基于嵌入式低功耗芯片和PC104總線實(shí)現(xiàn)鐵路道口報警系統(tǒng)的設(shè)計

一、 背景

鐵路平交道口是鐵路與公路的平面交叉，是鐵路安全運(yùn)營的重要設(shè)施，隨著鐵路的發(fā)展，道口密度加大，而隨著鐵路提速事故風(fēng)險也在加大。而安全生產(chǎn)是鐵路運(yùn)輸永恒的宗旨，道口安全是鐵路行車安全的重要環(huán)節(jié)。嵌入式系統(tǒng)是一種工業(yè)控制領(lǐng)域用途廣泛的系統(tǒng)軟件，有著大家熟悉和友好的用戶界面、統(tǒng)一的編程界面、強(qiáng)大的通訊功能而成為道口自動報警系統(tǒng)改型中首選的操作系統(tǒng)。

道口自動報警系統(tǒng)具有友好的交互式用戶界面，安全性能高，工作人員在室內(nèi)即可通過計算機(jī)顯示屏幕看到道口的狀態(tài)，當(dāng)有車接近道口時，行人可以通過道口的信號機(jī)、語音音箱得到列車通過的信息，工作人員通過顯示器看到列車報警信息以及外面設(shè)備出現(xiàn)故障時會自動報警的功能。

二、 工作原理及性能指標(biāo)

1.工作原理：

在有平交道口的鐵道線路上、下行方向各設(shè)置四個磁性踏板開關(guān)，以上行方向為例，四個踏板設(shè)置方法如下：在列車接近道口800-1000米的位置設(shè)置三個接近磁性踏板開關(guān)（T1、T2、T3），離開道口100-200米的位置設(shè)置一個出清磁性踏板開關(guān)（T7）。下行方向設(shè)置方法與上行方法相同位置相反。當(dāng)鐵路工人作業(yè)或穿越鐵路的行人無意觸動踏板開關(guān)產(chǎn)生動作時有可能產(chǎn)生誤報;當(dāng)磁性踏板開關(guān)發(fā)生故障而未得到及時更換時有可能產(chǎn)生漏報，這些在道口報警系統(tǒng)中都是不可忽視的問題。因而在接近道口方向設(shè)置三個踏板開關(guān)并采用冗余技術(shù)（三取二），當(dāng)列車通過三個接近踏板開關(guān)時，只有當(dāng)兩個或兩個以上踏板開關(guān)同時動作時才確認(rèn)列車到達(dá)，從而盡可能地減少誤報和漏報的產(chǎn)生。當(dāng)列車接近道口通過三個踏板開關(guān)時系統(tǒng)開始計軸統(tǒng)計進(jìn)入道口的列車的軸對數(shù)，同時當(dāng)列車通過出清踏板開關(guān)時系統(tǒng)同樣統(tǒng)計列車的軸對數(shù)，當(dāng)列車出清計軸停止并與進(jìn)入道口計軸數(shù)相符時，表明列車出清。當(dāng)列車到達(dá)時，道口信號機(jī)白燈熄滅、紅燈閃爍、鳴響喇叭（或語音報警），同時室內(nèi)顯示器上動畫顯示列車運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)列車出清后，解除報警，紅燈滅白燈亮。各個踏板開關(guān)和信號燈燈絲以及嗽叭的狀態(tài)都顯示在屏幕上，當(dāng)出現(xiàn)踏板故障、燈絲斷線、揚(yáng)聲器斷線等故障時，報警系統(tǒng)自動給出故障提示;同時記錄每次報警的開始時間、結(jié)束時間以及故障的發(fā)生時間和恢復(fù)時間等。（用戶界面以及踏板開關(guān)的布置［T1至T8為踏板開關(guān)］見圖1）

圖1單線道口報警控制系統(tǒng)用戶界面及踏板開關(guān)布置圖

2.道口報警控制系統(tǒng)性能指標(biāo)

● 主機(jī)工作環(huán)境：溫度0℃-40℃;相對濕度75%以下;AC220±30V。

● 列車接近區(qū)段距離≤1200M。

● 適應(yīng)列車運(yùn)行速度：2Km/h-160Km/h。

● 列車進(jìn)入接近區(qū)段3秒鐘（±1秒）報警開始（用踏板的位置確定）。

● 道口信號機(jī)在非報警狀態(tài)，點(diǎn)亮白燈，熄滅紅燈。

● 列車進(jìn)入報警范圍，道口信號機(jī)開始報警，熄滅白燈，兩紅燈交替閃爍，揚(yáng)聲器發(fā)出報警聲音。

● 紅燈閃爍頻率為60±5Hz。

● 揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音，可以設(shè)定為語言報警或鐘聲報警，可以支持廣播功能。

● 磁性探頭及道口信號機(jī)工作環(huán)境：溫度-40℃-70℃;相對濕度95%以下。

三、 系統(tǒng)設(shè)計

1. 硬件設(shè)計：

道口報警系統(tǒng)主板采用的是PC/104總線模塊化嵌入式計算機(jī)，PC104總線是專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線，其信號定義和ISA總線一致，但電氣規(guī)范和機(jī)械規(guī)范卻完全不同，是一種優(yōu)化的小型、堆棧式結(jié)構(gòu)的嵌入式總線標(biāo)準(zhǔn)。PC104具有的主要功能有：（1）小尺寸結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)PC104模塊的機(jī)械尺寸是3.6英寸×3.8英寸，即96mm×90m。（2）堆棧式連接去掉總線底板和插板滑道，總線以“針”和“孔”形式層疊連接，即PC104總線模塊之間總線的連接是通過上層的針和下層的孔相互咬合相連，這種層疊封裝有極好的抗震性。（3）降低總線驅(qū)動電流，減少元件數(shù)量和電源消耗，4mA總線驅(qū)動 即可使模塊正常工作，每個模塊的功耗大約1～2W。該模塊上還有CPU芯片、DRAM內(nèi)存、并口、串口、在板支持可讀寫的固態(tài)盤、看門狗和實(shí)時時鐘等，另外還有I/O模塊、A/D模塊、液晶顯示模塊、鍵盤輸入模塊和打印輸出模塊等。PC104標(biāo)準(zhǔn)模塊在一塊尺寸很小的單板機(jī)上幾乎集成了普通PC的所有功能。標(biāo)準(zhǔn)的PC兼容體系結(jié)構(gòu)減少了軟件開發(fā)工作量，模塊化、通用化的系統(tǒng)更易于維護(hù)、擴(kuò)展和升級，減少重復(fù)開發(fā)的成本。

道口報警系統(tǒng)中采用研華公司的嵌入式主板PCM3350其CPU選擇的是無需散熱片和風(fēng)扇的pentium-233嵌入式低功耗芯片。輸入、輸出采用的是PCM3724板，A口和B口為輸入口，C口為輸出口。嵌入式系統(tǒng)體現(xiàn)了以應(yīng)用為中心，其軟硬件可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行裁減，能適應(yīng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。PC/104與普通PC機(jī)是完全兼容的，只是PC/104比普通PC機(jī)的集成度要高，在90x96mm大小的PCB板上，就集成了CPU、DRAM、顯示、IDE、COM、LPT、Network等驅(qū)動接口，PC/104嵌入式計算機(jī)體積只有一個肥皂盒大小。PC/104的可靠性，穩(wěn)定性、抗干擾性也比普通的PC機(jī)好得多，適合用于道口報警控制系統(tǒng)中。

2. 軟件設(shè)計：

下位機(jī)采用的是Microsoft Windows CE操作系統(tǒng)，Microsoft Windows CE是模塊式實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)，服務(wù)于空間占有量小、移動的32位智能連接設(shè)備，可以滿足多種設(shè)備需要。Microsoft Windows CE提供了更好的兼容性，并支持硬件實(shí)時處理功能，且具有以下若干新的內(nèi)核服務(wù)：（1）支持嵌套的中斷：這可以讓高優(yōu)先級的中斷立即被響應(yīng)，而不是等待低優(yōu)先級的中斷服務(wù)例程（interrupt service routine，簡稱ISR）執(zhí)行完成。（1）更好的線程響應(yīng)：高優(yōu)先級的中斷服務(wù)線程（interrupt service threads，簡稱IST）調(diào)度延遲的上限更加緊了。線程響應(yīng)的這個改進(jìn)可以讓開發(fā)人員知道線程調(diào)度轉(zhuǎn)換什么時候發(fā)生，通過提高監(jiān)視和控制硬件的能力開發(fā)新的嵌入式應(yīng)用程序。（3）更多的優(yōu)先級別：256個優(yōu)先級別（在早期的版本中只有8個）給予開發(fā)人員更大的靈活性控制嵌入式系統(tǒng)的調(diào)度。（4）更好的控制：對線程時間片級的控制可以支持對調(diào)度機(jī)制更大的控制。這些服務(wù)使操作系統(tǒng)可以在中斷發(fā)生之后立即進(jìn)行響應(yīng)。Microsoft Windows CE操作系統(tǒng)可以小至200KB，是一個適合下一代互連工業(yè)自動化設(shè)備的理想小體積嵌入平臺，能從閃存磁盤中啟動，也就避免了暴露在灰塵、高溫、和震動環(huán)境下，從而使它可以適應(yīng)甚至是最惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，這些功能使Windows CE成為測試和測量設(shè)備以及可編程邏輯控制器等設(shè)備理想的操作系統(tǒng)。

上位機(jī)采用的是昆侖通態(tài)的MCGS嵌入板軟件以實(shí)現(xiàn)道口報警控制系統(tǒng)的清晰的可視化界面、動畫模擬、報警記錄、故障診斷并提示等功能。MCGS（Monitor and Control Generated System）嵌入版組態(tài)軟件是一套基于Windows CE操作系統(tǒng)，可用來快速構(gòu)造和生成監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件包，它為用戶提供了從設(shè)備驅(qū)動、數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理、流程控制、動畫顯示、報表輸出等解決實(shí)際工程問題的完整方案和操作工具。MCGS嵌入版組態(tài)軟件具有多任務(wù)、多線程功能，其系統(tǒng)框架采用VC++編程，提供豐富的設(shè)備驅(qū)動構(gòu)件、動畫構(gòu)件、策略構(gòu)件，用戶可隨時方便地擴(kuò)充系統(tǒng)的功能。MCGS嵌入版組態(tài)軟件是近年來在工業(yè)自動化領(lǐng)域興起的一種新型的軟件開發(fā)技術(shù)，開發(fā)人員通常不需再編制具體的指令和代碼，只要利用組態(tài)軟件包中的工具，通過硬件組態(tài)（硬件配置）、數(shù)據(jù)組態(tài)、圖形圖像組態(tài)等工作即可完成所需應(yīng)用軟件的開發(fā)工作，它具有二次開發(fā)簡便、開發(fā)周期短、通用性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。在道口報警控制系統(tǒng)中引入組態(tài)軟件技術(shù)，可以避開復(fù)雜的計算機(jī)軟件代碼編制問題。研發(fā)人員可以根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，組態(tài)配置出界面清晰直觀、使用便利、維護(hù)量小、可靠性高等高性能和高度專業(yè)化的監(jiān)控軟件系統(tǒng)。MCGS嵌入版組態(tài)軟件系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩大部分，MCGS嵌入版組態(tài)軟件的組態(tài)環(huán)境由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時數(shù)據(jù)庫和運(yùn)行策略五個部分構(gòu)成。MCGS的運(yùn)行環(huán)境是一個獨(dú)立的運(yùn)行系統(tǒng)，能按照“組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫”中的組態(tài)方式進(jìn)行各種處理，完成用戶組態(tài)設(shè)計的目標(biāo)和功能。當(dāng)上位機(jī)完成主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時數(shù)據(jù)庫以及相應(yīng)的運(yùn)行策略的組織與調(diào)試后下傳到下位機(jī)，在下位機(jī)上調(diào)試成功后即可。（組態(tài)結(jié)構(gòu)見圖2）

程序流程采用導(dǎo)向安全機(jī)制，將道口從空閑到列車通過到出清分成幾個狀態(tài)，在相應(yīng)的運(yùn)行策略實(shí)現(xiàn)道口自動報警的功能。步驟如下：（1）組織MCGS的用戶窗口實(shí)現(xiàn)簡單清晰的可視化界面。（2）利用強(qiáng)大的報表功能記錄道口的報警情況并保存在系統(tǒng)中。（3）使用MCGS的運(yùn)行策略能方便的控制流程并進(jìn)行故障診斷。（4）使用MCGS的實(shí)時數(shù)據(jù)庫保證道口報警控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。（程序流程見圖2）

四、結(jié)束語

研發(fā)成果證明在道口報警控制系統(tǒng)中引入嵌入式系統(tǒng)是可行的，它除使用便利、維護(hù)量小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)外，還具有其它很多明顯的優(yōu)勢。如系統(tǒng)配置靈活、開發(fā)周期短、通用性強(qiáng)等。此系統(tǒng)除單線以外還開發(fā)有雙線和站場的道口自動報警并且已經(jīng)通過系統(tǒng)調(diào)試，將在鐵路平交道口中得到廣泛應(yīng)用，以減少事故發(fā)生，保護(hù)國家和人民的生命財產(chǎn)安全。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及和應(yīng)用還可能繼續(xù)開發(fā)以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測和網(wǎng)絡(luò)傳輸。

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