城市軌道交通運營安全模擬沙盤列車模型控制系統的設計*

陳岳劍 邢宗義 黃 超

(1.南京理工大學機械工程學院，210094，南京;2.同方人工環境有限公司，100080，北京∥第一作者，碩士研究生)

運營安全是城市軌道交通的基礎。城市軌道交通運營安全模擬沙盤可以模擬不同類型的事故或危險環境，并可進行不允許實際發生的重大事故的仿真實驗，從而為城市軌道交通安全運營積累經驗和提供技術支持，在實際運營中減少或避免安全事故。城市軌道交通運營安全模擬沙盤的核心是列車模型控制系統，通過該系統實現運營圖模擬、列車救援等功能。對列車模型控制系統功能的基本要求是能夠控制列車模型、道岔和信號燈，準確判斷列車位置。

列車模型控制系統的功能通過工控機、可編程邏輯控制器(PIC)和單片機等實現［1-5］。文獻［1］開發的城市軌道交通綜合實訓系統采用工控機控制沙盤站場設備，采用AT 96 總線連接各工控機，并設計了列車、信號燈和道岔控制電路。文獻［2］開發的軌道交通實驗控制系統采用工控機作為主站進行控制:由工控機通過功率輸出板實現信號機和道岔轉轍機的輸出控制，并同時用于驅動軌道供電電路的繼電器，實現列車的正反向行駛;通過開關量輸入板實現列車位置等信息的采集。采用工控機實施控制存在成本高、通用性差的缺點，不利于推廣應用。文獻［3］開發的城市軌道交通ATC(列車自動控制)模擬系統采用調制解調器產生的軌道電流信號控制列車，采用MSP 430 單片機控制道岔、信號燈和列車定位，在PC(電腦)端運行調度軟件實現各個被控對象的模擬控制。但該系統未考慮分布式控制，現場道岔信號燈均集成在一塊控制板上，導致場景內走線雜，系統可維護性較差。文獻［4］開發的鐵路運輸綜合演練沙盤采用C8051F330 單片機控制道岔、信號燈和進行區間定位，通過單片機控制接觸網供電從而對機車進行控制。但該系統未應用數字電流控制技術，且機車采用接觸網與干電池聯合供電，使得系統兼容性較差。

本文提出一種基于485 總線的PIC 單片機分布式列車模型控制系統設計方案。根據城市軌道交通運營安全模擬沙盤仿真需要，該系統實現了列車模型方向及速度控制、道岔與信號燈控制、列車位置探測，并可通過串口與PC 端的上位軟件互聯，實現基于PC 端軟件的列車模型控制。

1 列車模型控制系統設備基本原理

列車模型控制系統的設備主要包括列車模型、道岔、信號燈、道岔轉轍機、列車定位設備等。由于主流的列車模型已經配置了解碼模塊，因此，本文只介紹列車模型數字命令控制的原理，不再進行列車解碼器的開發工作，本節也不再贅述列車模型的基礎知識。信號燈一般采用簡單的發光二極管，采用開關量輸出驅動顯示，道岔根據實際需要采購現成的產品，因此本文對此也不再進行詳述。道岔轉轍機和列車定位有多種實現方式，實現方式是列車模型控制系統的核心，下文分步進行原理介紹及優缺點分析。

1.1 列車模型數字直流控制

在列車模型控制系統中，模型列車通過金屬車輪獲取加載在軌道上的驅動電流，實現列車的速度及方向控制。

根據電流信號的不同，列車模型控制可分為直接直流控制(Direct Current，簡為DC)和數字命令控制(Digital Command Control，簡為 DCC)［6］。早期的DC 控制屬于模擬控制，通過加載電流的大小和極性實現列車的速度和方向控制，但在同一區間內DC無法實現不同列車的獨立控制，且存在低速時列車運行不平穩等缺點，因此DC 控制只能用于簡單的展示沙盤等場景。在DC 基礎上發展完善的DCC控制，采用在軌道上加載數字電流信號的方式實現了對列車模型的控制。列車模型對軌道的數字電流進行整流后作為驅動電源，同時通過解碼器獲取列車地址、運行方向及調速信號，實現了模型列車的獨立控制。

DCC 的電流信號由方波信號調制而成，如圖1所示。方波幅值根據不同比例的列車模型確定，如HO 比例的列車模型對應的方波幅值為14.5 V。在方波電流信號中，短波代表1，其周期為116 μs;長波代表0，其周期為232 μs;延伸0 代表數據包結束，周期在 95 μs 至 9.9 ms 之間。

圖1 DCC 信號時序示意圖

數字命令控制DCC 數據包由引導位、地址字節、數據字節、校驗字節組成，其中引導位由大于14 位的1 組成，數據字節不大于4 且每個字節由0 間隔。DCC 信號除了實現傳統的列車速度與方向控制、列車燈光與音效控制、信號燈道岔解碼操作外，還可以針對地址字節實現車頭解碼變量配置等功能。

1.2 道岔轉轍機

在列車模型控制系統中，道岔轉轍機可分為舵機轉撤和電磁轉撤2 種。舵機轉撤是在軌道上安裝小舵機，通過連桿機構實現道岔的轉撤控制，但存在舵機機械安裝復雜、故障率高、扳道時間較長等缺陷。電磁轉撤是在道岔附件上安裝2 個電磁線圈，通過線圈內部的卡簧實現鎖閉功能，當需要進行轉轍時，控制系統對應的驅動電路輸出電流至電磁線圈，并克服卡簧的鎖閉，從而帶動叉芯位移實現道岔轉轍。道岔轉轍機可采用DCC 傳輸控制信息，然后通過專門的解調單元實現控制，也可以直接由專門控制板卡實現。

1.3 列車模型定位

列車模型定位是指對列車位置的反饋探測，是實現區間閉塞控制的基礎，主要有機械微動開關、電流判斷、光電傳感器、霍爾傳感器以及干簧管等定位方法。機械微動開關方式是在軌道上鋪設機械觸點，列車經過時接觸式檢測出列車位置，該方法存在機械開關壽命短且接觸式檢測影響列車運行等缺點。電流判斷方式是將軌道劃分為若干個區間，并實現不同區間的物理電隔離，當列車處于某區間時，由于軌道供電會造成該區間軌道電流變化，從而可通過電流檢測實現列車定位。光電傳感器方式是在軌道區間內鋪設光電對管，當列車經過時，光電對管的信號經列車底部反射，經信號調理電路生成0 或1 信號，從而進行列車有無判斷，實現列車定位。霍爾傳感器方式與光電對管類似，在列車底端安裝一小塊磁鐵，當列車經過時霍爾傳感器由于磁場變化產生霍爾電勢差，經信號調理后產生0 或1 信號。干簧管方式同樣是在列車底端安裝一小塊磁鐵，當列車經過時，磁鐵使得干簧管的簧片磁化，簧片觸點被磁力吸引，常開觸點狀態轉換為吸合，從而進一步經由數字量輸入模塊實現列車定位。干簧管結構簡單、體積小、壽命長、工作可靠，已經成為非接觸式列車定位的主要方式。

2 列車模型控制系統架構及關鍵技術

2.1 單片機選型

根據列車模型控制系統的需要，本文選用美國微芯公司的PIC16F628A 單片機作為調制解調板和道岔解碼板等的核心控制器。該單片機具有精簡指令集和哈佛總線，自帶2048 字節的閃存程序存儲器、224字節的SRAM 和128 字節的EEPROM，除此之外還有16 路I/O、RB 口電平變化中斷、3 路定時器和可尋址的通用同步/異步收發器等資源，可完全滿足列車模型控制系統中解碼編碼板的主控制器要求。

2.2 列車模型控制系統架構

列車模型控制系統主要由電腦接口板、調制解調板、區間編碼板、信號燈解碼板和道岔解碼板，以及傳統的列車模型、道岔、轉轍機、信號燈和軌道組成，如圖2所示。電腦接口板實現上位機與單片機之間的通信，并直接讀取區間編碼信息。調制解調板作為控制中心，接收上位機控制指令或擴展接口連接的其它控制站的指令，將電流信號調制為標準的DCC 信號加載到軌道。區間編碼板實現對干簧管開關信號采樣編碼。信號燈和道岔解碼板實現對軌道DCC 對應信號的解碼，以實現信號燈和道岔轉轍機控制。上位機運行列車模型控制軟件，通過電腦串口發送指令，實現列車自動控制、救援調度等功能。

圖2 列車模型控制系統架構

控制系統的結構遵循了分布式設計，邏輯上可以分為3 個系統:以調制解調板為主控站的串行總線多機通信系統、分布式級聯的區間編碼系統以及信號燈道岔DCC 信號解碼系統。

2.3 串行總線多機通信系統

本文設計的串行總線多機通信系統的總線連接方式。總線標準遵循RS 485 半雙工異步通信協議，采用平衡驅動器和差分接收器組合傳輸，抗共模干擾能力強，在1 Mbit/s 傳輸速率下最遠有效距離可達100 m，并可允許最大掛載32 臺設備，完全滿足城市軌道交通運營安全模擬沙盤的需要。PIC 單片機通過美信公司MAX 485 芯片掛載到總線。可將調制解調板視為主機，而電腦接口板與手持遙控器、功放板和場景音效設備等可作為從機。PIC 單片機的可尋址通用同步/異步收發功能可對數據進行第9 位地址區分，使接收器自動尋址產生接收中斷，提高了總線傳輸效率。本文設計的串行總線多機通信系統支持分布式擴展，可以遵循總線標準掛載多塊調制解調板和電腦接口板等主從設備。

3 硬軟件設計

3.1 電腦接口板設計

電腦接口板由USB(通用串行總線)轉換接口、485 總線接口、PIC 單片機和區間編碼讀取接口組成。由于PIC16F628A 單片機未集成USB 接口功能，因此本文采用FTDI 公司的FT232BL 接口轉換芯片實現USB 轉換。區間編碼讀取接口采用德州儀器生產的8 路雙向非門集成芯片SN74LS245N。該芯片的傳輸方向控制引腳T/R 接高電平，從而定義芯片的A 引腳為輸入，定義B 引腳為輸出;該芯片的 B7、B6 和 B5 與單片機的 RST(復位)、LOAD(裝載)和CLOCK(時鐘)連接，實現單片機輸出控制，A4 與單片機的DATA(數據)連接，實現數據輸入讀取控制。

3.2 調制解調板設計

調制解調板由 DCC 調制電路、PIC 單片機和485 總線接口組成。列車及信號燈、道岔等控制信號，經由單片機兩個I/O 口，結合58μs 定時器進行DCC 信號的時序調制，然后經功率放大后加載到軌道。功率放大選用了意法半導體公司的全電機驅動芯片L 6203。L 6203 的最高工作電壓為48 V，最高工作電流為5 A，切換頻率為100 kHz，放大后的DCC 信號能驅動10 臺HO 比例的列車模型，滿足了本文沙盤系統的需求。

3.3 信號燈與道岔解碼板

信號燈解碼板與道岔解碼板均包含解調電路、單片機和輸出控制接口。采用光耦6N137 作為解調電路的輸入隔離，其最高切換速度為10 Mbit/s，完全滿足DCC 解碼要求。軌道中的DCC 信號作為元耦6N137 的輸入，其輸出連接到單片機的RB 口。單片機通過電平中斷和58 μs 定時器一起完成DCC信號解碼。單片機輸出口的控制信號，經ULN 2803達林頓管芯片功率放大后，實現信號燈點亮或道岔轉轍機線圈上電。

3.4 區間編碼板設計

區間編碼板由前端觸發電路和后端串/并入串出電路組成，實現對列車有無的1/0 信號編碼。8路干簧管并行信號接入由兩片RS 觸發器CD4044B的S1-S4 口，并在每個端口處接10 kΩ 限流電阻、100 kΩ 上拉電阻和10 nF 消抖電容;觸發器的R 口實現復位功能，在系統初始化時所有觸發器的輸出均復位為0;觸發器的輸出Q1-Q4 接串/并入串出編碼芯片CD4014B 的P0-P7。CD4014B 芯片的低級串入口支持低級編碼板的數據輸入口，低級的串出口接高級編碼板的串入口，從而實現了多塊編碼板的級聯功能。本文設計的區間編碼板共有4 塊CD4044B 觸發器和2 塊 CD4014B 編碼芯片，支持16 路干簧管信號，在滿足功耗及讀取時間要求的前提下，最大可級聯8 塊區間編碼板，可實現128 路干簧管信號的編碼。

3.5 485總線通信協議

在485 總線通信協議中，調制解調板作為主機工作，電腦接口板等作為從機工作。主機的程序定期輪詢系統，查看是否有新從機設備掛載到總線。主機實現列車速度與方向、信號燈、道岔等狀態信息的存儲，以及DCC 信號調制功能。當從機向主機發送狀態信息查詢時，主機負責將對應的列車、信號燈等狀態信息回饋給從機，當從機向主機發送控制命令時，主機負責將該命令調制為DCC 信號加載到軌道。

3.6 上位機軟件串口通信

城市軌道交通運營安全模擬沙盤的上位機軟件基于VS 2008 開發環境的MFC 編寫，上位機軟件通過串口向調制解調板發送查詢或控制命令。本文采用通信控件MSComm 實現串口通訊，其串口初始化及數據收發過程如下。

3.6.1 串口初始化

(1)選擇串口號:put__CommPort();

(2)設置通信方式為:9 600 kbit/s，無校驗，8位數據位，1 個停止位，put_Settings();

(3)以二進制方式檢取數據:put_InputMode();

(4)設置串口接收緩沖區中有多于或等于1 個字符時將引發一個接收數據的OnComm 事件:put_RThreshold(1);

(5)設置接收全部數據:put_InputLen(0);(6)打開串口:put_PortOpen(1)。

3.6.2 數據收發

串口每接收到一個字節數據后便觸發OnComm事件，在該事件的消息響應函數中編寫相關接收子程序。發送數據通過put_Output()子程序，將數據轉換為Variant 類，并進行 COleVariant 封裝。發送完成后等待電腦接口卡應答確認接收指令或狀態數據包，若在規定的時間內未收到應答數據則假設數據發送失敗，重新進行數據發送。

4 試驗

為驗證列車模型控制系統各板卡的功能，在實驗室搭建了功能測試環境。基礎環境包括2 輛由德國Fleischmann 公司生產的ICE 4460 火車模型，3 個道岔和對應的電磁轉轍機，5 個LED(發光二極管)自制信號燈，環形軌道;控制系統包括電腦接口板、調制解調板、區間編碼板、信號燈解碼板和道岔解碼板等5 塊本文開發的控制板卡。在上位機基于MFC 編寫的單文檔軟件界面如圖3所示。試驗結果表明，采用本文所介紹的控制系統，可以實現列車模型的獨立正反向控制和128 級調速控制、信號燈點亮和道岔轉轍控制、列車區間位置反饋等功能，從而驗證了本文開發的板卡的有效性。

圖3 上位機界面

在城市軌道交通運營安全模擬沙盤中，采用本文所介紹的列車模型控制系統進行列車控制，除實現測試環境的功能以外，也成功實現了列車定點停車、故障列車拖掛救援、列車應急聲光報警等功能，滿足了安全模擬沙盤的需求。

5 結語

本文提出了一種利用PIC 單片機進行列車模型分布式控制系統設計的方案，該系統實現了列車模型的定位與控制、信號燈與道岔控制、應急救援控制等功能。在測試環境及模擬沙盤中進行了列車模型控制試驗，結果驗證了該系統的可用性，能夠滿足城市軌道交通運營安全模擬沙盤的列車模型控制的需求。

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