本發(fā)明屬于鐵路技術(shù)領(lǐng)域，提供一種鐵路信號機系統(tǒng)的設(shè)計方法，以單片機pic18f4580作為其核心處理器實現(xiàn)信號機的智能控制。

背景技術(shù)：

隨著我國鐵路運輸事業(yè)的發(fā)展和現(xiàn)代電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展運用，鐵路信號正在向智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，從原來的繼電聯(lián)鎖，到目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用的計算機聯(lián)鎖、微機監(jiān)測、tdcs系統(tǒng)等，鐵路信號正經(jīng)歷著前所未有的變化，而作為鐵路信號系統(tǒng)的重要的基礎(chǔ)設(shè)備—信號機，仍然采用原有的繼電聯(lián)鎖控制方式進行點燈。繼電聯(lián)鎖控制中的點燈電路中，每架信號機都采用單獨的信號點燈電路控制，信號機的每個燈位的控制信號線都需要由機械室的組合架上引出。在現(xiàn)場需要配置許多電纜，存在布好的電纜不便于調(diào)整、擴展性差、工作效率低等問題。智能鐵路信號機系統(tǒng)是采用計算機網(wǎng)絡(luò)及控制等多種技術(shù),對傳統(tǒng)鐵路信號機及其點燈電路進行全新的設(shè)計,實現(xiàn)聯(lián)鎖系統(tǒng)到信號機控制指令。智能技術(shù)與信號機結(jié)合，能實現(xiàn)單點自適應(yīng)控制、感應(yīng)控制、定周期控制、多時段控制、手動控制、黃閃控制、綠波控制以及區(qū)域控制等多種功能。因此，本發(fā)明具有很大的研究價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種鐵路信號機系統(tǒng)的設(shè)計方法，用于解決信號機的智能控制問題；

包含以單片機pic18f4580主控制板作為其核心處理器實現(xiàn)信號機的智能控制；

包括有電源板、車輛信息采集板、信號燈驅(qū)動板、背板及單片機pic18f4580

電源板的主要功能是對市電進行整流穩(wěn)壓，輸出穩(wěn)定的5v或3.3v電壓；車輛信息采集板的主要功能是實現(xiàn)24路車輛檢測器和串口數(shù)據(jù)的信號采集，并實現(xiàn)24路車輛檢測器工作狀態(tài)的led顯示功能；信號燈驅(qū)動板的主要功能是實現(xiàn)16路信號燈(分為abcd四組燈)亮/滅的控制及其工作狀態(tài)的led顯示功能，并實現(xiàn)16路信號燈的工作狀態(tài)信息的采集功能；背板的主要功能是為各個功能板提供通信的通道，各個背板之間通過can總線進行通信；單片機pic18f4580主控制板的主要功能是實現(xiàn)與控制中心的通信，并向信號燈驅(qū)動板下發(fā)控制方案，起到協(xié)調(diào)整個鐵路信號機系統(tǒng)工作的作用，用戶可以進行控制方案的設(shè)置：路口基本信息、時段方案、配時方案、節(jié)假日方案信息的設(shè)置；

電源板包含整流穩(wěn)壓電路、232接口電路和gps接口電路等子模塊，其具體功能如下：

1)整流穩(wěn)壓電路主要由直流穩(wěn)壓模塊yas30-5v-n和線性穩(wěn)壓芯片lm-1117-3.3構(gòu)成，直流穩(wěn)壓模塊yas30-5v-n可將220v交流電轉(zhuǎn)變成5v的電壓輸出，5v電壓經(jīng)過線性穩(wěn)壓芯片lm1117-3.3的處理后，得到3.3v的電壓輸出，從而可為整個鐵路信號機系統(tǒng)提供穩(wěn)定的5v電源或3.3v電源；

2)232接口電路主要用于實現(xiàn)電源板與外部串口設(shè)備的通信；

3)gps接口電路主要由天線、gps模塊構(gòu)成，天線可通過背板通道直接連接到單片機pic18f4580主控制板上，構(gòu)成usb接口電路，整個鐵路信號機系統(tǒng)中所使用的gps模塊為gps模塊-vk1613，具有靈敏度高、定位誤差小和支持通道數(shù)多優(yōu)點，并且整個鐵路信號機系統(tǒng)通過操作gps模塊來校準(zhǔn)本地時間；

車輛信息采集板電路由信號采集電路、信號整形電路、串口通信電路、can通信電路、溫度采集電路組成，其具體功能如下：

1)信號采集電路由db25接口與門電路芯片sn74hc05組成，外部車輛傳感器通過ttl電平的形式向車輛信息采集板提供車流量信息，這些ttl電平通過db25接口引入到采集板，引入到車輛信息采集板的ttl電平經(jīng)過門電路芯片sn74hc05芯片進行電平翻轉(zhuǎn)操作，從而得到波形較好的信號，以達到信號整形的目的，門電路芯片sn74hc05為集電極開路輸出的六組反相器，具有靈敏度高，響應(yīng)時間短，可在惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作優(yōu)點，由于外界信號中可能存在噪音脈沖，而這些信號并不是真正的由車輛經(jīng)過24路車輛檢測器所產(chǎn)生的脈沖，因此在門電路芯片sn74hc05芯片的輸入中加入去耦電路，用于有效地去除噪聲脈沖；

2)經(jīng)過上步的信號采集電路的工作后，信號經(jīng)過初步整形及去噪處理，經(jīng)過信號整形電路的處理可使所采集的信號達到較為理想的波形，有利于核心處理器的識別和處理，信號整形電路由芯片sn74hc04構(gòu)成，sn74hc04芯片的內(nèi)部集電極不開路，不需要再接上拉電壓及上拉電阻，信號可直接接入到sn74hc04芯片的輸入端，在輸出端就可以得到比較理想的輸出信號；

3)串口通信電路用于與24路車輛檢測器之間相互通信，由于24路車輛檢測器的對外接口為串口通信，用于與接口為串口形式的24路車輛檢測器進行通信，以獲取車流量信息；

4)can通信電路主要由can收發(fā)器mcp2551、can控制器及其外圍電路構(gòu)成，can收發(fā)器mcp2551是can驅(qū)動器與物理總線之間的接口，具有容錯功能的高速can器件，工作速率為1mb/s，can總線上的各個節(jié)點都需要設(shè)置一個can收發(fā)器mcp2551，以此將can控制器所生成的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成差分信號，以利于總線傳輸，同時，can收發(fā)器mcp2551具有濾波功能，可以將can控制器或者can總線上的脈沖信號進行有效過濾，can收發(fā)器mcp2551的輸出允許連接112個節(jié)點；

5)溫度采集電路采用改進型的智能溫度傳感器，可以讀取被測的溫度值，性能高于傳統(tǒng)的熱敏電阻，僅需要一根總線與核心處理器連接，讀寫速度快，一根總線除了具有數(shù)據(jù)傳送的作用，還可以供電，改進型的智能溫度傳感器具有兩個與溫度有關(guān)的晶振，其中低溫度系數(shù)的與溫度有關(guān)的晶振對溫度的敏感度較低，而低溫度系數(shù)的與溫度有關(guān)的晶振對溫度的敏感度較高，與兩個與溫度有關(guān)的晶振相對應(yīng)的是計數(shù)器，計數(shù)器對溫度寄存器產(chǎn)生影響，計數(shù)器在低溫度系數(shù)的與溫度有關(guān)的晶振的作用下不斷的做減法操作，直至將預(yù)置值減為零，此時溫度寄存器的值加1，此時，溫度寄存器中的值便是當(dāng)前環(huán)境中的值，并且內(nèi)置有一斜率累加器，斜率累加器的作用是初始化或者修正計數(shù)器的數(shù)值；

信號燈驅(qū)動板由信號燈驅(qū)動模塊、信號燈狀態(tài)反饋模塊、黃閃控制模塊組成，其具體功能如下：

1)信號燈驅(qū)動板含有16路信號燈驅(qū)動電路，分為a、b、c、d四組，每組又包含紅、黃、綠燈驅(qū)動電路各一個，16路信號燈驅(qū)動電路主要由非門驅(qū)動芯片sn74hc05、光電耦合器、雙向可控硅芯片及可快速熔斷的保險管組成，當(dāng)單片機pic18f4580主控制板發(fā)出點亮一路信號燈的控制命令字時，該命令首先經(jīng)過由16路信號燈驅(qū)動電路；經(jīng)非門驅(qū)動芯片sn74hc05對點亮一路信號燈的控制命令字進行處理后，點亮一路信號燈的控制命令字進入由光電耦合器組成的開關(guān)電路，觸發(fā)光電耦合器的源端工作，從而使光電耦合器導(dǎo)通；當(dāng)光電耦合器的次端導(dǎo)通后，電流流經(jīng)雙向可控硅芯片的門極電路觸發(fā)其工作，從而使信號燈與220v的市電構(gòu)成回路而點亮信號燈；

2)信號燈狀態(tài)反饋模塊的電路由電壓比較器芯片lm2902、電流互感器元器件組成，其中電流互感器元器件用于采集信號燈的工作狀態(tài)信息，而電壓比較器芯片lm2902的內(nèi)部含有四個獨立的高增益運算放大器，用于對采集的反饋信號進行比較放大，當(dāng)信號燈處于正常工作狀態(tài)時，在電流互感器元器件的次端會有220v的電壓經(jīng)過，在電流互感器元器件的源端便會有感應(yīng)電流通過，此感應(yīng)電流為交流電流，經(jīng)過二極管dd的半波整流后，信號變?yōu)橹绷餍盘枺⑶医?jīng)過由電容及電阻組成的濾波電路處理后，其輸出變?yōu)檩^為理想的低頻電壓信號，將該低頻電壓信號送入電壓比較器芯片lm2902進行電壓比較，若電壓比較器芯片lm2902的輸出保持不變，則說明信號燈處于正常工作的狀態(tài)，如果其輸出狀態(tài)發(fā)生了變化，則說明信號燈工作出現(xiàn)故障，需要及時的維修；

3)黃閃控制模塊包含燈驅(qū)動主控芯片、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器sn74hc122d、ne555電路組成，當(dāng)燈驅(qū)板主控芯片正常工作時，燈驅(qū)板主控芯片會持續(xù)不斷的向單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器sn74hc122d的負(fù)觸發(fā)段a1、a2發(fā)送脈沖信號，使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器sn74hc122d的輸出端始終處于暫態(tài)狀態(tài)，端的暫態(tài)為低電平狀態(tài)，燈驅(qū)板主控芯片所發(fā)送的脈沖頻率要大于sn74hc122d由暫態(tài)回到穩(wěn)態(tài)時的頻率，這樣才能使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器sn74hc122d的輸出一直處于低電平狀態(tài)；此時ne555電路所產(chǎn)生的方波輸出信號經(jīng)過由二極管d4、d5所組成的開關(guān)電路進行放電，使方波輸出信號無法去驅(qū)動信號燈的工作，當(dāng)燈驅(qū)板主控芯片出現(xiàn)故障而無法正常工作時，便失去持續(xù)向單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器sn74hc122d發(fā)送脈沖信號的能力，此時，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器sn74hc122d的輸出端便維持在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，端的穩(wěn)態(tài)為高電平狀態(tài)，由二極管d4、d5所組成的開關(guān)電路也隨之關(guān)閉，ne555電路所產(chǎn)生的周期為2s的方波輸出信號便進入驅(qū)動電路去控制黃色信號燈的亮滅，對外表現(xiàn)形式便是黃色信號燈以周期為3s的時間不短閃爍，從而達到警示作用，其中單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器sn74hc122d觸發(fā)器中的高電平high與低電平low公式如下

high＝ln(2)×(r1+r2)×c公式一

low＝ln(2)×r1×c公式二

公式一和公式二中r1、r2為ne555電路中的電阻，c為ne555電路中的電源參數(shù)；

背板的具體功能如下：

背板的主要功能是為信號燈驅(qū)動板中的主控板、燈驅(qū)板、采集板提供can通信的數(shù)據(jù)通道，同時，背板上固化信號燈驅(qū)動板與車輛信息采集板電路的地址(地址范圍為000-111)，通過讀取地址便可獲悉本背板的地址，信號燈驅(qū)動板中的主控板的通道便是背板所提供的通道，背板在鐵路信號機系統(tǒng)中具有通信橋梁的作用；

單片機pic18f4580主控制板的具體功能如下：單片機pic18f4580主控制板的主要功能是實現(xiàn)與主控中心的通信，通過以太網(wǎng)接口rj45或者3g無線通信模塊實現(xiàn)上傳或者下載路口控制方案信息，此外，單片機pic18f4580主控制板通過控制信號燈驅(qū)動板及車輛信息采集板，使整個系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)穩(wěn)定的工作，單片機pic18f4580主控制板的核心控制芯片由arm芯片s5pv210構(gòu)成，是整個鐵路信號機系統(tǒng)的控制核心，其上可以運行l(wèi)inux系統(tǒng)，通過預(yù)留的rj45接口或者3g無線通信模塊，實現(xiàn)與主控中心的通信；并通過max485芯片及其工作電路可實現(xiàn)與三色倒計時牌的通信，通過can總線進行通信，通過lcd顯示屏可實現(xiàn)路口方案的配置，通過擴展接口可實現(xiàn)箱門信號、行人過街信號、手動/自動控制信號的接入

。

具體實施方式

為了使本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進行詳細(xì)的說明。應(yīng)當(dāng)說明的是，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明，能實現(xiàn)同樣功能的產(chǎn)品屬于等同替換和改進，均包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。具體方法如下：

實施例1：信號燈驅(qū)動生成過程

信號燈驅(qū)動板的軟件包含三個模塊：信號燈驅(qū)動模塊、信號燈運行狀態(tài)采集模塊以及can通信模塊。通過can通信模塊，信號燈驅(qū)動板可以接收來自主控制板所下發(fā)的信號燈控制方案，而信號燈驅(qū)動模塊根據(jù)所接收到的控制方案去驅(qū)動相應(yīng)的信號燈工作。同時，信號燈驅(qū)動板可利用信號燈運行狀態(tài)采集模塊采集信號燈的運行狀態(tài)信息，通過對所采集的信息進行處理，可判斷信號機所控制的信號燈是否在正常的工作，若其沒有工作在正常的工作狀態(tài)，則通過錯誤處理機制，首先向主控板發(fā)送一條“驅(qū)動故障”的信息，然后控制本板所連接的信號燈進行黃閃，從而達到警示作用，并等待主控板進一步的控制；若信號燈能夠正常的工作，則可將該信息通過can通信模塊上傳給主控制板或者主控中心，從而可利用該信息進行路口交通的實時演示。鐵路信號機系統(tǒng)啟動后，信號燈驅(qū)動板首先進行自檢。信號燈驅(qū)動模塊首先發(fā)送一組測試數(shù)據(jù)，然后信號燈運行狀態(tài)模塊采集信號燈的運行狀態(tài)信息。若信號燈工作不正常，則轉(zhuǎn)到信號燈驅(qū)動板的硬件黃閃模塊，首先使其處于黃閃狀態(tài)，然后通過can總線向主控板發(fā)送“驅(qū)動故障”的信息，并等待進一步的故障處理；若信號燈工作正常，則向主控板發(fā)送“驅(qū)動正常”的信息，并等待主控制板發(fā)送控制方案，信號燈驅(qū)動板則根據(jù)主控制板所下發(fā)的控制方案驅(qū)動相應(yīng)的信號燈工作，在信號燈驅(qū)動板正常工作期間，信號燈狀態(tài)采集模塊不斷的采集信號燈運行狀態(tài)，若其運行狀態(tài)與當(dāng)前的控制方案不符，則進入故障處理流程，首先轉(zhuǎn)到硬件黃閃模塊，使其處于黃閃狀態(tài)，并向主控制板發(fā)送“驅(qū)動不正常”的信息，等待進一步的處理。

實施例2：車輛信息采集板的信號采集過程

車輛信息采集板每隔100ms便從db25接口采集一次電平信號，然后每隔500ms便對所采集的電平信號進行一次處理。則在一段時間內(nèi)，一路檢測器所形成的數(shù)據(jù)記錄以及其所對應(yīng)的波形。一個0-1變化加上一個1-0變化就可構(gòu)成一個脈沖，即一輛車的數(shù)據(jù)。對于一個檢測器，從0時刻的值開始，依次進行異或運算，0變1會出現(xiàn)一個1，1變0也會出現(xiàn)一個1，這樣，在一個時間段內(nèi)，就會出現(xiàn)若干個1。因為兩個1算一個脈沖，即一輛車，所以，用1的個數(shù)除以2，取整數(shù)(可能出現(xiàn)開始時有一個1-0跳變，或結(jié)束時有一個0-1跳變，這樣，1的個數(shù)就是奇數(shù)，被2除不盡)，即可得到這段時間內(nèi)的車流量。為方便計，0時刻的數(shù)據(jù)全按“0”計，這樣就只可能出現(xiàn)結(jié)束時有一個0-1跳變的情況，統(tǒng)計時忽略，即流量誤差為-1。

從0時刻開始，600ms后出現(xiàn)0-1上跳變，再過600ms出現(xiàn)1-0下跳變。再過600ms又出現(xiàn)0-1上跳變，過1出現(xiàn)1-0下跳變。過800ms出現(xiàn)0-1上跳變，過600ms出現(xiàn)下跳變。過400ms出現(xiàn)上跳變，過800ms出現(xiàn)下跳變。這樣，共有8個1，也就是4個脈沖，即流量為4。

當(dāng)流量數(shù)據(jù)統(tǒng)計完成后，根據(jù)出現(xiàn)“1”的順序，計算1-3、3-5、5-7、7-9等的時間間隔，然后將各時間間隔加起來被間隔個數(shù)除，即可得到平均車頭時距。第一個“1”到第三個“1”之間是1.2s，第三個“1”到第五個“1”之間是1.8s，第五個“1”到第七個“1”之間是1s。共1.2+1.8+1＝4s。平均車頭時距為4/3s。

當(dāng)流量數(shù)據(jù)統(tǒng)計完成后，根據(jù)出現(xiàn)“1”的順序，用1-2(脈寬)的時間間隔除以1-3(t)的時間間隔，用3-4的時間間隔除以3-5的時間間隔，用5-6的時間間隔除以5-7的時間間隔，以此類推，可得到n個脈沖占有率，最后將n個占有率疊加并除以n，即得到這段時間的平均占有率。第一個脈寬為600ms，第一個t為1.2s，占有率為600/1200＝0.5；第二個脈寬為1000ms，第二個t為1.8s，占有率為1000/1800＝0.55；第三個脈寬為600ms，第三個t為1s，占有率為600/1000＝0.6；第四個脈寬為800ms，第四個t為1.1s，占有率為800/1100＝0.7。平均占有率為(0.5+0.55+0.6+0.7)/4＝0.58。

實施例3：信號機的站場工作過程

以一個三股道車站為例，如下所示：

該站共有信號機架數(shù)為7架,分別為x、51、sfl、53、di、d3、ds,共20個燈位s3l、分別是:xu、xl、xh、xd、xzu、sil、sih、sib、slll、sllh、sllb、s3h、s3b、dib、dia、d3b、d3a、dsb、dsa。

以上7架信號機,對應(yīng)的點燈組合分別是xjx組合、51、sn和53fx組合,以及dx組合,對應(yīng)需要采集的信號繼電器有:

x(lxj、zxj、yxj、txj、ysxj)

51、511、53(lxj、dxj)

di、d3、ds(dx)

通過功能邏輯組合，得到以下可能：

xl＝lxj&zxj&txj&1dj

xiu＝lxj&zxj&！txj&idjorlxj&！zxj&zdj&idj

xzu＝lxj&！zxj&！txj

xh＝＝！lxj&idj

xb＝！lj&yxj

5il-5ilxj&！sidxj

5ih＝！5ilxj&！sidxj

sib＝！silxj&sidxj

slll＝5ilxj&！sidxj

s3l＝silxj&！sidxj

s3h＝！silxj&！sidxj

s3b＝！5ilxj&sidxj

dib＝didxj

dia＝di！dxj

d3b＝＝d3dxj

d3a＝d3！dxj

dsb＝dsdxj

dsa＝ds！dxj

實驗表明本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單,便于維護,能夠進行自診斷和健康度分析,從而能夠大大提高信號機的可操作性與擴展性,并且可以大大減少信號工程的施工量和電纜材料的消耗,節(jié)約工程建設(shè)投資。