CN110189570A - 一种用于铁路区间信号自动闭塞仿真的教学实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于铁路区间信号自动闭塞仿真的教学实验装置，其特征在于，包括底板、若干个信号机和PC机；每个所述信号机均插接在底板上并与其通信连接，所述底板通过USB接口与PC机通信连接；本发明采用电子技术制作区间信号自动闭塞仿真设备，能完全展示实验原理，且其制作成本约为实物的十分之一，制作成本低；实验装置除了能演示区间信号自动闭塞的各种实验，还可以将接口和协议开放给学生，由学生在此基础上进行二次开发，增加了学生的学习兴趣提高其创造能力。

Description

一种用于铁路区间信号自动闭塞仿真的教学实验装置

技术领域

本发明属于教学装置设计技术领域，具体涉及一种用于铁路区间信号自动闭塞仿真的教学实验装置。

背景技术

铁路信号区间自动闭塞是为了防止在铁路区间运行的列车发生对向冲撞等事故而采取的列车运行控制技术措施。将整个区间划分为若干个闭塞分区，每个闭塞分区的气垫装设通过信号机、列车运行借助车轮与轨道电路接触发生作用，自动控制通过信号机的显示。这种方式不需要办理闭塞手续，又可开行追踪列车，既保证了列车安全又提高了运输效率。信号自动闭塞的原理是铁路信号基础知识之一，是铁道信号专业学生必须强化掌握的基本原理。

现有的区间信号自动闭塞实验教学软件或装置多是呈现自动闭塞的动态过程，是原理的展示；原有的实验装置主要针对高职院校，实验目的和难度是结合培养目标来设置的，属于演示性教学，创新性不足，学生不能动手设计电路或编程实现区间信号自动闭塞过程，不助于强化学生对知识的理解，难以开展设计型和综合型实验。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的用于铁路区间信号自动闭塞仿真的教学实验装置解决了现有的相关教学实验装置创新性不足，不利于强化学生对知识的理解的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种用于铁路区间信号自动闭塞仿真的教学实验装置，包括底板、若干个信号机和PC机；

每个所述信号机均插接在底板上并与其通信连接，所述底板通过USB接口与PC机通信连接；

所述底板用于通信和供电；

所述信号机用于信号显示；

所述PC机用于控制底板与信号机之间的通信。

进一步地，所述底板上设置有若干个信号机接插组件、通信转换电路、电源指示电路、底板编程接口、电源开关、通信接口选择开关和总线接口；

若干组所述信号机接插组件、电源指示电路、底板编程接口、电源开关、通信接口选择开关和总线接口均与所述通信转换电路连接。

进一步地，每个所述信号机接插组件均包括信号机座、按键检测电路和区间占用指示灯；

所述按键检测电路和区间占用指示灯均与所述信号机座连接，所述信号机座分别与所述总线接口和所述通信转换电路连接；

所述按键检测电路包括两孔接插件JP5，所述两孔接插件JP5的两个引脚均与发光二极管D7的负极、单刀双掷开关S5的固定端和电阻R19的一端连接，所述发光二极管D7的正极通过电阻R14与5V电源连接，所述电阻R19的另一端也与5V电源连接，所述单刀双掷开关S5的第一活动端悬空，且第二活动端接地。

进一步地，所述底板编程接口为TTL电平编程接口；

所述总线接口和信号机座均为RS485接口。

进一步地，所述通信转换电路包括USB接口P2、型号为PL2303SA的芯片U2和型号为74LBC184芯片U1；

所述USB接口P2的电源端分别与5V电源和芯片U2的第7引脚连接；

所述USB接口P2的负数据线端D-通过电阻R6与芯片U2的第6引脚连接；

所述USB接口P2的正数据线端D+与电阻R1的一端连接，并通过电阻R9与芯片U2的第5引脚连接，电阻R1的另一端分别与接地电容C3、3.3V电源、芯片U2的第8引脚和芯片U2的第3引脚连接；

所述USB接口P2的接地端与所述芯片U2的第1引脚连接；

所述USB接口P2的第5引脚和第6引脚均接地，且均与磁珠L1的一端连接，磁珠L1的另一端与接地并与所述芯片U2的第1引脚连接；

所述USB接口P2的电源端还分别与电容C1的一端、电容C2的一端和电源开关K1的固定端连接，所述电容C1的另一端和电容C2的另一端均接地，电源开关K1第一活动端分别与5V电源和底板编程接口P1第4引脚连接，所述底板编程接口P1的第3引脚与芯片U2的第4引脚连接，所述底板编程接口P1的第2引脚通信接口选择开关K2的第一活动端连接；

所述芯片U2的第4引脚还与通信接口选择开关K2的固定端连接，所述通信接口选择开关K2的第二活动端与芯片U1的第3引脚连接；

所述芯片U2的第2引脚分别与电阻R7的一端和芯片U1的第4引脚连接，所述电阻R7的另一端与三极管Q1的基极连接，所述三极管Q1的集电极分别与电阻R3的一端、芯片U1的第2引脚和芯片U1的第3引脚连接，所述三极管Q1的发射极接地，电阻R3的另一端与5V电源连接；

所述芯片U1的第8引脚分别与5V电源、接地电容C4和电阻R2的一端连接，所述电阻R2的另一端与芯片U1的第6引脚连接，所述芯片U1的第7引脚与电阻R8的一端连接，所述电阻R8的另一端与芯片U1的第5引脚连接并接地；

所述芯片U1的第6引脚和芯片U1的第7引脚与信号机座和总线接口连接。

进一步地，每个所述信号机均包括信号灯、MCU电路、信号机编程接口和通信接口；

所述信号灯、信号机编程接口和通信接口均与所述MCU电路连接，所述信号机通过通信接口插接在信号机座上；

所述通信接口为与信号机座相匹配的8孔接插件。

进一步地，所述信号灯包括黄灯D1、绿灯D2、红灯D3和白灯D4；

所述MCU电路包括型号为STC15W408AS的芯片U3和型号为MAX485的芯片U4；

所述芯片U3的第6引脚分别与5V电源和信号机编程接口P3的第4引脚连接；

所述芯片U3的第9引脚与信号机编程接口P3的第3引脚连接；

所述芯片U3的第10引脚与信号机编程接口P3的第2引脚连接；

所述芯片U3的第3引脚和信号机编程接口P3的第1引脚均接地；

所述芯片U3的第14引脚分别与芯片U4的第4引脚和电阻R12的一端连接，所述电阻R12的另一端与三极管Q2的基极连，所述三极管Q2的集电极分别与电阻R11的一端、芯片U4的第2引脚和芯片U4的第3引脚连接，所述三极管Q2的发射极接地，电阻R11的另一端与5V电源连接；

所述芯片U3的第1引脚和芯片U3的第2引脚通过排阻R10与黄灯D1连接，所述芯片U3的第3引脚和芯片U3的第4引脚通过排阻R10与绿灯D2连接，所述芯片U3的第5引脚和芯片U3的第15引脚通过排阻R10与红灯D3连接，所述芯片U3的第7引脚和芯片U3的第16引脚通过排阻R10与白灯D4连接；

所述芯片U4的第8引脚分别与5V电源和接地电容C5连接；

所述芯片U4的第6引脚和第7引脚与通信接口连接；

所述芯片U4的第5引脚接地。

进一步地，所述底板上还印刷有区间间隔点和轨道示意线；

每个所述信号机接插组件均对应一个区间间隔点。

本发明的有益效果为：本发明采用电子技术制作区间信号自动闭塞仿真设备，能完全展示实验原理，且其制作成本约为实物的十分之一，制作成本低；实验装置除了能演示区间信号自动闭塞的各种实验，还可以将接口和协议开放给学生，由学生在此基础上进行二次开发，增加了学生的学习兴趣提高其创造能力。

附图说明

图1为本发明提供的用于铁路区间信号自动闭塞仿真的教学实验装置结构框图。

图2为本发明提供的用于铁路区间信号自动闭塞仿真的教学实验装置中底板结构图。

图3为本发明提供的用于铁路区间信号自动闭塞仿真的教学实验装置中信号机结构示意图。

图4为本发明中电源指示电路原理图。

图5为本发明中的RS485接口连接示意图。

图6为本发明中的按键检测电路原理图。

图7为本发明中的本发明中通信转换电路原理图。

图8为本发明中的信号机中MCU电路原理图。

图9为本发明中的信号机与底板连接示意图。

其中：1、USB接口；2、通信接口选择开关；3、电源开关；4、信号机接插组件；5、通信转换电路；6、底板编程接口；7、电源指示电路；8、区间间隔点；9、轨道示意线；10、总线接口；11、信号灯；12、信号机编程接口；13、MCU电路；14、通信接口。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种用于铁路区间信号自动闭塞仿真的教学实验装置，包括底板、若干个信号机和PC机；

每个信号机均插接在底板上并与其通信连接，底板通过USB接口1与PC机通信连接；

底板用于通信和供电；

信号机用于信号显示；

PC机用于控制底板与信号机之间的通信。

如图2所示，上述底板上设置有若干个信号机接插组件4、通信转换电路5、电源指示电路7、底板编程接口6、电源开关3、通信接口选择开关2和总线接口10；

若干组信号机接插组件4、电源指示电路7、底板编程接口6、电源开关3、通信接口选择开关2和总线接口10均与通信转换电路5连接。

上述底板上还印刷有区间间隔点8和轨道示意线9；每个信号机接插组件4均对应一个区间间隔点8。

其中，信号机接插组件4用于插接信号机，通过与其通信配合实现铁路区间信号自动闭塞仿真；

通信转换电路5将USB接口1数据转换成串行口数据；

电源指示电路7如图4所示，用于指示该教学实验装置中的底板是否通电；

底板编程接口6为TTL电平编程接口，用于下载程序；

电源开关3用于控制底板的工作状态；

通信接口选择开关2用于在实验过程中根据实际需要选择RS485通信或是TTL通信；

总线接口10为RS485接口用于实现多个信号机串联通信。

图2中的每个信号机接插组件4均包括信号机座、按键检测电路和区间占用指示灯；按键检测电路和区间占用指示灯均与信号机座连接，信号机座分别与总线接口10和通信转换电路5连接；

其中，信号机座为与通信转换电路5和总线接口10连接的RS485接口，RS485接口的电路连接如图5所示；

按键检测电路用于将按键信号传递至信号机；

区间占用指示灯用于指示区间车辆占用情况，对应指示灯亮表示有车辆占用了该区间；

如图6所示，按键检测电路包括两孔接插件JP5，两孔接插件JP5的两个引脚均与发光二极管D7的负极、单刀双掷开关S5的固定端和电阻R19的一端连接，发光二极管D7的正极通过电阻R14与5V电源连接，电阻R19的另一端也与5V电源连接，单刀双掷开关S5的第一活动端悬空，且第二活动端接地。

如图7所示，展示了通信转换电路5与底部上其他部分组成元件的连接关系，该通信转换电路5包括USB接口P2、型号为PL2303SA的芯片U2和型号为74LBC184芯片U1；

USB接口P2的电源端分别与5V电源和芯片U2的第7引脚连接；

USB接口P2的负数据线端D-通过电阻R6与芯片U2的第6引脚连接；

USB接口P2的正数据线端D+与电阻R1的一端连接，并通过电阻R9与芯片U2的第5引脚连接，电阻R1的另一端分别与接地电容C3、3.3V电源、芯片U2的第8引脚和芯片U2的第3引脚连接；

USB接口P2的接地端与芯片U2的第1引脚连接；

USB接口P2的第5引脚和第6引脚均接地，且均与磁珠L1的一端连接，磁珠L1的另一端与接地并与芯片U2的第1引脚连接；

USB接口P2的电源端还分别与电容C1的一端、电容C2的一端和电源开关3K1的固定端连接，电容C1的另一端和电容C2的另一端均接地，电源开关K1第一活动端分别与5V电源和底板编程接口P1的第4引脚连接，底板编程接口P1的第3引脚与芯片U2的第4引脚连接，底板编程接口P1的第2引脚通信接口选择开关K2的第一活动端连接；

芯片U2的第4引脚还与通信接口选择开关2K2的固定端连接，通信接口选择开关K2的第二活动端与芯片U1的第3引脚连接；

芯片U2的第2引脚分别与电阻R7的一端和芯片U1的第4引脚连接，电阻R7的另一端与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的集电极分别与电阻R3的一端、芯片U1的第2引脚和芯片U1的第3引脚连接，三极管Q1的发射极接地，电阻R3的另一端与5V电源连接；

芯片U1的第8引脚分别与5V电源、接地电容C4和和电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与芯片U1的第6引脚连接，芯片U1的第7引脚与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与芯片U1的第5引脚连接并接地；

芯片U1的第6引脚和芯片U1的第7引脚与信号机座和总线接口10连接。

图3中的信号机包括信号灯11、MCU电路13、信号机编程接口12和通信接口14；

信号灯11、信号机编程接口12和通信接口14均与MCU电路13连接，信号机通过通信接口14插接在信号机座上；

通信接口14为与信号机座相匹配的8孔接插件。

其中信号灯11包括黄灯D1、绿灯D2、红灯D3和白灯D4；

MCU电路13能够实现与底板通信、信号机控制和检测；在控制信号机时，PC机发出控制信号机指令，底板将USB接口1数据转换为RS485电平数据，然后通过底板的数据总线将数据传给信号机，信号机上的MCU接到指令后对数据进行处理并显示输出；同时，信号机上的MCU可以周期检测采集底板采集数据，分析灯的状态并将状态值写在内存中，随时供上位机查询。

如图8所示，MCU电路13包括型号为STC15W408AS的芯片U3和型号为MAX485的芯片U4；

芯片U3的第6引脚分别与5V电源和信号机编程接口P3的第4引脚连接；

芯片U3的第9引脚与信号机编程接口P3的第3引脚连接；

芯片U3的第10引脚与信号机编程接口P3的第2引脚连接；

芯片U3的第3引脚和信号机编程接口P3的第1引脚均接地；

芯片U3的第14引脚分别与芯片U4的第4引脚和电阻R12的一端连接，电阻R12的另一端与三极管Q2的基极连，三极管Q2的集电极分别与电阻R11的一端、芯片U4的第2引脚和芯片U4的第3引脚连接，三极管Q2的发射极接地，电阻R11的另一端与5V电源连接；

芯片U3的第1引脚和芯片U3的第2引脚通过排阻R10与黄灯D1连接，芯片U3的第3引脚和芯片U3的第4引脚通过排阻R10与绿灯D2连接，芯片U3的第5引脚和芯片U3的第15引脚通过排阻R10与红灯D3连接，芯片U3的第7引脚和芯片U3的第16引脚通过排阻R10与白灯D4连接；

芯片U4的第8引脚分别与5V电源和接地电容C5连接；

芯片U4的第6引脚和第7引脚与通信接口连接；

芯片U4的第5引脚接地。

图3中的信号机上包括通信接口14和信号机编程接口12，当向MCU电路13的单片机下载程序时，用信号机侧面的4针信号机编程接口12连接底板，当采用485总线通信方式时，用信号机上的8针接插件与底板上的RS485接口连接(如图9所示)，每一种接口的每一根线的功能和作用均不相同，插接时要注意是否错位或接反，否则可能会造成短路。

在本发明的一个实施例中，提供了该教学装置的实验前的测试过程：利用USB-串行口转接线连接底板与计算机，打开电源开关，底板上电源指示灯点亮(检测底板是否完好)，启动单片机下载程序，查看串行口是否识别出来(检测驱动程序是否安装完好)，分别按压底板上的按键检测电路上的开关，查看对应的LED灯是否点亮(检测按键功能)。

在本发明的一个实施例中，本发明装置可实现的功能具体如下：

功能1：通过底板将多个信号机级联，上位机能通过USB接口对任一信号机上的信号灯实现亮度、闪烁控制，并能检测其状态。

实现上述功能时：通过PC机运行的串口调试软件将调试好的信号灯点亮程序下载至信号机板上，在PC机端通过串口指令配置并控制信号灯，即可实现上述功能。

功能2：能演示四显示自动闭塞实验、模拟红灯转移故障实验、信号机降级显示实验。

实现上述功能时：通过PC机运行的串口调试软件将调试好的区间自动闭塞实验程序下载至信号机板上，在PC机端通过串口指令配置并控制信号灯，即可实现上述功能。

功能3：根据提供的编程接口，学生可在该设备上进行二次开发。

实现上述功能时：采用USB转串口，由学生自己定义控灯协议。例如：信号灯的状态也只有四种，亮灯、灭灯、闪烁、呼吸，如果我们用00,01,10,11分别表示这四种状态，则每一个灯只需要两位二进制数表示即可，每架信号机四个灯，可算出每架信号机需要8位表示各个灯的状态。可以设计用一个字节控制4个信号灯的简单协议，协议中每两位二进制数控制一个信号灯，每一个信号灯四种状态，也可以以此为思路，设计自己的控灯协议，比如闪烁的频率、状态的交替显示。

本发明的有益效果为：本发明采用电子技术制作区间信号自动闭塞仿真设备，能完全展示实验原理，且其制作成本约为实物的十分之一，制作成本低；实验装置除了能演示区间信号自动闭塞的各种实验，还可以将接口和协议开放给学生，由学生在此基础上进行二次开发，增加了学生的学习兴趣提高其创造能力。

Claims (8)

1.一种用于铁路区间信号自动闭塞仿真的教学实验装置，其特征在于，包括底板、若干个信号机和PC机；

每个所述信号机均插接在底板上并与其通信连接，所述底板通过USB接口(1)与PC机通信连接；

所述底板用于通信和供电；

所述信号机用于信号显示；

所述PC机用于控制底板与信号机之间的通信。

2.根据权利要求1所述的用于铁路区间信号自动闭塞仿真的教学实验装置，其特征在于，所述底板上设置有若干个信号机接插组件(4)、通信转换电路(5)、电源指示电路(7)、底板编程接口(6)、电源开关(3)、通信接口选择开关(2)和总线接口(10)；

若干组所述信号机接插组件(4)、电源指示电路(7)、底板编程接口(6)、电源开关(3)、通信接口选择开关(2)和总线接口(10)均与所述通信转换电路(5)连接。

3.根据权利要求2所述的用于铁路区间信号自动闭塞仿真的教学实验装置，其特征在于，每个所述信号机接插组件(4)均包括信号机座、按键检测电路和区间占用指示灯；

所述按键检测电路和区间占用指示灯均与所述信号机座连接，所述信号机座分别与所述总线接口(10)和所述通信转换电路(5)连接；

所述按键检测电路包括两孔接插件JP5，所述两孔接插件JP5的两个引脚均与发光二极管D7的负极、单刀双掷开关S5的固定端和电阻R19的一端连接，所述发光二极管D7的正极通过电阻R14与5V电源连接，所述电阻R19的另一端也与5V电源连接，所述单刀双掷开关S5的第一活动端悬空，其第二活动端接地。

4.根据权利要求2所述的用于铁路区间信号自动闭塞仿真的教学实验装置，其特征在于，

所述底板编程接口(6)为TTL电平编程接口；

所述总线接口(10)和信号机座均为RS485接口。

5.根据权利要求4所述的用于铁路区间信号自动闭塞仿真的教学实验装置，其特征在于，所述通信转换电路(5)包括USB接口P2、型号为PL2303SA的芯片U2和型号为74LBC184芯片U1；

所述USB接口P2的电源端分别与5V电源和芯片U2的第7引脚连接；

所述USB接口P2的负数据线端D-通过电阻R6与芯片U2的第6引脚连接；

所述USB接口P2的正数据线端D+与电阻R1的一端连接，并通过电阻R9与芯片U2的第5引脚连接，电阻R1的另一端分别与接地电容C3、3.3V电源、芯片U2的第8引脚和芯片U2的第3引脚连接；

所述USB接口P2的接地端与所述芯片U2的第1引脚连接；

所述USB接口P2的第5引脚和第6引脚均接地，且均与磁珠L1的一端连接，磁珠L1的另一端与接地并与所述芯片U2的第1引脚连接；

所述USB接口P2的电源端还分别与电容C1的一端、电容C2的一端和电源开关K1的固定端连接，所述电容C1的另一端和电容C2的另一端均接地，电源开关K1第一活动端分别与5V电源和底板编程接口P1第4引脚连接，所述底板编程接口P1的第3引脚与芯片U2的第4引脚连接，所述底板编程接口P1的第2引脚通信接口选择开关K2的第一活动端连接；

所述芯片U2的第4引脚还与通信接口选择开关K2的固定端连接，所述通信接口选择开关K2的第二活动端与芯片U1的第3引脚连接；

所述芯片U2的第2引脚分别与电阻R7的一端和芯片U1的第4引脚连接，所述电阻R7的另一端与三极管Q1的基极连接，所述三极管Q1的集电极分别与电阻R3的一端、芯片U1的第2引脚和芯片U1的第3引脚连接，所述三极管Q1的发射极接地，电阻R3的另一端与5V电源连接；

所述芯片U1的第8引脚分别与5V电源、接地电容C4和电阻R2的一端连接，所述电阻R2的另一端与芯片U1的第6引脚连接，所述芯片U1的第7引脚与电阻R8的一端连接，所述电阻R8的另一端与芯片U1的第5引脚连接并接地；

所述芯片U1的第6引脚和芯片U1的第7引脚与信号机座和总线接口(10)连接。

6.根据权利要求3所述的用于铁路区间信号自动闭塞仿真的教学实验装置，其特征在于，每个所述信号机均包括信号灯(11)、MCU电路(13)、信号机编程接口(12)和通信接口(14)；

所述信号灯(12)、信号机编程接口(12)和通信接口(14)均与所述MCU电路(13)连接，所述信号机通过通信接口(14)插接在信号机座上；

所述通信接口(14)为与信号机座相匹配的8孔接插件。

7.根据权利要求6所述的用于铁路区间信号自动闭塞仿真的教学实验装置，其特征在于，所述信号灯(12)包括黄灯D1、绿灯D2、红灯D3和白灯D4；

所述MCU电路(13)包括型号为STC15W408AS的芯片U3和型号为MAX485的芯片U4；

所述芯片U3的第6引脚分别与5V电源和信号机编程接口P3的第4引脚连接；

所述芯片U3的第9引脚与信号机编程接口P3的第3引脚连接；

所述芯片U3的第10引脚与信号机编程接口P3的第2引脚连接；

所述芯片U3的第3引脚和信号机编程接口P3的第1引脚均接地；

所述芯片U3的第14引脚分别与芯片U4的第4引脚和电阻R12的一端连接，所述电阻R12的另一端与三极管Q2的基极连，所述三极管Q2的集电极分别与电阻R11的一端、芯片U4的第2引脚和芯片U4的第3引脚连接，所述三极管Q2的发射极接地，电阻R11的另一端与5V电源连接；

所述芯片U3的第1引脚和芯片U3的第2引脚通过排阻R10与黄灯D1连接，所述芯片U3的第3引脚和芯片U3的第4引脚通过排阻R10与绿灯D2连接，所述芯片U3的第5引脚和芯片U3的第15引脚通过排阻R10与红灯D3连接，所述芯片U3的第7引脚和芯片U3的第16引脚通过排阻R10与白灯D4连接；

所述芯片U4的第8引脚分别与5V电源和接地电容C5连接；

所述芯片U4的第6引脚和第7引脚与通信接口(14)连接；

所述芯片U4的第5引脚接地。

8.根据权利要求2所述的用于铁路区间信号自动闭塞仿真的教学实验装置，其特征在于，所述底板上还印刷有区间间隔点(8)和轨道示意线(9)；

每个所述信号机接插组件(4)均对应一个区间间隔点(8)。