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摘 要 铁路信号系统设备在教学、员工培训和产品开发中发挥着重要作用。采用DSP内核的单片机，开发出通用的硬件；采用VC++语言编写上位机软件，对通用的硬件进行仿真和编程，以实现不同铁路信号的功能。该可编程铁路信号系统实验仪具有节约资金、提高设备利用率和占地面积小的优点。
关键词 铁路信号；可编程；实验仪
中图分类号：G484 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2017）16-0036-03
Abstract Railway signal system plays a significant role in teaching， training of staff and product development. The general hardware isdeveloped with microcontroller integrated a DSP kernel， and the software in PC is developed with Visual C++ language to simulate the function of railway signal experimental instrument， and the soft-ware program the general hardware to perform programmable the railway signal experimental instrument. The programmable railway signal experimental instrument has the advantages of saving funds， improving the utilization ratio of the equipment， small occupation area.
Key words railway signal； programmable； experimental instrument
1 引言
鐵路信号设备是组织指挥列车运行、传递信息、保障行车安全、增加铁路运输经济效益及改善铁路员工劳动条件的关键设施，是铁路主要技术之一，它的装备水平和技术水准也是一个国家铁路现代化的重要衡量标准[1]。因此，铁路信号的教学、铁路信号员工的培训、铁路信号系统的研发都需要铁路信号系统实验仪。
对于铁路类院校、轨道交通类院校而言，铁路信号系统实验仪的作用不言而喻。学生可以不出校门就在学校内找到和现场类似的信号系统，对熟悉现场环境和开展试验都有很大的帮助。铁路部门和轨道交通公司利用该系统，可以对铁路信号的员工进行仿真模拟培训，使其熟练掌握铁路信号系统岗位的操作技能。一些从事铁路信号产品研发的企业，由于测试的次数较多，不可能每次都去现场进行测试，能有一种随时根据所需来模拟现场信号环境的设备，不仅可以方便测试，而且可以大大降低人力和物力成本。
国外在20世纪中期已经运用计算机模拟方法，研究解决铁路运输、控制问题，这些研究主要集中在点线能力协调、列车运行自动控制、路网工作指挥等方面，没有涉及铁路信号系统的实验和仿真仪器。
2 实验仪的功能
本次所研发的铁路信号系统实验仪，采用新型电子技术和计算机技术，不仅可以用软件仿真现场铁路信号系统，而且硬件可以和实际的铁路现场信号相连接，实现存储现场信号，反向控制现场相关机构的动作，同时其硬件具有可编程的功能，通过编程一套系统，可以实现轨道、道岔和车站不同的铁路信号系统[2]。
仿真和编程功能 仿真和编程功能主要是通过上位机实现的。仿真功能主要是用户根据需要，从元器件库中选择需要的元器件和模块，搭建出所需要的实验功能，实现软件仿真的功能。编程功能是首先搭建出所需的信号仪的模型，然后将模型进行编译，最后将程序下载到实验仪中的功能。
信号输出功能 信号输出功能是实验仪的核心功能，通过前期的编程，铁路信号实验仪可以输出进路、道岔、信号灯等功能。
3 实验仪的构成
根据可编程铁路信号系统实验仪的基本特点和要求，该设备的构成如图1所示。
I/O模块 I/O模块完成输入和显示功能：输入功能用按键输入各种参数；显示功能除了完成站上信号设备的显示之外，还需根据其所显示设备类型来承担其应有的属性，如进路显示、道岔动作、信号灯转换等功能。
电源模块 根据系统的特点，电源模块需提供一个低电压、大电流的电源，并解决由此产生的发热问题。考虑到现场的实际需要，电源模块有电池接口，以外接电池进行供电。
控制模块 根据实时性要求，控制模块需要采用处理速度较高的处理芯片。此外，该模块还应该有比较大的非易失存储容量（用来存储I/O模块的内容）和较强的通信能力。
通信模块 通信模块主要解决与各I/O模块、上位机或者其他信号处理系统之间的通信问题。
4 实验仪硬件的实现
控制模块 考虑到可编程铁路信号系统实验仪处理的实时性、计算的复杂性和接口的便利性，控制模块在综合比较了ARM+DSP、ARM+FPGA、单片机+DSP三种系统后，采用成本低、具有DSP功能的dsPIC33系列的高性能单片机。dsPIC33具有高速、低功耗的优点，同时具有PWM功能，在满足通用控制要求的情况下，可以方便地实现开关电源功能。
和传统MCU相比，dsPIC33在程序存储器的内部结构上，具有“中断向量表”和“备用中断向量表”两个中断向量表，使得程序可以从两个地方运行，结合RTSP（Run Time Self-Programming）功能，可以实现在线编程功能。和传统修改参数的方法相比，采用dsPIC33的RTSP功能实现的在线编程，具有更高的可靠性。 I/O模块 I/O模块硬件主要由PIC单片机、按键、LED显示屏组成，其界面如图2所示。按键有菜单键、确认件、取消键、四个方向的移动键、+键、-键。显示屏采用16*16的LED，显示的图像内容和属性可以根据车站信号的要求设置。其中内容图像可以根据提供的标准模块或是自行设计导入，而属性会根据标准模块而自行设定或是自行设计。
通信模块 通信模块主要采用USB和串行口通信协议。上位机和控制模块采用USB2.0通信协议，同时可以外接USB设备，以方便现场调试的需要。dsPIC33单片机具有USB的host功能，其D+、D-和USB_D+、USB_D-直接相连即可，可以方便地实现USB协议。电源模块、I/O模块和控制模块之间采用串行口的协议。考虑到系统的成本和速度，该协议利用的串行口不是真正的串行口，而是采用单片机模拟串行口的方式实现的。
电源模块 电源模块采用基于同步整流的Buck-Boost拓扑的开关程控电源，同时加入短路、过流和低电压保护。利用dsPIC33自带的ADC和PWM功能，方便实现电源模块的各种功能。功率MOSFET选用的是MCP87050，MCP87050具有高速、低品质因数的优点，并且其导通电阻只有5.5 mΩ，非常适合做功率变换。在驱动方面，采用基于模拟信号的小型PWM控制器MCP19035，MCP19035具有出色的暂态性能，可在4.5～30 V DC的宽范围内工作，开关频率为300 kHz，并提供工廠可调节的死区设置。
5 实验仪软件的实现
上位机软件 上位机软件实现仿真现场铁路信号系统和对实验仪的编程功能，上位机软件采用C++语言编写。采用可视化、模块化的方式形成不同的实验功能，并通过下载功能，将实验功能下载到控制模块中，实现实验仪的编程和离线使用功能。同时采用项目的管理方式，用户可以将所编写的实验功能生成一个项目文件进行保存，以便后期进行修改使用[3]。
下位机软件 下位机主要完成和上位机的通信，将上位机的特征信息写入特定的Flash，也就是编程功能，同时完成输入输出操作、信号产生功能。
控制模块的主程序流程图如图3所示。系统启动后首先初始化，然后进行USB中断处理，完成实验仪的编程功
能；I/O串行口中断处理，完成输入和显示功能；电源串行口中断处理，完成信号的发生功能，同时更新显示的内容。
I/O模块的单片机程序主要完成键盘的检测与处理、检测外部信号的输入和处理、显示相应的图形。其中键盘采用扫描的形式进行处理，外部输入检测和图形显示均采用串行口中断的方式去实现。
电源模块的单片机程序主要根据串行口中断的数据和测量到的电压、电流信号，通过相减求出误差信号，然后改变PWM的参数，从而控制开关电源的输出，以产生不同的输出信号。同时，系统具有故障检测和软启动功能。故障检测功能检查是否输入欠压、输入过压、输出过压、温度超出限制。如果发生故障，将禁止PWM输出，直到清除故障条件。软启动功能以闭环方式升高输出电压，使系统在PID控制环的工作范围内。软启动的功能确保输出不会超出期望的电压，同时限制了启动时的电流。
6 结论
通过采用单片机和相应的硬件、软件，设计出可编程铁路信号系统实验仪。和其他实验仪相比，该实验仪主要具有以下功能：
1）实验仪的每一个模块都是通用的，通过编写程序可以将其设定为轨道、道岔或是其他设备，可有效降低成本，同时减少设备占地面积；
2）实验仪不仅能完成仿真功能，而且可以和实际的铁路现场信号相连接，其功能和现场实际的铁路信号系统相同；
3）通过可编程功能，使实验仪不仅具有丰富的功能，而且今后通过软件升级，就可以实现仪器设备的升级换代，延长了设备的使用寿命，降低了设备的使用成本。
参考文献
[1]刘鑫东.铁路信号设备的自动化控制技术探析[J].电子制作，2016（14）：66.
[2]赵永君.高职铁路综合演练场的设计与实施[J].中国教育技术装备，2014（2）：51-53.
[3]明目科技.Visual C++从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2011.
关键词 铁路信号；可编程；实验仪
中图分类号：G484 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2017）16-0036-03
Abstract Railway signal system plays a significant role in teaching， training of staff and product development. The general hardware isdeveloped with microcontroller integrated a DSP kernel， and the software in PC is developed with Visual C++ language to simulate the function of railway signal experimental instrument， and the soft-ware program the general hardware to perform programmable the railway signal experimental instrument. The programmable railway signal experimental instrument has the advantages of saving funds， improving the utilization ratio of the equipment， small occupation area.
Key words railway signal； programmable； experimental instrument
1 引言
鐵路信号设备是组织指挥列车运行、传递信息、保障行车安全、增加铁路运输经济效益及改善铁路员工劳动条件的关键设施，是铁路主要技术之一，它的装备水平和技术水准也是一个国家铁路现代化的重要衡量标准[1]。因此，铁路信号的教学、铁路信号员工的培训、铁路信号系统的研发都需要铁路信号系统实验仪。
对于铁路类院校、轨道交通类院校而言，铁路信号系统实验仪的作用不言而喻。学生可以不出校门就在学校内找到和现场类似的信号系统，对熟悉现场环境和开展试验都有很大的帮助。铁路部门和轨道交通公司利用该系统，可以对铁路信号的员工进行仿真模拟培训，使其熟练掌握铁路信号系统岗位的操作技能。一些从事铁路信号产品研发的企业，由于测试的次数较多，不可能每次都去现场进行测试，能有一种随时根据所需来模拟现场信号环境的设备，不仅可以方便测试，而且可以大大降低人力和物力成本。
国外在20世纪中期已经运用计算机模拟方法，研究解决铁路运输、控制问题，这些研究主要集中在点线能力协调、列车运行自动控制、路网工作指挥等方面，没有涉及铁路信号系统的实验和仿真仪器。
2 实验仪的功能
本次所研发的铁路信号系统实验仪，采用新型电子技术和计算机技术，不仅可以用软件仿真现场铁路信号系统，而且硬件可以和实际的铁路现场信号相连接，实现存储现场信号，反向控制现场相关机构的动作，同时其硬件具有可编程的功能，通过编程一套系统，可以实现轨道、道岔和车站不同的铁路信号系统[2]。
仿真和编程功能 仿真和编程功能主要是通过上位机实现的。仿真功能主要是用户根据需要，从元器件库中选择需要的元器件和模块，搭建出所需要的实验功能，实现软件仿真的功能。编程功能是首先搭建出所需的信号仪的模型，然后将模型进行编译，最后将程序下载到实验仪中的功能。
信号输出功能 信号输出功能是实验仪的核心功能，通过前期的编程，铁路信号实验仪可以输出进路、道岔、信号灯等功能。
3 实验仪的构成
根据可编程铁路信号系统实验仪的基本特点和要求，该设备的构成如图1所示。
I/O模块 I/O模块完成输入和显示功能：输入功能用按键输入各种参数；显示功能除了完成站上信号设备的显示之外，还需根据其所显示设备类型来承担其应有的属性，如进路显示、道岔动作、信号灯转换等功能。
电源模块 根据系统的特点，电源模块需提供一个低电压、大电流的电源，并解决由此产生的发热问题。考虑到现场的实际需要，电源模块有电池接口，以外接电池进行供电。
控制模块 根据实时性要求，控制模块需要采用处理速度较高的处理芯片。此外，该模块还应该有比较大的非易失存储容量（用来存储I/O模块的内容）和较强的通信能力。
通信模块 通信模块主要解决与各I/O模块、上位机或者其他信号处理系统之间的通信问题。
4 实验仪硬件的实现
控制模块 考虑到可编程铁路信号系统实验仪处理的实时性、计算的复杂性和接口的便利性，控制模块在综合比较了ARM+DSP、ARM+FPGA、单片机+DSP三种系统后，采用成本低、具有DSP功能的dsPIC33系列的高性能单片机。dsPIC33具有高速、低功耗的优点，同时具有PWM功能，在满足通用控制要求的情况下，可以方便地实现开关电源功能。
和传统MCU相比，dsPIC33在程序存储器的内部结构上，具有“中断向量表”和“备用中断向量表”两个中断向量表，使得程序可以从两个地方运行，结合RTSP（Run Time Self-Programming）功能，可以实现在线编程功能。和传统修改参数的方法相比，采用dsPIC33的RTSP功能实现的在线编程，具有更高的可靠性。 I/O模块 I/O模块硬件主要由PIC单片机、按键、LED显示屏组成，其界面如图2所示。按键有菜单键、确认件、取消键、四个方向的移动键、+键、-键。显示屏采用16*16的LED，显示的图像内容和属性可以根据车站信号的要求设置。其中内容图像可以根据提供的标准模块或是自行设计导入，而属性会根据标准模块而自行设定或是自行设计。
通信模块 通信模块主要采用USB和串行口通信协议。上位机和控制模块采用USB2.0通信协议，同时可以外接USB设备，以方便现场调试的需要。dsPIC33单片机具有USB的host功能，其D+、D-和USB_D+、USB_D-直接相连即可，可以方便地实现USB协议。电源模块、I/O模块和控制模块之间采用串行口的协议。考虑到系统的成本和速度，该协议利用的串行口不是真正的串行口，而是采用单片机模拟串行口的方式实现的。
电源模块 电源模块采用基于同步整流的Buck-Boost拓扑的开关程控电源，同时加入短路、过流和低电压保护。利用dsPIC33自带的ADC和PWM功能，方便实现电源模块的各种功能。功率MOSFET选用的是MCP87050，MCP87050具有高速、低品质因数的优点，并且其导通电阻只有5.5 mΩ，非常适合做功率变换。在驱动方面，采用基于模拟信号的小型PWM控制器MCP19035，MCP19035具有出色的暂态性能，可在4.5～30 V DC的宽范围内工作，开关频率为300 kHz，并提供工廠可调节的死区设置。
5 实验仪软件的实现
上位机软件 上位机软件实现仿真现场铁路信号系统和对实验仪的编程功能，上位机软件采用C++语言编写。采用可视化、模块化的方式形成不同的实验功能，并通过下载功能，将实验功能下载到控制模块中，实现实验仪的编程和离线使用功能。同时采用项目的管理方式，用户可以将所编写的实验功能生成一个项目文件进行保存，以便后期进行修改使用[3]。
下位机软件 下位机主要完成和上位机的通信，将上位机的特征信息写入特定的Flash，也就是编程功能，同时完成输入输出操作、信号产生功能。
控制模块的主程序流程图如图3所示。系统启动后首先初始化，然后进行USB中断处理，完成实验仪的编程功
能；I/O串行口中断处理，完成输入和显示功能；电源串行口中断处理，完成信号的发生功能，同时更新显示的内容。
I/O模块的单片机程序主要完成键盘的检测与处理、检测外部信号的输入和处理、显示相应的图形。其中键盘采用扫描的形式进行处理，外部输入检测和图形显示均采用串行口中断的方式去实现。
电源模块的单片机程序主要根据串行口中断的数据和测量到的电压、电流信号，通过相减求出误差信号，然后改变PWM的参数，从而控制开关电源的输出，以产生不同的输出信号。同时，系统具有故障检测和软启动功能。故障检测功能检查是否输入欠压、输入过压、输出过压、温度超出限制。如果发生故障，将禁止PWM输出，直到清除故障条件。软启动功能以闭环方式升高输出电压，使系统在PID控制环的工作范围内。软启动的功能确保输出不会超出期望的电压，同时限制了启动时的电流。
6 结论
通过采用单片机和相应的硬件、软件，设计出可编程铁路信号系统实验仪。和其他实验仪相比，该实验仪主要具有以下功能：
1）实验仪的每一个模块都是通用的，通过编写程序可以将其设定为轨道、道岔或是其他设备，可有效降低成本，同时减少设备占地面积；
2）实验仪不仅能完成仿真功能，而且可以和实际的铁路现场信号相连接，其功能和现场实际的铁路信号系统相同；
3）通过可编程功能，使实验仪不仅具有丰富的功能，而且今后通过软件升级，就可以实现仪器设备的升级换代，延长了设备的使用寿命，降低了设备的使用成本。
参考文献
[1]刘鑫东.铁路信号设备的自动化控制技术探析[J].电子制作，2016（14）：66.
[2]赵永君.高职铁路综合演练场的设计与实施[J].中国教育技术装备，2014（2）：51-53.
[3]明目科技.Visual C++从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2011.