基于STM32的铁路信号智能模拟检测系统硬件架构设计_郝登运.pdf

工业控制计算机2023年第36卷第2期摘要：针对铁路信号模拟检测中存在模拟显示板通用性差、操作复杂等问题，提出了基于STM32的铁路信号智能模拟检测系统的硬件架构设计，以STM32F103C8T6为控制核心设计了轨道电路模拟单元、信号机模拟单元和转辙机模拟单元。各单元通过各电路模块的相互配合，可以实现8*N个信号状态的输入和输出，再结合扩展板可以对不同站形的车站进行信号模拟检测，通用性强，操作方便，大大缩短测试时间。关键词：铁路信号；模拟检测；STM32；通用性Abstract:Aiming at the problems of poor universality and complex operation of analog display board in railway signalsimulation detection,this paper proposes the hardware architecture design of railway signal intelligent simulation detectionsystem based on STM32.In this paper,track circuit simulation unit,signal machine simulation unit and point machine simu-lation unit are designed with STM32F103C8T6 as control core.Through the mutual cooperation of each circuit module,eachunit can realize the input and output of 8*N signal states.Combined with the expansion board,it can simulate the signaldetection of different station forms,which has strong universality,convenient operation and greatly reduces the test time.Keywords:railway signal,simulation test,STM32,generality基于 STM32 的铁路信号智能模拟检测系统硬件架构设计Hardware Architecture Design of Railway Signal Intelligent SimulationDetection System Based on STM32郝登运徐振兴巴忠镭（中船重工海为郑州高科技有限公司轨道交通事业部，河南 郑州450000）在铁路信号建设的过程中，需要提前制作模拟显示板来配合信号室内各机柜的模拟测试，但是模拟显示板只能依据各车站的不同站形进行定制，通用性差，浪费严重，同时其内部开关多且杂，线路连接容易出错1。铁路信号模拟智能检测系统通过与室外分线盘的连接实现信号室外设备的模拟和控制，并将各模拟设备的状态实时显示在上位机软件界面，从而取代每个站点都需要制作的信号设备模拟显示板实物2。该系统能够根据不同站点规模进行调整，通用性好，连接使用方便，具有很高的工程应用价值。1系统架构铁路信号智能模拟检测系统通过模拟列车进出站时室外信号设备的状态信息来测试室内设备的联锁和列控系统是否正常工作，从而发现室内设备联锁和列控系统中存在的问题3。如图1所示，为该模拟检测系统的架构图，各模拟单元采集模拟数据发送器的数据后进行处理，然后交与模拟测试软件进行分析4。图1系统架构图2硬件电路设计该智能模拟检测系统的硬件部分包括轨道电路模拟单元、信号机模拟单元和转辙机模拟单元。每个模拟单元都包含最小系统模块、电源电路模块、IO端口扩展模块、状态检测模块、拨码开关模块、CAN通信模块和扩展板接口模块。图2为轨道电路模拟单元的硬件系统框图：图2硬件系统框图最小系统模块主控芯片采用STM32F103C8T6，外围设计有电源电路、BOOT设置电路、SWD电路、晶振电路以及复位电路，这些电路可以配合主控芯片保证系统的正常工作。电源电路模块则是对24 V输入电压通过DC/DC变换器降压到5 V，再通过AMS1117-3.3降压到3 V，用以满足硬件电路的电源需求。拨码开关模块选用5位拨码开关用作地址输入，该模块用以给硬件板提供地址，方便系统对不同的硬件板进行区分。CAN通信模块采用SN65HVD230作为CAN收发器，用以和上位机进行通信。扩展板接口模块用以该硬件板与其他扩展板结合，来满足不同车站不同的信号数量需求。以上五种模块电路设计简单，故在此不做详细阐述，现详细介绍状态检测模块和IO端口模块。2.1状态检测模块如图3所示是轨道电路状态检测电路图，A1、C1代表2个电气连接点，通过2线连接器连接到轨道电路采集控制板上。OP1和R47组成开关状态检测回路，当光耦继电器AQW212EH被导通时，A1端的信号被送入光耦OP1，OP1输出低电平信号，当光耦继电器断开时，OP1输出高电平信号。由OP2、R48和R63组成的电路是通路电流检测回路，R63为通路电流采样电阻，用于监测两端是否存在有效的通路电流信号，当流过采样电阻的电流超过一定的数值时，判断为电路接通。开关指示灯用57基于STM32的铁路信号智能模拟检测系统硬件架构设计于采集与之相连接的每路开关的开闭状态以及回路是否有信号通过，并接收来自现场控制主站的信号，控制电子模拟轨道电路开关的打开与闭合。图3轨道电路状态检测电路图信号机模拟单元状态检测电路图如图4所示，每个信号机模拟单元有2个对外接线端子A1和C1。由R55和OP1组成开关状态检测电路，当电子开关接通时，OP1输出高电平信号。由R63、R79和OP2组成通路状态检测电路，其中R79是通路采样电阻，当流过采样电阻的电流超过一定的数值时，判断为电路接通，OP2输出高电平信号。由OP3、R71、ZN1组成负载电压阈值检测电路，其中电阻R71做限流使用，ZN1为双向稳压管，当电压超过其额定击穿电压时导通，可以通过调整ZN1的导通电压来检测回路中存在的不同的电压情况。C1为模拟灯丝阻抗电容，在正常情况交流通电情况下，可以通过110 mA的交流电流。图4信号机状态检测电路图转辙机模拟单元状态检测电路图如图5所示，每个转辙机模拟单元有3个对外接线端子X1-1、X2-1和X3-1。OP1是MCU控制的光耦，可以看作电子开关，电子开关在控制电路上做特别设计，确保在控制电路加电情况下缺省状态为闭合，最大耐压600 VAC，额定通过电流100 mA。由R55和OP2组成开关状态检测电路，当电子开关接通时，OP2输出高电平信号。由R56、R79和OP3组成正位通路检测电路，其中R79是通路采样电阻，当流过采样电阻的电流超过一定的数值时，判断为电路接通，OP2输出高电平信号。由R57、R80和OP4组成反位通路检测电路，其中R80是通路采样电阻，当流过采样电阻的电流超过一定的数值时，判断为电路接通，OP4输出高电平信号。2.2 IO端口模块由于轨道电路单元、信号机单元、转辙机单元集成到的开关检测数据多，单个STM32的I/O端口数量远小于需要检测的接口数量，因此需要对IO端口进行扩展。如图6为轨道电路的IO端口扩展电路设计图，依次将4个74HC165芯片的10引脚和9引脚串联起来，单个芯片的A-H引脚作为输入，并联到9引脚输出，通过这样并转串的方式实现了多个状态电平的采集，将32路输入信号合并到1个IO端口输入到MCU。图6IO输入端口扩展电路图同理，由于输出端口的不足，将74HC595芯片采用串转并的方式作为各个轨道电路的光耦继电器输出控制信号，如图7所示，通过2片74HC595串转并芯片9脚与14脚的相互级联可以实现多个控制信号的输出，MCU通过一个I/O端口便可实现16路信号输出。通过以上方式改变芯片的不同数量，可以控制8*N个信号的采集和输出。图7IO输出端口扩展电路图3嵌入式软件设计嵌入式软件基于Cortex-M3内核的STM32F103芯片进行设计，软件设计主要包括系统初始化、TCP通信程序、CAN通信程序、IO输入输出程序和看门狗监控程序。如图8所示，主控板的初始化主要是配置系统的时钟、串口初始化、LED指示灯初始化、创建相关任务。本软件共创建了4个任务，分别是看门狗监控任务、IO输入输出任务、CAN通信任务和TCP通信任务，任务优先级依次由低到高。看门狗程序负责对整个系统的程序进行监控，防止程序跑飞，当程序跑飞时，及时进行复位，重启系统，主要监视CAN通信和TCP通信是否正常，每200 ms（下转第60页）图5转辙机状态检测电路图图8系统初始化流程图58WiFi6技术在大连地铁车辆段车地无线网络改造的应用（上接第58页）执行一次。IO输入输出程序主要包括了I/O端口的初始化、开关量输出、采集开关量输入、并对输入数据进行滤波，滤除干扰数据，同时将输入数据的位序进行调整，最后将自身挂起10 ms。在CAN初始化完成后，程序首先配置通信地址，配置完成后，判断输出是否有更新，有更新则下发输出更新CAN帧，没有则判断是否收到有效CAN帧，收到后对CAN通信超时计数器清零，判断是输入状态帧或输出状态帧或下位请求配置帧，如果是输出状态帧，则更新保持寄存器数据，如果是输入状态帧，则更新输入寄存器数据。输入状态更新时，发送“输入改变”信号量，如果是下位请求配置帧，则回到CAN初始化阶段，重启整个循环。TCP任务主要负责与上位机进行通信，任务创建后首先对以太网口进行初始化，配置IP地址，如果没有Modbus客户端接入，任务主动挂起10 ms，如果有Modbus客户端接入，程序会判断是否收到Modbus-TCP帧，没收到就进行超时处理，收到的话对数据帧进行解析处理，当输出有更新时，将更新写入寄存器，通知CAN任务更新下位机输出，如果输出没更新，任务主动挂起10 ms。4结束语将轨道电路模拟单元、信号机模拟单元、转辙机单元的硬件电路板和模拟检测上位机软件相互配合，实现了模拟信号室外轨道电路、信号机、转辙机开关量的功能。轨道电路单元集成150路开关；信号机单元集成8架进站信号机、24架出站信号机、24个四灯位发车表示器、50架调车信号机、24架通过信号机；转辙机单元集成105路转辙机。实验表明3个模拟单元能准确模拟真实铁路信号运行状态，并且连接方便，大大降低操作难度，具有很高的应用价值。参考文献1曹旭辉.铁路信号室外通用模拟盘下位机装置的研究D.成都：西南交通大学，20212谷胜元.铁路信号模拟试验中采用计算机软件+采驱板替代模拟盘的研制J.科技创新与应用，2020（18）：86-873陈大千.铁路室外信号试验模拟盘的设计与实现J.工程建设与设计，2019（24）：83-844荆晶.信号模拟试验仪的研究J.价值工程，2016，35（12）：115-117收稿日期：2022-06-15无线Mesh网络（无线网状网络）也称为“多跳（multi-hop）”网络，与传统无线网络完全不同的一种新型无线网络技术。Mesh组网其核心内容是任何无线网络节点都可以同时作为接入点与路由器，网络中的每一个节点都可以发送与接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行通信4。车载无线网桥设备与车辆段部署的AP设备采用Mesh组网方式，Mesh组网方式允许每个车载无线网桥设备与车辆段AP之间建立多条链路，在多条链路之间实现切换，在车地无线通信数据传输的同时完成新链路的认证和鉴权工作，从而使得新链路建立后处于备用状态，当满足一定的条件后再进行链路的切换5。相较于传统的硬切换方式，Mesh组网方式配合ML-SP切换协议可实现小于15 ms的切换时延，并保证数据的“0”丢包，充分满足了列车高速移动时的通信需求。3.1.2 MLSP切换技术基于无线移动快速切换技术，简称MLSP（Mobile LinkSwi