CN104166358A - 一种城轨交通运营安全模拟沙盘的命令编码控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种城轨交通运营安全模拟沙盘的命令编码控制器，包括电源电路、USB通讯接口电路、第一单片机、RS485通讯接口电路、第二单片机和功率放大电路；所述电源电路将外部交流或直流电源整流成稳定的直流电源，完成供电；上位机通过USB通讯接口电路与第一单片机相连，实现二者之间的信息交互；RS485通讯接口电路将第一单片机接收的上位机控制命令传递给第二单片机，第二单片机根据接收到的控制命令对自身内部产生的0和1数据包进行时序调制形成标准的DCC信号；第二单片机通过功率放大电路，对DCC信号进行功率放大并加载到轨道上，实现对火车、信号灯及道岔的控制。本发明采用单片机将上位机发送的控制命令信号转化成DCC标准信号，成本低、兼容性强。
Description
技术领域
本发明涉及城轨交通安全运营模拟沙盘的静态沙盘对象控制领域，特别是一种城轨交通运营安全模拟沙盘的命令编码控制器。
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。
列车模型控制可分为直接直流控制(Direct Current，DC)和数字命令控制(DigitalCommand Control，DCC)。早期的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。在DC基础上发展完善的DCC控制，采用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。
邸鹏(城市轨道交通的ATC模拟系统设计，南京，南京理工大学硕士论文，2010)开发的城市轨道交通ATC模拟系统采用MSP430单片机控制道岔、信号灯，PC直接通过串口发送指令给单片机实现各个被控对象的模拟控制。该系统未应用数字电流控制技术(Digital Command Control，DCC)控制沙盘对象，使得系统兼容性差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种城轨交通运营安全模拟沙盘的命令编码控制器，以完成对上位机命令传输、编码和功率放大的控制，具有效率高、成本低、兼容性强的特点。
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命令编码控制器，其特征在于，包括电源电路、USB通讯接口电路、第一单片机、RS485通讯接口电路、第二单片机和功率放大电路，其中电源电路为整个命令编码控制器供电，所述USB通讯接口电路的输出端接入第一单片机的I/O端口，第一单片机的串口通过RS485通讯接口电路接入第二单片机，第二单片机的I/O端口通过功率放大电路接入轨道、信号灯及道岔控制器；
所述电源电路将外部交流或直流电源整流成稳定的直流电源，为整个命令编码控制器供电；上位机通过USB通讯接口电路与第一单片机相连，实现上位机与第一单片机之间的信息交互；RS485通讯接口电路将第一单片机接收的上位机控制命令传递给第二单片机，第二单片机根据接收到的控制命令对第二单片机内部产生的0和1数据包进行时序调制形成标准的DCC信号；形成DCC信号后，第二单片机通过功率放大电路，对DCC信号进行功率放大，并将DCC信号加载到轨道上，实现对火车、信号灯及道岔的控制。
本发明与现有技术相比，其显著效果是：(1)将上位机发送的控制命令信号转化成DCC标准信号；(2)采用单片机完成控制，成本低；(3)兼容性强，采用DCC信号，可以满足大部分轨道交通模拟沙盘的需求。
附图说明
图1为数字命令控制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命令编码控制器的结构示意图。
图3为DCC信号产生原理示意图。
图4为本发明城轨交通运营安全模拟沙盘的命令编码控制器的电路原理图。
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。
多功能命令编码器可将上位机发出的信号转化成DCC标准信号，实现模型的后续控制。
图1表示出了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信号可实现信号灯道岔解码操作，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命令编码控制器，包括电源电路1、USB通讯接口电路2、第一单片机3、RS485通讯接口电路4、第二单片机5和功率放大电路6，其中电源电路1为整个命令编码控制器供电，所述USB通讯接口电路2的输出端接入第一单片机3的I/O端口，第一单片机3的串口通过RS485通讯接口电路4接入第二单片机5，第二单片机5的I/O端口通过功率放大电路6接入轨道、信号灯及道岔控制器；所述电源电路1将外部交流或直流电源整流成稳定的直流电源，为整个命令编码控制器供电；上位机通过USB通讯接口电路2与第一单片机3相连，实现上位机与第一单片机3之间的信息交互；RS485通讯接口电路4将第一单片机3接收的上位机控制命令传递给第二单片机5，第二单片机5根据接收到的控制命令对第二单片机5内部产生的0和1数据包进行时序调制形成标准的DCC信号；形成DCC信号后，第二单片机5通过功率放大电路6，对DCC信号进行功率放大，并将DCC信号加载到轨道上，实现对火车、信号灯及道岔的控制。
所述USB通讯接口电路2建立上位机与第一单片机3之间的通讯，第一单片机3将DCC数据包通过RS485通讯接口电路4传输到第二单片机5按照DCC电流时序标准，对电脑接口卡传输的控制信号进行DCC数据包时序产生，产生的信号通过功率放大电路6进行放大，产生DCC标准信号。其中，电源电路1、USB通讯接口电路2、第一单片机3、RS485通讯接口电路4的输出端集成于命令传输板；RS485通讯接口电路4的输入端、第二单片机5、功率放大电路6集成于命令编码板。命令传输板卡通过USB口与上位机相连，实现与上位机的信息交互。基于RS485的XpressNet总线为DCC数据包传输接口，将DCC控制数据包传输给调整解调器。命令传输板是DCC系统的转换器，它接收并处理由上位机通过USB发出的指令，然后将与上位机不同速率不同编码格式的通讯指令，解析为标准的DCCX-Device指令，与命令编码板实现通讯。
图3表示出了DCC信号产生原理示意图。命令编码板将命令传输板通过基于RS485的XpressNet总线传输过来的控制命令，产生出方波形的DCC电流信号，用于给轨道供电和传输控制信息。DCC信号的产生原理，在于命令编码板先接收到来自XpressNet总线传输过来的控制命令，通过PIC单片机进行时序调制，而后通过功率驱动芯片对信号进行功率放大。RS485是一种标准的X-Bus，该总线的系统采用集中式管理分布式控制，各个节点为一个单独的控制单元，某一个节点的故障不会影响到整个系统的正常运行，一个子系统可接模块数多达255个，控制总线的最大长度可达1000米，并可以采用无线触摸屏遥控器作为移动控制终端，操作更加快捷方便。
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命令编码控制器，包括电源电路1、USB通讯接口电路2、第一单片机3、RS485通讯接口电路4、第二单片机5和功率放大电路6。电源电路1将外部交流12～20V或直流12-20V电源整流成稳定的直流电源给控制器供电。USB通讯接口电路2将上位机输出的数字信号传输到第一单片机3中，第一单片机3将DCC数据包通过RS485通讯接口电路4传输到命令编码板中，即通过第二单片机5进行时序调制，而后通过功率驱动芯片对信号进行功率放大，产生DCC标准信号。
结合图4，各部分电路具体如以下(1)～(5)所述：
(1)电源电路，包含交直流转换桥路、集成稳压芯片、模式选择开关和滤波电容等。外部交流12～20V或直流12-20V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，为命令编码控制器各部分电路供电；电源电路1同时兼容整流DCC信号直接供电功能，DCC信号接入另一交直流转换桥路，整流后接入集成稳压芯片的输入端，得到直流电源；两个供电模式通过模式选择开关切换。
所述交直流转换桥路选用KBL608，可承受高至6A的电流。集成稳压芯片选用典型的LM7812和LM7805，分别提供12V和5V直流电源。芯片的三个管脚一个接Vin、一个接GND、一个接Vout，Vout即为稳定直流电输出。外部交流12～20V或直流12-20V电源，输入到交直流转换桥路，后再输入集成稳压芯片，得到直流电源。
(2)所述USB通讯接口电路2采用英国FIDI公司的FT232BL芯片，芯片接6MHz的外部晶振，芯片内部有倍增器，可产生12M，48MHz的晶振频率。通过引脚USBDM和USBDP与上位机的USB口实现数据交换。两个端口内部是一个USB收发单元，能够支持USB1.1/2.0全速物理接口传输，上位机通过USB通讯接口电路2与第一单片机3进行信息交互。。芯片通过三个引脚与单片机连接，分别为TXD，RXD和CTS。TXD和RXD是UART通讯的数据发送与接收口，CTS(Clear To Send)是清除控制命令端口，低电平有效。DS1为黄色发光管，发光管正极接USB接口的电源端，起到指示USB是否连接有效的作用。DS2和DS3分别接芯片的RTLED和RXLED引脚，起到指示是否有数据传输的作用。
(3)所述第一单片机3和第二单片机5均采用Microchip公司的PIC16F628A中高端单片机，PIC16F628A单片机是18引脚的8位CMOS闪存单片机，具有多用途、低成本、高性能和全静态的特点。采用先进的RISC结构，具有曾强的内核功能、8级深度的堆栈以及多种内部和外部中断源。哈佛结构独立的指令总线和数据总线，允许同时取14位宽指令字与独立的8位宽数据，两级指令流水线使得除了程序转移指令(需要两个周期))以外的所有指令都能在单个周期内执行。总共有35条指令(精简指令集)可用，辅之以大的寄存器组。PIC16F628A有8种振荡器配置。单引脚的RC振荡器提供了低成本的解决方案。LP振荡器可将功耗降至最低，XT是标准晶振，而INTOSC是独立的高精度双速内部振荡器。HS模式是高速晶振。EC模式则是采用外部时钟源。休眠(断电)模式可以节能。用户可以通过几种外部中断、内部中断以及复位将芯片从休眠状态唤醒。高可靠性的看门狗自带了片上RC振荡器，能够避免程序锁死。
(4)所述RS485通讯接口电路4采用XpressNet标准接口进行数据通信，XpressNet接口是标准的RS485通讯口。选用的是典型的MAX485芯片。MAX485E是由美国美信(MAX)公司推出的低压RS485/RS422通讯芯片。每块芯片包含有一个接收器和一个发送器，分别对应单片机串行通信的RXD和TXD引脚。该芯片还具有自关断功能，当其端口2和3为低电平时，芯片启动低功耗关闭模式，该模式下通过该芯片的电流仅有0.5uA。该芯片可在极端的环境下进行正常的传输工作。传输距离达4000feet，并可同时支持128个目标在数据传输总线上进行同时数据传输。RS485的传输速度为250kbs。芯片的供电电压为12V，输入电压范围在-7～+12v之间。正常传输功耗在727mW，工作温度符合工业环境温度。MAX485的RO和DI分别与单片机的引脚RB1/2相连，DE则与单片机RB0引脚相连。RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可；RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端，当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0。AB间接120Ω电阻。
(5)所述功率放大电路6采用意法半导体公司(ST)的L6203全桥电机驱动芯片。该芯片结合DMOS(双扩散金属氧化物半导体)隔离技术和双极CMOS技术于一体。DMOS晶体管输出，决定了芯片可工作于42V的直流供电电压状态。芯片的输入逻辑兼容TTL、COMS和uC。每路半桥都有隔离的逻辑输入，同时每路半桥也带有使能控制端。其主要特性有：最高工作电压48V；最高5A电流输出，切换频率最高达100KHz；带温升自关断功能。其中IN1与IN2为单片机B的数据输出口，单片机B按照DCC电流时序标准，对命令传输板传输的控制信号进行DCC数据包时序产生。产生的信号通过L6203功率放大，加载到轨道上。因此，L6203功率驱动芯片的电压VS值和输出电流值，就决定了DCC信号的功率和幅值。L6203芯片最高电流达5Amp，能驱动6-10台HO型火车。输出侧为轨道和编程轨道信号接口，编程轨实时接通，而主轨道接口则通过一个继电器由单片机控制接通与断开。如此可有效的节省能耗，避免长距离的主轨道实时通电。
综上所述，本发明城轨交通运营安全模拟沙盘的命令编码控制器，基于单片机实现将上位机输出的数字信号变换成DCC标准信号，将上位机发送的控制命令信号转化成DCC标准信号，成本低、兼容性强；采用DCC信号，可以满足大部分轨道交通模拟沙盘的需求。
Claims (6)
1.一种城轨交通运营安全模拟沙盘的命令编码控制器，其特征在于，包括电源电路(1)、USB通讯接口电路(2)、第一单片机(3)、RS485通讯接口电路(4)、第二单片机(5)和功率放大电路(6)，其中电源电路(1)为整个命令编码控制器供电，所述USB通讯接口电路(2)的输出端接入第一单片机(3)的I/O端口，第一单片机(3)的串口通过RS485通讯接口电路(4)接入第二单片机(5)，第二单片机(5)的I/O端口通过功率放大电路(6)接入轨道、信号灯及道岔控制器；
所述电源电路(1)将外部交流或直流电源整流成稳定的直流电源，为整个命令编码控制器供电；上位机通过USB通讯接口电路(2)与第一单片机(3)相连，实现上位机与第一单片机(3)之间的信息交互；RS485通讯接口电路(4)将第一单片机(3)接收的上位机控制命令传递给第二单片机(5)，第二单片机(5)根据接收到的控制命令对第二单片机(5)内部产生的0和1数据包进行时序调制形成标准的DCC信号；形成DCC信号后，第二单片机(5)通过功率放大电路(6)，对DCC信号进行功率放大，并将DCC信号加载到轨道上，实现对火车、信号灯及道岔的控制。
2.根据权利要求1所述的城轨交通运营安全模拟沙盘的命令编码控制器，其特征在于，所述电源电路(1)包含交直流转换桥路、集成稳压芯片、模式选择开关和滤波电容，外部交流12～20V或直流12-20V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，为命令编码控制器各部分电路供电；电源电路(1)同时兼容整流DCC信号直接供电功能，DCC信号接入另一交直流转换桥路，整流后接入集成稳压芯片的输入端，得到直流电源；两个供电模式通过模式选择开关切换。
3.根据权利要求1所述的城轨交通运营安全模拟沙盘的命令编码控制器，其特征在于，所述USB通讯接口电路(2)采用FT232BL芯片，能够支持USB1.1/2.0全速物理接口传输，上位机通过USB通讯接口电路(2)与第一单片机(3)进行信息交互。
4.根据权利要求1所述的城轨交通运营安全模拟沙盘的命令编码控制器，其特征在于，所述第一单片机(3)和第二单片机(5)均采用Microchip公司的PIC16F628A。
5.根据权利要求1所述的城轨交通运营安全模拟沙盘的命令编码控制器，其特征在于，所述RS485通讯接口电路(4)采用XpressNet标准接口进行数据通信。
6.根据权利要求1所述的城轨交通运营安全模拟沙盘的命令编码控制器，其特征在于，所述功率放大电路(6)采用意法半导体公司的L6203全桥电机驱动芯片。
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