CN104794952A - 应答器系统的教学实验系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应答器系统的教学实验系统和方法，所述教学实验系统包括主机，数据采集卡，接线盒；所述数据采集卡装于主机内部，所述接线盒与主机连接，所述接线盒包括发射端口和接收端口；所述主机用于将发送报文编码为上行链路信号，并将接收到的返回信号解码为可识别的接收报文；所述数据采集卡用于向所述接线盒发送上行链路信号，接收所述接线盒上的返回信号并将所述返回的信号发送给所述主机。本发明模拟应答器系统的真实工作过程，简化了实验操作，更便于直观教学和理论联系实际，节省空间，便于搬移，且不受周边环境影响，维护简单，安全可靠。

Description

应答器系统的教学实验系统和方法

技术领域

本发明涉及一种教学实验系统,特别是一种应答器系统的教学实验系统和方法。

背景技术

随着我国列控设备的更新换代，作为新一代信号控制系统的核心的应答器，越来越凸显出其良好的优越性。在应答器系统的教学中，需要学生能够理解应答器的工作原理及关键技术，课堂理论讲授远不能满足当前教学需求，无法应对应答器的工作过程进行实验教学。目前的教学实验采用实体教学用具，包括应答器系统的车载设备及地面设备，一方面造价昂贵，占用空间，不便于存放和搬移，另一方面也无法让学生清楚地了解应答器工作过程和所处状态，大大减弱了实验教学的效果。如何使学生及相关人员快速掌握这一比较复杂的技术，就成为教学研究领域的新课题。

因此，需要开发一种应答器系统的教学实验系统，以便于进行实际操作和分析，能在短时间内让学生掌握应答器系统的原理和各种技术指标。同时还可以扩展到行业、企业的岗位培训，具有良好的发展前景。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种用于应答器系统的教学实验系统，不仅能够进行基本的设备认知实验，也可以在此基础上开设一些发散性实验，让学生透彻的掌握应答器的相关知识，提高教学效率。

一种应答器系统的教学实验系统，包括主机，数据采集卡，接线盒；所述数据采集卡装于主机内部，所述接线盒与主机连接，所述接线盒包括发射端口和接收端口；所述主机用于将发送报文编码为上行链路信号，并将接收到的返回信号解码为可识别的接收报文；所述数据采集卡用于向所述接线盒发送上行链路信号，接收所述接线盒上的返回信号并将所述返回的信号发送给所述主机。

优选的，接线盒的发射端口与接收端口可以通过导线直接连接。

优选的，还可以包括发射线圈和接收线圈，所述发射线圈与所述接线盒的发射端口连接，所述接收线圈与所述接线盒的接收端口连接；所述发射线圈通过电磁感应方式将上行链路信号发送给所述接收线圈，所述接收线圈将接收到的返回信号通过所述接收端口发送给接线盒，并通过数据采集卡发送给主机。

优选的，还可以包括第一示波器，所述第一示波器与所述接线盒的发射端口连接，用以显示接线盒输出的上行链路信号；和/或包括第二示波器，所述第二示波器与所述接线盒的接收端口连接，用以显示返回给接线盒的返回信号。

优选的，还可以包括噪声模块，用以给上行链路信号添加噪声。

一种应用于上述应答器系统的教学实验系统的应答器系统的教学实验方法，可以包括如下步骤：

S010：在主机上选择要发送的发送报文，设置参数和通道；

S020：将所述发送报文进行编码，并通过数据采集卡发送给接线盒的发射端口；

S030：由数据采集卡从接线盒的接收端口接收返回信号，

S040：将接收到的返回信号译码为可识别的接收报文；

S050：将接收报文显示在主机的显示设备上。

一种应用于上述应答器系统的教学实验系统的应答器系统的教学实验方法，包括如下步骤：

S010：在主机上选择要发送的发送报文，设置参数和通道；

S020：将所述发送报文进行编码，并通过数据采集卡发送给接线盒的发射端口；

S021：由第一示波器显示上行链路信号的波形，

S030：由数据采集卡从接线盒的接收端口接收返回信号，

S040：将接收到的返回信号译码为可识别的接收报文；

S050：将接收报文显示在主机的显示设备上。

一种应用于上述的应答器系统的教学实验系统的应答器系统的教学实验方法，可以通过改变发射线圈与接收线圈之间的距离，在主机的显示设备上模拟显示BTM天线与地面应答器距离的改变引起的变化。

一种应用于上述的应答器系统的教学实验系统的应答器系统的教学实验方法，可以通过在发射线圈与接收线圈附近增加金属或电磁干扰源，在主机的显示设备上模拟显示金属或电磁干扰源对BTM天线及地面应答器的干扰。

一种应用于上述的应答器系统的教学实验系统的应答器系统的教学实验方法，所述噪声模块可以给上行链路信号添加噪声，并在主机的显示设备上显示添加了噪声的接收报文。

本发明的有益效果：本发明是对实际应用的应答器系统的模拟，通过模拟应答器系统的真实工作过程，以诠释点式应答器系统的工作原理及其在列车控制领域的应用。虚拟仪器的运用，简化了实验操作，更便于直观教学和理论联系实际。该系统节省空间，便于搬移，不受周边环境影响，维护简单，安全可靠。本发明以生动的动画、丰富的图片资料，调动学习者的学习兴趣，使学习者在学习过程中处于主动状态，对于提高实验室教学质量具有重要意义。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1a是本发明一个具体实施例的结构示意图。

图1b是本发明一个具体实施例的结构示意图。

图2a是本发明具体实施例模拟的实际工作示意图。

图2b是本发明具体实施例模拟的实际工作示意图。

图3是本发明一个具体实施例的实验三的流程图。

图4是本发明一个具体实施例的实验四的流程图。

图5是本发明一个具体实施例的实验五的流程图。

具体实施方式

本发明采用了虚拟仪器技术，在实验室中模拟应答器系统的工作条件，让学生们可以在实验室中了解应答器系统的工作原理，熟悉发送报文的编写以及返回信号的译码，验证接收报文的准确性。

本发明一个实施例的应答器系统的教学系统(本发明的应答器也称为地面应答器)，可以实现5项具体实验：

实验一是应答器原理及设备认知实验，主要供学生了解设备和基本工作过程，学生可以选定一种车速，然后可观察应答器工作过程的动画展示。

实验二是模拟应答器“C接口”特性分析实验，其中“C接口”是在实际工作环境下的有源应答器与LEU之间的接口(如图2b所示)；所述实验二模拟实际工作环境下从车站列控中心，经由地面电子单元，向有源应答器传输信号的通信过程，分别生成“C1”接口、“C6”接口以及两者的叠加信号。点击“加载报文”后可加载预置的应答器报文，以10码图像形式显示在实验教学系统中。主机将报文转化为C接口信号，用数据采集卡发送出去。点击C接口信号通道设置可以对C接口的信号传输通道进行配置，对应地将示波器的探头接入接线盒相应的接口，在实验教学系统中观察C1、C6接口信号以及其叠加信号，并用示波器进行测量和分析。

实验三是模拟应答器“A接口”特性分析实验，其中“A接口”是实际工作环境下有源应答器或无源应答器与车载BTM天线之间的空气接口，如图2a、图2b所示；可以通过该教学实验系统观察应答器的报文波形图及调制后的2FSK信号波形图。选择加载报文，设置参数和通道(本发明中所述设置的参数包括：发送信号的载频，频偏，幅度等；通道是数据采集卡上收发信号的端口)，主机将发送报文按照二进制频移键控转化为2FSK信号，并用数据采集卡发送出去。在数据采集卡上接入正确的接口，在显示器上观察报文波形，在显示器或示波器上观察上行链路信号波形，并用示波器测量传输信号，记录信号参数。

实验四是模拟应答器与BTM天线之间作用间距及干扰对车载显示设备影响的分析实验，由于实际工作环境下应答器与BTM天线之间的距离及外界干扰会叠加在正常信号上并反馈在接收报文中，这些干扰对列车司机解读接收报文会带来不同程度的干扰，实验四就是模拟了这种实际工作环境下的真实场景。

实验五是上行链路信号解调程序编写实验。

本发明一个具体实施方式的应答器系统的教学实验系统如图1a所示，包括主机，数据采集卡，接线盒；所述数据采集卡装于主机内部，所述接线盒与主机连接。

所述接线盒包括发射端口和接收端口。所述接线盒优选屏蔽式接线盒，以避免环境干扰，当然在电磁干扰比较少的环境下也可以使用普通接线盒。

所述主机包括解调程序编写模块，信号处理模块，所述主机通过解题程序编写模块用于将发送报文编码为上行链路信号(即模拟实际工作过程中应答器发往BTM天线的上行链路信号)，所述主机的信号处理模块还模拟了应答器的车载查询器，将接收到的返回信号解码为可识别的接收报文。本实施例的所述主机为PC机箱内插槽上安插的板卡，该板卡设置了实现上述教学实验的硬件。本发明其它实施例也可采用在现有PC机内执行编程软件的方式实现上述实施例硬件板卡的作用。

本发明的一个具体实施例采用美国NI公司的数据采集卡PCIe-6351，数据采集卡具有生成和采集信号的功能，模拟固定信息应答器(也称无源应答器)、可变信息应答器(也称有源应答器)、地面电子单元(Line-side Electronic Unit，简称LEU)等设备的功能。所述数据采集卡用于向所述接线盒发送上行链路信号，接收所述接线盒上的返回信号并将所述返回的信号发送给所述主机。在数据采集卡采集到这个返回信号并传递给主机后，主机即可对该返回信号进行译码处理，得到报文波形，并显示在显示器上。

接线盒的发射端口与接收端口可以通过导线直接连接，如图1a所示。在其它的具体实施方式中，也可以通过发射线圈和接收线圈之间的电磁感应进行信号的交流，比如将所述发射线圈与所述接线盒的发射端口连接，将所述接收线圈与所述接线盒的接收端口连接，发射线圈与接收线圈隔开一定距离(即A接口，空气接口)，通过电磁感应传输数据，如图1b所示；该实施例的优点在于真实模拟了BTM天线与地面应答器的真实工作状态(如图2a所示)，缺点在于，必须在干扰信号比较少的实验环境下进行，以免干扰信号过多造成无法识别接收报文的波形(即由计算机接收处理后得到的译码报文，下同)。接线盒的发射端口与接收端口直接用导线连接相当于模拟了理想状态下BTM天线与地面应答器的工作，其优点在于，可以避免环境噪声(比如自然环境中的手机信号、无线电波信号等)对返回信号的干扰，在任何外界环境下均可使学员能够清晰无干扰的看到接收报文的波形(即计算机接收并译码后得到的报文波形)；其缺点在于，无法进行后续的实验四，即模拟应答器与BTM天线之间作用间距及干扰对车载显示设备影响的分析实验。因此，通常是将这两种方式相结合根据不同的教学目的进行调整。

实际工作环境如图2a、图2b所示，安装在铁轨上的应答器在接收到车载设备的BTM天线发射的激励信号(欧标及国标规定为27.095MHz的射频信号)的情况下，将地面应答器的报文通过编码发送给BTM天线，由BTM天线反馈给车载设备进行译码后显示在DMI(人机界面，图中未显示)上并发送给机车的后级设备如LKJ或ATP。在本发明的实验教学系统中，接线盒的发射端口模拟应答器，接线盒的接收端口模拟BTM天线。因此，在发送端口和接收端口之间传送的信号并非应答器上记载的发送报文和车载设备上接收的接收报文，而分别是发送信号编码后的上行链路信号和译码前的返回信号，也就是说，发送报文经过编码才能变成上行链路信号，返回信号经过译码才能变为接收报文。本发明的教学实验系统不仅在显示器端可以看到发送报文和接收报文，还可以通过在接线盒的发射端口和/或接收端口安装示波器看到上行链路信号和/或返回信号。比如，将第一示波器与所述接线盒的发射端口连接，可以在第一示波器上显示接线盒输出的上行链路信号，并用第一示波器测量传输信号，记录信号参数。将第二示波器与所述接线盒的接收端口连接，可以在第二示波器上显示返回给接线盒的返回信号，用第二示波器测量传输信号，记录信号参数。

上述应答器系统的教学实验系统进行上述实验二及实验三的应答器系统的教学方法的实施例如图3所示，详述如下：

S010：在主机上选择要发送的发送报文，即将准备好并存储在主机上的报文加载到应答器系统的教学实验系统中。设置参数和通道(设置的参数包括：发送信号的载频，频偏，幅度，通道是数据采集卡上收发信号的端口，下同)。该步骤的发送报文也可以是由学生编写的发送报文。

S020：将所述发送报文进行编码(比如按照二进制频移键控转化为2FSK信号)，并通过数据采集卡发送给接线盒的发射端口。编码过程通常是在主机上通过预设的编码程序执行的，也可以在数据采集卡上执行。

S030：由数据采集卡从接线盒的接收端口接收返回信号。

S040：将接收到的返回信号译码为可识别的接收报文。译码过程通常是在主机上通过预设译码程序执行的，也可以在数据采集卡上执行。

S050：将译码后的接收报文显示在主机的显示设备上，显示给学生查看结果。接收报文的波形还可以同时保存在主机上。

在上述的通过示波器观察上行链路信号的实施例中，在S020之后增加如下步骤：S021：由第一示波器显示上行链路信号的波形，还可以同时测量传输信号，记录信号参数(传输信号可以指模拟的2FSK上行链路信号，可以测量的信号参数包括信号频率和幅度等)。

在上述的通过示波器观察返回信号的实施例中，在S030之后增加如下步骤：S031：由第二示波器显示上行链路信号的波形，还可以同时测量传输信号，记录信号参数。

在上述的在接线盒发射端口连接发射线圈、在接线盒接收端口连接接收线圈的实施例中，可以进行实验四，即模拟应答器与BTM天线之间作用间距及干扰对车载显示设备影响的分析实验。本发明的一个实施例的实验四先演示应答器与BTM天线之间距离对于接收报文的影响，如图4所示，学生可以设置BTM天线(由接收线圈模拟)和应答器(由发射线圈模拟)的相对位置，选择发送报文，设置参数和通道，在数据采集卡上接入正确的接口，发送发送报文，观察解调情况并用示波器测量传输信号，记录信号参数。本实施例还可以与Excel互通，实验数据可以记载在Excel中，生成表格，进而对实验结果进行分析。简而言之，该实验即通过改变发射线圈与接收线圈之间的距离，在主机的显示设备上模拟显示BTM天线与地面应答器距离的改变引起的变化。

本发明的一个实施例的实验四还可以演示干扰源(即噪声)对于接收报文的影响，学生可以在BTM天线(由接收线圈模拟)和应答器(由发射线圈模拟)附件设置干扰源，并能调整干扰源的强弱，选择发送报文，设置参数和通道，在数据采集卡上接入正确的接口，发送发送报文，观察解调情况并用示波器测量传输信号，记录信号参数，观察干扰源与接收线圈距离、干扰源强弱对接收报文的影响。简而言之，即通过在发射线圈与接收线圈附近增加金属或电磁干扰源，在主机的显示设备上模拟显示金属或电磁干扰源对BTM天线及地面应答器的干扰。

所述实验五在上述实施例的基础上还包括噪声模块，解调程序编写模块，信号处理模块，所述信号处理模块同实验四。所述噪声模块可以给上行链路信号添加不同类型及大小的噪声，并可通过上述示波器或主机的显示设备观察误码率和噪声波形。所述解调程序编写模块可以与Matlab互通，也可导入obj或lib文件对信号进行解调。具体如图5所示，实验五是上行链路信号的解调程序编写实验。学生可以选择不同类型及大小的噪声，加入上行链路信号中，选择报文，设置参数和通道，观察解调结果。在数据采集卡上接入正确的接口，发送报文，观察误码率和噪声波形，并观察信号的解调情况，用示波器测量传输信号，记录信号参数。当然也可以在选择报文之后通过数据采集卡的其它接口添加到上行链路信号中。学生也可以编写其他的解调程序，本发明可以与Matlab互通，也可导入obj或lib文件对信号进行解调。实验五可以模拟信号传递过程中加入的各种干扰，让学生理解应答器的实际工作过程中可能也会遇到一些干扰。

上述各实施例中，所述参数设置包括信号的频率，幅度和码元速率。所述通道设置包括通道类型及幅值。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程替换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种应答器系统的教学实验系统，包括主机，数据采集卡，接线盒；所述数据采集卡装于主机内部，所述接线盒与主机连接，所述接线盒包括发射端口和接收端口；

所述主机用于将发送报文编码为上行链路信号，并将接收到的返回信号解码为可识别的接收报文；

所述数据采集卡用于向所述接线盒发送上行链路信号，接收所述接线盒上的返回信号并将所述返回的信号发送给所述主机。

2.根据权利要求1所述的应答器系统的教学实验系统，其特征在于，接线盒的发射端口与接收端口通过导线直接连接。

3.根据权利要求1所述的应答器系统的教学实验系统，其特征在于，还包括发射线圈和接收线圈，所述发射线圈与所述接线盒的发射端口连接，所述接收线圈与所述接线盒的接收端口连接；

所述发射线圈通过电磁感应方式将上行链路信号发送给所述接收线圈，所述接收线圈将接收到的返回信号通过所述接收端口发送给接线盒，并通过数据采集卡发送给主机。

4.根据权利要求2或3所述的应答器系统的教学实验系统，其特征在于，还包括第一示波器，所述第一示波器与所述接线盒的发射端口连接，用以显示接线盒输出的上行链路信号；

和/或包括第二示波器，所述第二示波器与所述接线盒的接收端口连接，用以显示返回给接线盒的返回信号。

5.根据权利要求1至4之一所述的应答器系统的教学实验系统，其特征在于，还包括噪声模块，用以给上行链路信号添加噪声。

6.一种应用于权利要求1至3之一所述的应答器系统的教学实验系统的应答器系统的教学实验方法，包括如下步骤：

S010：在主机上选择要发送的发送报文，设置参数和通道；

S020：将所述发送报文进行编码，并通过数据采集卡发送给接线盒的发射端口；

S030：由数据采集卡从接线盒的接收端口接收返回信号，

S040：将接收到的返回信号译码为可识别的接收报文；

S050：将接收报文显示在主机的显示设备上。

7.一种应用于权利要求4所述的应答器系统的教学实验系统的应答器系统的教学实验方法，包括如下步骤：

S010：在主机上选择要发送的发送报文，设置参数和通道；

S020：将所述发送报文进行编码，并通过数据采集卡发送给接线盒的发射端口；

S021：由第一示波器显示上行链路信号的波形，

S030：由数据采集卡从接线盒的接收端口接收返回信号，

S040：将接收到的返回信号译码为可识别的接收报文；

S050：将接收报文显示在主机的显示设备上。

8.一种应用于权利要求3所述的应答器系统的教学实验系统的应答器系统的教学实验方法，其特征在于，通过改变发射线圈与接收线圈之间的距离，在主机的显示设备上模拟显示BTM天线与地面应答器距离的改变引起的变化。

9.一种应用于权利要求3所述的应答器系统的教学实验系统的应答器系统的教学实验方法，其特征在于，通过在发射线圈与接收线圈附近增加金属或电磁干扰源，在主机的显示设备上模拟显示金属或电磁干扰源对BTM天线及地面应答器的干扰。

10.一种应用于权利要求5所述的应答器系统的教学实验系统的应答器系统的教学实验方法，其特征在于，所述噪声模块给上行链路信号添加噪声，并在主机的显示设备上显示添加了噪声的接收报文。