CN103956087A

CN103956087A - 一种城轨交通运营安全模拟沙盘的车头解码控制器

Info

Publication number: CN103956087A
Application number: CN201410171800.XA
Authority: CN
Inventors: 陈岳剑; 王晓浩
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2014-04-25
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2034-04-25
Also published as: CN103956087B

Abstract

本发明公开了一种城轨交通运营安全模拟沙盘的车头解码控制器。该解码控制器包括单片机、电源电路、DCC解码电路、半桥电机驱动电路和车头标准接口，所述车头标准接口包括模拟沙盘中左轨道接口、右轨道接口、电机正输入端接口、电机负输入端接口、车头灯接口、车尾灯接口，其中车头标准接口的左轨道接口和右轨道接口一方面接入电源电路、另一方面接入DCC解码电路，电源电路为整个解码控制器供电，DCC解码电路接入单片机，单片机的PWM输出端口通过半桥电机驱动电路分别接入车头标准接口的电机正输入端接口、电机负输入端接口，单片机的I/O端口分别接入车头标准接口的车头灯接口、车尾灯接口。本发明实现了对模型列车动态沙盘对象的控制，具有成本低和兼容性强的特点。

Description

一种城轨交通运营安全模拟沙盘的车头解码控制器

技术领域

本发明涉及城轨交通安全运营模拟沙盘技术领域，特别是一种城轨交通运营安全模拟沙盘的车头解码控制器。

背景技术

搭建城市轨道交通运营安全模拟沙盘，可以模拟不同类型的事故或危险环境，并可进行不允许实际发生的仿真实验，从而为城轨交通安全运营提供经验积累和技术支持，在实际中减少或避免安全事故，降低财物损失及旅客生命危险。城市轨道交通运营安全模拟沙盘的核心是列车模型控制系统，列车模型控制系统的基本要求是对列车模型、道岔和信号灯等的控制以及列车位置的反馈。

动态沙盘对象，是指区别于布置在模拟沙盘确定位置的对象，如模型列车和模型小汽车等。城轨交通安全运营模拟沙盘中模型列车的控制为控制的核心。而模型列车一般通过在列车内加装车头解码控制器，解码控制信号来驱动模型列车内的电机，达到模型列车的控制。除基本的模型列车调速功能外，车头解码控制器还具有列车的头灯或尾灯控制、速度反馈闭环控制和音效播放功能等功能。早期的列车模型控制采用直接直流控制(Direct Current，DC)，DC控制属于模拟控制，通过加载电流的大小和极性实现列车的速度和方向控制，但在同一区间内DC无法实现不同列车的独立控制，且存在低速时列车运行不平稳等缺点，因此DC控制只能用于简单的展示沙盘等场景。

赵煜(铁道信号电子沙盘系统整体规划及设计.西南交通大学硕士论文,2009.)采用Zigbee无线通讯来对模型列车传输控制信号，实现列车方向、速度、车灯和音响的控制。采用具有8051内核的VRS51L3074芯片作为主控芯片，采用L293D芯片配合PWM波对模型列车内的电机进行调速。该车头控制器虽然实现了车头控制的大部分功能，然而未解决列车供电问题；并且采用Zigbee无线通讯来传输列车控制信号，给城轨交通运营安全模拟沙盘带来多余的技术开发成本，且使得系统兼容性差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低、容性强的城轨交通运营安全模拟沙盘的车头解码控制器，以完成对模型列车动态沙盘对象的控制。

实现本发明目的的技术解决方案是：一种城轨交通运营安全模拟沙盘的车头解码控制器，包括单片机、电源电路、DCC解码电路、半桥电机驱动电路和车头标准接口，所述车头标准接口包括模拟沙盘中左轨道接口、右轨道接口、电机正输入端接口、电机负输入端接口、车头灯接口、车尾灯接口，其中车头标准接口的左轨道接口和右轨道接口一方面接入电源电路、另一方面接入DCC解码电路，电源电路为整个解码控制器供电，DCC解码电路接入单片机，单片机的PWM输出端口通过半桥电机驱动电路分别接入车头标准接口的电机正输入端接口、电机负输入端接口，单片机的I/O端口分别接入车头标准接口的车头灯接口、车尾灯接口；

模拟沙盘中左轨道和右轨道加载的DCC信号通过车头标准接口分别输入电源电路和DCC解码电路；电源电路对DCC信号整流后由稳压芯片得到稳定的直流电源；DCC解码电路将输入的DCC信号进行光电隔离转换为单片机能识别的波形，单片机通过电平变化中断和定时器完成DCC信号的解码；根据解码结果，单片机的PWM输出端口通过半桥电机驱动电路实现对电机的调速和换向控制，单片机的I/O端口通过车头标准接口的车头灯接口、车尾灯接口实现对车头灯和车尾灯的控制。

本发明与现有技术相比，其显著效果是：(1)在同一区间内能够实现不同列车的独立控制，且低速时列车运行平稳，能够完成对模型列车动态沙盘对象的控制；(2)采用单片机完成控制，成本低；(3)兼容性强，采用DCC信号，可以满足多数轨道交通模拟沙盘的需求。

附图说明

图1为本发明中数字命令控制DCC信号时序示意图。

图2为本发明城轨交通运营安全模拟沙盘的车头解码控制器的结构框图。

图3为本发明城轨交通运营安全模拟沙盘的车头解码控制器的电路原理图。

图4为本发明车头解码控制器中主控单片机的控制流程图。

图5为本发明车头解码控制器中主控单片机的电平中断流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明城轨交通运营安全模拟沙盘的车头解码控制器，采用在直接直流控制(DirectCurrent，DC)基础上发展完善的数字命令控制(Digital Command Control，DCC)，通过在轨道上加载数字电流信号的方式实现了列车模型的控制。图1为DCC信号时序示意图，DCC的电流信号由方波信号调制而成，方波幅值根据不同比例的列车模型确定，如HO比例(1:87)比例的列车模型对应的方波幅值为14.5V。在方波电流信号中，短波代表1，其周期为116μs，长波代表0，其周期为232μs，延伸0代表数据包结束，周期在95μs至9.9ms之间。数字命令控制DCC数据包由引导位、地址字节、数据字节、校验字节组成，其中引导位由大于14位的1组成，数据字节不大于4且每个字节由0间隔。DCC信号可实现沙盘动态对象如模型列车及静态对象如信号灯道岔的控制操作，还可以针对地址字节实现解码变量配置等功能。

结合图2，本发明城轨交通运营安全模拟沙盘的车头解码控制器，包括单片机1、电源电路2、DCC解码电路3、半桥电机驱动电路4和车头标准接口5，所述车头标准接口5包括模拟沙盘中左轨道接口、右轨道接口、电机正输入端接口、电机负输入端接口、车头灯接口、车尾灯接口，其中车头标准接口5的左轨道接口和右轨道接口一方面接入电源电路2、另一方面接入DCC解码电路3，电源电路2为整个解码控制器供电，DCC解码电路3接入单片机1，单片机1的PWM输出端口通过半桥电机驱动电路4分别接入车头标准接口5的电机正输入端接口、电机负输入端接口，单片机1的I/O端口分别接入车头标准接口5的车头灯接口、车尾灯接口；

模拟沙盘中左轨道和右轨道加载的DCC信号通过车头标准接口5分别输入电源电路2和DCC解码电路3；电源电路2对DCC信号整流后由稳压芯片得到稳定的直流电源；DCC解码电路3将输入的DCC信号进行光电隔离转换为单片机1能识别的波形，单片机1通过电平变化中断和定时器完成DCC信号的解码；根据解码结果，单片机1的PWM输出端口通过半桥电机驱动电路4实现对电机的调速和换向控制，单片机1的I/O端口通过车头标准接口5的车头灯接口、车尾灯接口实现对车头灯和车尾灯的控制。

所述单片机1采用Microchip公司的PIC18F2525。所述电源电路2包含交直流转换桥路、集成稳压芯片，由DCC信号提供的电源经过交直流转换桥路后输入至集成稳压芯片，得到直流电源为解码器各部分电路供电，其中交直流转换桥路采用IN1418二极管，集成稳压芯片采用AMS1117CS-3.3。所述DCC解码电路3采用光电耦合器作为解调电路的输入隔离，将DCC信号转换成0～3.3V的方波信号，其中光电耦合器采用英国ISOCOM公司的光耦6N137。所述半桥电机驱动电路4采用国际整流器公司场效应管IRF7342，将单片机1的PWM口输出信号传输给电机，实现对电机的调速和换向控制。

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

结合图2，本发明城轨交通安全运营模拟沙盘的车头解码控制器，包括单片机1、电源电路2、DCC解码电路3、半桥电机驱动电路4和车头标准接口5，所述车头标准接口5包括模拟沙盘中左轨道接口、右轨道接口、电机正输入端接口、电机负输入端接口、车头灯接口、车尾灯接口，其中车头标准接口5的左轨道接口和右轨道接口一方面接入电源电路2、另一方面接入DCC解码电路3，电源电路2为整个解码控制器供电，DCC解码电路3接入单片机1，单片机1的PWM输出端口通过半桥电机驱动电路4分别接入车头标准接口5的电机正输入端接口、电机负输入端接口，单片机1的I/O端口分别接入车头标准接口5的车头灯接口、车尾灯接口。模拟沙盘中左轨道和右轨道加载的DCC信号通过车头标准接口5分别输入电源电路2和DCC解码电路3；电源电路2对DCC信号整流后由稳压芯片得到稳定的直流电源；DCC解码电路3将输入的DCC信号进行光电隔离转换为单片机1能识别的波形，单片机1通过电平变化中断和定时器完成DCC信号的解码；根据解码结果，单片机1的PWM输出端口通过半桥电机驱动电路4实现对电机的调速和换向控制，单片机1的I/O端口通过车头标准接口5的车头灯接口、车尾灯接口实现对车头灯和车尾灯的控制以模拟列车运行状态。

结合图3，各部分电路具体如以下(1)～(5)所述：

(1)单片机选择PIC18F25中高端单片机，工作于内部晶振模式。PIC18单片机是Microchip公司推出的中高端8位单片机，PIC18F25为属PIC18系列的一款28引脚QFDN封装，纳瓦技术和多种功耗管理模式以满足低功耗要求。主要的性能指标有：2.0-5.5V电源，可高达40MHZ的主频，内部RTC32KHZ的时钟，支持在线ICE仿真，ICD调试。主要的外设还有：4路定时器，同时支持I²C和SPI总线的MSSP模块，支持LIN总线的USART，10位AD，最大分辨率52ns捕获和最大分辨率833ns的捕获捕捉比较模块PWMCCP模块。

(2)电源电路，包含交直流转换桥路、集成稳压芯片等。交直流转换桥路选用IN1418二极管。集成稳压芯片选用典型的AMS1117CS-3.3，提供3.3V的直流电源。芯片的八个管脚4接Vin、1接GND、2,3,6,7接Vout，Vout即为稳定直流电输出。DCC信号供电电源，输入到交直流转换桥路，后再输入集成稳压芯片，得到3.3V直流电源。

(3)DCC解码电路部分，采用英国ISOCOM公司光耦6N137作为解调电路的输入隔离，将方波幅值为14.5V的DCC信号转换成0-3.3V的方波信号。6N137内部集成有一个红外线发送管，和一个高速红外感应逻辑门电路，门电路还具有输出保持功能。主要特性有：速度最高达10Mbit/s；工作温度范围在-40°到85°；输入输出端隔离电压Viso＝5000Vrms，完全满足DCC解码要求。轨道中的DCC信号作为6N137的输入，6N137输出连接到PIC18F25的RB5口。PIC18F2525的RB5口具有电平变化中断外设，通过电平变化中断和58μs定时器一起完成DCC信号的解码。

(4)半桥电机驱动电路部分采用场效应管IRF7342，采用单片机PIC18F2525的PWM输出端口CCP，接场效应管IRF7342的G1端口。同时，PWM输出端口CCP还通过一自反电路与场效应管IRF7342的G2端口相连，当输入电压小于3.3V时，三极管处于导通状态，输入到G2端口为3.3V；当输入电压大于3.3V时，三极管处于截止状态，输入到G2端口为0V。场效应管IRF7342的两个D1端口接工作电压，S2端口接地，S1端口与两个D2端口接入NMRA-8的Motor+端口，因此半桥驱动电路仅对Motor+操作，Motor-接电源地。

(5)车头标准接口部分

美国火车模型协会(National Model Railroad Association NMRA)S9.1.1标准规定了车头解码器在模型列车内安装的标准电气接口。接口主要分为两类，一类为基本接口，另一类为拓展接口。基本接口实现DCC信号的拾取、电机的控制和车头车尾灯控制接口，拓展接口除实现基本接口的功能外还实现对附加电机、车灯和其他附件的控制。基本接口包括4针、6针和8针接口，分别对应N比例(1:160)、HO比例(1:87)和O比例(1:48)模型列车，各接口信号线定义如表1：

表1基本接口信号线定义

单片机PIC18F2525的RB1端口接8针车头标准接口的Head Light端口，单片机的RB2端口接NMRA-8的Backup Light端口，达到列车的车头车尾灯显示。8针车头标准接口的Common端口与GND相接，为车头车尾信号灯提供一个公共地。8针车头标准接口的电机正端口接受场效应管IRF7342的控制信号，电机负接电源地，从而实现对电机的调速和换向控制。

本发明城轨交通运营安全模拟沙盘的车头解码控制器的PCB尺寸长为30mm，宽20mm，该控制器的芯片都布置在该PCB板上。将单片机布置于PCB板右上角，PCB板最左端布置8针车头标准接口，其右侧由上至下依此布置场效应管IRF7342，交直流转换桥路，集成稳压芯片AMS1117CS-3.3。

结合图4，本发明城轨交通运营安全模拟沙盘的车头解码控制器主控单片机的主程序流程为，①系统上电后，首先对单片机进行初始化，对RB7电平中断，定时器1，CPP模块，寄存器data及DCC数值等模块进行初始化。②当系统初始化完成后，单片机判断是否连续接收到data10个1，如若不满足则重新执行第②步，直到满足条件。③接收完成后，判断是否接收到起始字节0，如若不满足则重新执行第②步，直到满足条件。④依此从data中读取连续接收8位依次存储到DCC中的数组。⑤读取完成后，判断是否接收到停止字节1，如若不满足则重新执行第②步，直到满足条件。⑥判断奇偶校验确定数据是否正确，如若不正确则重新执行第②步，直到满足条件。⑦将接收到的控制字节进行解码，从而判断出调速等级和进行车灯控制。⑧依据解码信息，由高速CPP模块产生电机调速PWM波实现电机的调速和换向控制，或置位车头车尾灯I/O口，并重新转向执行第②步，进入循环控制。

结合图5，本发明城轨交通运营安全模拟沙盘的车头解码控制器主控单片机的电平中断程序流程为，①单片机执行RB5电平变化中断后，首先判断定时器1的计数值，当值为52～64us时，则将1赋值给全局变量data；当值为90～10000us时，则将0赋值给全局变量data；当值为0是，则初始化定时器1；当计数值为其他数值时则为无效数值。②当判断完定时器1的计数值并执行相应操作后，将定时器进行清零，并重新计时。

综上所述，本发明基于单片机实现对城市轨道交通安全运营模拟沙盘的列车模型控制，具有成本低和兼容性强的优点。

Claims

1.一种城轨交通运营安全模拟沙盘的车头解码控制器，其特征在于，包括单片机(1)、电源电路(2)、DCC解码电路(3)、半桥电机驱动电路(4)和车头标准接口(5)，所述车头标准接口(5)包括模拟沙盘中左轨道接口、右轨道接口、电机正输入端接口、电机负输入端接口、车头灯接口、车尾灯接口，其中车头标准接口(5)的左轨道接口和右轨道接口一方面接入电源电路(2)、另一方面接入DCC解码电路(3)，电源电路(2)为整个解码控制器供电，DCC解码电路(3)接入单片机(1)，单片机(1)的PWM输出端口通过半桥电机驱动电路(4)分别接入车头标准接口(5)的电机正输入端接口、电机负输入端接口，单片机(1)的I/O端口分别接入车头标准接口(5)的车头灯接口、车尾灯接口；

模拟沙盘中左轨道和右轨道加载的DCC信号通过车头标准接口(5)分别输入电源电路(2)和DCC解码电路(3)；电源电路(2)对DCC信号整流后由稳压芯片得到稳定的直流电源；DCC解码电路(3)将输入的DCC信号进行光电隔离转换为单片机(1)能识别的波形，单片机(1)通过电平变化中断和定时器完成DCC信号的解码；根据解码结果，单片机(1)的PWM输出端口通过半桥电机驱动电路(4)实现对电机的调速和换向控制，单片机(1)的I/O端口通过车头标准接口(5)的车头灯接口、车尾灯接口实现对车头灯和车尾灯的控制。

2.根据权利要求1所述的城轨交通运营安全模拟沙盘的车头解码控制器，其特征在于，所述单片机(1)采用Microchip公司的PIC18F2525。

3.根据权利要求1所述的城轨交通运营安全模拟沙盘的车头解码控制器，其特征在于，所述电源电路(2)包含交直流转换桥路、集成稳压芯片，由DCC信号提供的电源经过交直流转换桥路后输入至集成稳压芯片，得到直流电源为解码器各部分电路供电。

4.根据权利要求1所述的城轨交通运营安全模拟沙盘的车头解码控制器，其特征在于，所述DCC解码电路(3)采用光电耦合器作为解调电路的输入隔离，将DCC信号转换成0～3.3V的方波信号。

5.根据权利要求1所述的城轨交通运营安全模拟沙盘的车头解码控制器，其特征在于，所述半桥电机驱动电路(4)采用场效应管IRF7342。

6.根据权利要求1所述的城轨交通运营安全模拟沙盘的车头解码控制器，其特征在于，所述车头标准接口(5)采用美国火车模型协会S9.1.1标准制定的8针标准电气接口。

7.根据权利要求3所述的城轨交通运营安全模拟沙盘的车头解码控制器，其特征在于，所述电源电路(2)包含交直流转换桥路、集成稳压芯片，其中交直流转换桥路采用IN1418二极管，集成稳压芯片采用AMS1117CS-3.3。

8.根据权利要求4所述的城轨交通运营安全模拟沙盘的车头解码控制器，其特征在于，所述DCC解码电路(3)采用光电耦合器作为解调电路的输入隔离，其中光电耦合器采用英国ISOCOM公司的光耦6N137。