用軟件加入外循環增加計數次數，這就帶來了因運行循環指令造成的額外誤差，但鑒于此段頻率很低故認為滿足精度。程序中對小于14.062 5 Hz的頻率增加了500次循環計數，理論可產生最低0.028 125 Hz。

5 仿真結果

5.1 上位機界面

上位機界面如圖8所示。

圖8 上位機界面

5.2 速度信號波形

以周期3 ms為例，速度信號如圖9所示。

圖9 速度信號波形

從圖9中可看出，頻率脈沖信號符合理論值，其他信號雖未用圖展示但也符合理論值。

6 結束語

仿真結果證明，該仿真系統完全能夠實現設計的初衷，相應信號均能正確產生，并與LKJ2000匹配工作，同時也能與其他仿真器配合，實現PC平臺對LKJ2000型監控裝置的仿真應用。

[1]楊志剛.列車運行監控記錄裝置[M]. 北京：中國鐵道出版社, 1999.

[2]邵志和.LKJ2000型列車運行監控記錄裝置的研究[D].長沙：中南大學，2005.

[3]藺 雯.簡單介紹LKJ2000型列車運行監控裝置[J].科學之友，2011（18）：72-73.

[4]梁紅梅. LKJ2000型列車運行監控記錄裝置的發展及應用[J].科技創業月刊，2012，（6）：176-178.

[5]劉書智.Visual C++串口通信與工程應用實踐[M].北京：中國鐵道出版社，2011.

[6]蔣大煒. 列車監控系統仿真及應用研究[D].上海：同濟大學，2008.

[7]李鳳華,錢雪軍. 基于Windows XP Embedded的LKJ2000仿真系統設計與實現[J]. 鐵路計算機應用，2013，22（7）：28-30.

責任編輯 徐侃春

Simulation on LKJ2000 Train Operation Monitoring Control System

LI Xiaojie, QIAN Xuejun
( Department of Electrical Engineering, Tongji University, Shanghai 200331, China )

According to the different switching signals from corresponding different functional modules of KJ2000 train monitoring and recording devices, such as the locomotive condition signal, locomotive pressure sensor signals, a microcontroller-based analog interface circuit was developed to produce the appropriate matching signal available for off l ine detection of LKJ2000 train monitoring and recording device. With VS2010 development tools and MFC software-development-kits, a platform was designed on the Windows platform for human-machine interface control. To implement the two-way communication between the microcontroller analog interface circuit and the Windows platform, serial communication protocol was applied and a set of Human-machine Interface Simulation System was formed. The research results showed that the System could not only be applied to the locomotive simulator but also for the corresponding teaching and training.

LKJ2000; single chip; train monitoring control; Simulation System

U284.55∶TP39

A

1005-8451（2015）05-0038-04

2014-10-28

李曉杰，在讀碩士研究生；錢雪軍，副教授。