需求分析国内外现状分析任务目标需求分析总体结构硬件设计软件设计系统设计电脑接口模块区间编码模块调制解调模块485总线通迅模块上位机软件信号灯与道岔解码模块试验验证服务实际试验验证对实际应用提供技术支撑 图1 课题拟采用的研究方案流程图 3.2、关键技术 对国内外现有的列车沙盘模型的研究成果进行深入研究，根据城轨交通实际运行的特点和任务目标，进行系统总体结构设计，首先进行模拟沙盘的硬件设计，包括电脑接口板、调制解调板、区间编码板、信号灯和道岔解码板的关键硬件设计等，然后进行模拟沙盘的软件设计，包括PC上位机软件的设计和调整解调板与上位机的串口通信，最后通过PC上位机软件控制列车的运行，验证设计的正确性，并根据实验的结果对城轨列车的安全运行提供技术支持。 其关键技术如下： 1）确定系统总体方案设计，完成沙盘实验平台的搭建；
2）硬件设计中各控制模块的核心控制器的选型，以及各控制模块的制作； 3)调制解调模块实现给主轨通电的同时实现DDC信号； 4）上位机人机操作控制界面的研发，以及与调制解调模块通信的方法； 5）确定上位机对信号灯、道岔和模型列车的控制方案； 6）确定区间编码模块对模型列车定位和道岔转辙机转向的方案； 7）分析系统设计方案的优缺点及需要改进的地方。 3.3、控制系统技术方案 列车模型控制系统主要由电脑接口模块、调制解调模块、区间编码模块、信号灯解码模块和道岔解码模块，以及传统的列车模型、道岔、转辙机、信号灯和轨道组成，如图2所示。电脑接口模块实现上位机与单片机之间的通讯，并直接读取区间编码信息。调制解调模块作为控制中心，接收上位机控制指令或扩展接口连接的其它控制站的指令，将电流信号调制为标准的DCC信号加载到轨道。区间编码模块实现对干簧管开关信号采样编码。信号灯和道岔解码模块实现对轨道DCC对应信号的解码，以实现信号灯和道岔转辙机控制。上位机运行列车模型控制软件，通过电脑串口发送指令，列车模型通过车头解码器获得指令信号并解码信号，实现列车自动控制、救援调度等功能。 控制系统的结构遵循了分布式设计，逻辑上可以分为三个系统：以调制解调模块为主控站的串行总线多机通讯系统、分布式级联的区间编码系统以及信号灯道岔DCC信号解码系统。
电脑接口区间编码信号灯解码道岔解码扩展接口调制解调 图2 列车模型控制系统架构 （1）核心控制器的选型 根据列车模型控制系统的需要，本文选用美国微芯公司的PIC16F628A单片机作为调制解调板和道岔解码板等的核心控制器。该单片机具有精简指令集和哈佛总线，自带2048字节的闪存程序存储器、224字节的SRAM和128字节的EEPROM，除此之外还有16路I/O、RB口电平变化中断、3路定时器和可寻址的通用同步/异步收发器等资源，可完全满足列车模型控制系统中解码编码板的主控制器要求。 （2）道岔转辙机方案的确定 在列车模型控制系统中，道岔转辙机可分为舵机转撤和电磁转撤两种。舵机转撤在轨道上安装小舵机，通过连杆机构实现道岔的转撤控制，但存在舵机机械安装复杂、故障率高、扳道时间较长等缺陷。电磁转撤在道岔附件上安装两个电磁线圈，通过线圈内部的卡簧实现锁闭功能，当需要进行转辙时，控制系统对应的驱动电路输出电流至电磁线圈，并克服卡簧的锁闭，从而带动叉芯位移实现道岔转辙。道岔转辙机可采用DCC传输控制信息，然后通过专门的解调单元实现控制，也可以直接由专门控制板卡实现。 （3）列车模型定位方案的确定 列车模型定位是指对列车位置的反馈探测，是实现区间闭塞控制的基础，主要有
机械微动开关、电流判断、光电传感器、霍尔传感器以及干簧管等定位方法。机械微动开关方式是在轨道上铺设机械触点，列车经过时接触式检测出列车位置，该方法存在机械开关寿命短且接触式检测影响列车运行等缺点。电流判断方式将轨道划分为若干个区间，并实现不同区间的物理电隔离，当列车处于某区间时，由于轨道供电会造成该区间轨道电流变化，从而可通过电流检测实现列车定位。光电传感器方式是在轨道区间内铺设光电对管，当列车经过时，光电对管的信号经列车底部反射，经信号调理电路生成0或1信号，从而进行列车有无判断，实现列车定位。霍尔传感器方式与光电对管类似，在列车底端安装一小块磁铁，当列车经过时霍尔传感器由于磁场变化产生霍尔电势差，经信号调理后产生0或1信号。干簧管方式同样在列车底端安装一小块磁铁，当列车经过时，磁铁使得干簧管的簧片磁化，簧片触点被磁力吸引，常开触点状态转换为吸合，从而进一步经由数字量输入模块实现列车定位。干簧管结构简单、体积小、寿命长、工作可靠，已经成为非接触式列车定位的主要方式。 （4）调制解调模块的设计 调制解调板由DCC调制电路、PIC单片机和485总线接口组成。列车及信号灯道岔等控制信号，经由单片机两个I/O口，结合58μs定时器进行DCC信号的时序调制，然后经功率放大后加载到轨道。功率放大选用了意法半导体公司的全电机驱动芯片L6203，其原理如图5所示。L6203的最高工作电压为48V，最高工作电流为5A，切换频率为100KHz，放大后的DCC信号能驱动10台HO比例的列车模型，满足了本文沙盘系统的需求。L6203的IN1、IN2接单片机IO口，EN接单片机的使能IO口。采用LM350调节L6203的电源输入，调节电阻将LM350输出电压控制在14.5V，为L6203供电，从而满足DCC信号的幅值要求。 （5）信号灯与道岔解码模块的设计