[发明专利]一种铁路信号机系统的设计方法

摘要

本发明涉及一种铁路信号机系统的设计方法，属于铁路信息化领域。该方法采用计算机技术和现代通信技术,通过对信号机的智能化设计使信号机在现场构成网络，信号灯驱动板以及车辆信息采集板以单片机PIC18F4580作为其核心处理器，通过由光电耦和器、可控硅等元器件组成的驱动电路控制信号灯的亮灭，由电流感应器、电压比较器等元器件组成的状态反馈电路采集信号灯的工作状态信息，车辆信息采集板可完成车辆信息的数据采集、数据分析以及数据通信，将检测器检测到的车流信息通过采集电路和整形电路送至单片机，单片机对该信息进行数据分析，判断车辆通过情况。可以做到站场内的全部信号机实现网络智能化控制，系统具有结构简单，便于维护，能够进行故障定位报警、自诊断和健康度分析，从而提高系统的安全性、可维护性和可靠性，缩短故障延时，同时大大减少信号工程施工量，节约电缆投资。

主权项

1.一种铁路信号机系统的设计方法，其特征是：包含以单片机PIC18F4580主控制板作为其核心处理器实现信号机的智能控制；包括有电源板、车辆信息采集板、信号灯驱动板、背板及所述单片机PIC18F4580主控制板；所述电源板的功能是对市电进行整流稳压，输出稳定的5V或3.3V电压；所述车辆信息采集板的功能是实现24路车辆检测器和串口数据的信号采集，并实现所述24路车辆检测器工作状态的LED显示功能；所述信号灯驱动板的功能是实现16路信号灯亮/灭的控制及其工作状态的LED显示功能，16路信号灯分为ABCD四组灯，并实现所述16路信号灯的工作状态信息的采集功能；所述背板的功能是为各个功能板提供通信的通道，各个所述背板之间通过CAN总线进行通信；所述单片机PIC18F4580主控制板的功能是实现与控制中心的通信，并向所述信号灯驱动板下发控制方案，起到协调整个铁路信号机系统工作的作用，用户能够进行控制方案的设置：路口基本信息、时段方案、配时方案、节假日方案信息的设置；所述电源板包含整流稳压电路、232接口电路和GPS接口电路子模块，其具体功能如下：1)所述整流稳压电路由直流稳压模块YAS30‑5V‑N和线性稳压芯片LM‑1117‑3.3构成，所述直流稳压模块YAS30‑5V‑N能将220V交流电转变成5V的电压输出，5V电压经过所述线性稳压芯片LM‑1117‑3.3的处理后，得到3.3V的电压输出，从而能为所述整个铁路信号机系统提供稳定的5V电源或3.3V电源；2)所述232接口电路用于实现所述电源板与外部串口设备的通信；3)所述GPS接口电路由天线、GPS模块构成，天线能通过背板通道直接连接到所述单片机PIC18F4580主控制板上，构成USB接口电路，所述整个铁路信号机系统中所使用的所述GPS模块为GPS模块‑VK1613，具有灵敏度高、定位误差小和支持通道数多优点，并且所述整个铁路信号机系统通过操作所述GPS模块来校准本地时间；所述车辆信息采集板由信号采集电路、信号整形电路、串口通信电路、CAN通信电路、温度采集电路组成，其具体功能如下：1)所述信号采集电路由DB25接口与门电路芯片SN74HC05组成，外部车辆传感器通过TTL电平的形式向所述车辆信息采集板提供车流量信息，这些TTL电平通过DB25接口引入到采集板，引入到所述车辆信息采集板的TTL电平经过所述门电路芯片SN74HC05芯片进行电平翻转操作，从而得到波形较好的信号，以达到信号整形的目的，所述门电路芯片SN74HC05为集电极开路输出的六组反相器，具有灵敏度高，响应时间短，能在恶劣环境下稳定工作的优点，由于外界信号中可能存在噪音脉冲，而这些信号并不是真正的由车辆经过所述24路车辆检测器所产生的脉冲，因此在所述门电路芯片SN74HC05芯片的输入中加入去耦电路，用于有效地去除噪声脉冲；2)经过上步的所述信号采集电路的工作后，信号经过初步整形及去噪处理，经过所述信号整形电路的处理能使所采集的信号达到较为理想的波形，有利于所述核心处理器的识别和处理，所述信号整形电路由芯片SN74HC04构成，所述SN74HC04芯片的内部集电极不开路，不需要再接上拉电压及上拉电阻，信号能直接接入到所述SN74HC04芯片的输入端，在输出端就能够得到比较理想的输出信号；3)所述串口通信电路用于与所述24路车辆检测器之间相互通信，由于所述24路车辆检测器的对外接口为串口通信，用于与接口为串口形式的所述24路车辆检测器进行通信，以获取所述车流量信息；4)所述CAN通信电路由CAN收发器MCP2551、CAN控制器及其外围电路构成，所述CAN收发器MCP2551是CAN驱动器与物理总线之间的接口，具有容错功能的高速CAN器件，工作速率为1Mb/s，CAN总线上的各个节点都需要设置一个所述CAN收发器MCP2551，以此将所述CAN控制器所生成的数字信号转换成差分信号，以利于总线传输，同时，所述CAN收发器MCP2551具有滤波功能，能够将所述CAN控制器或者所述CAN总线上的脉冲信号进行有效过滤，所述CAN收发器MCP2551的输出允许连接112个节点；5)所述温度采集电路采用改进型的智能温度传感器，能够读取被测的温度值，性能高于传统的热敏电阻，仅需要一根总线与所述核心处理器连接，读写速度快，所述一根总线除了具有数据传送的作用，还能够供电，所述改进型的智能温度传感器具有两个与温度有关的晶振，其中低温度系数的所述与温度有关的晶振对温度的敏感度较低，而高温度系数的所述与温度有关的晶振对温度的敏感度较高，与两个所述与温度有关的晶振相对应的是计数器，所述计数器对温度寄存器产生影响，所述计数器在低温度系数的所述与温度有关的晶振的作用下不断的做减法操作，直至将预置值减为零，此时所述温度寄存器的值加1，此时，所述温度寄存器中的值便是当前环境中的值，并且内置有一斜率累加器，所述斜率累加器的作用是初始化或者修正所述计数器的数值；所述信号灯驱动板由信号灯驱动模块、信号灯状态反馈模块、黄闪控制模块组成，其具体功能如下：1)所述信号灯驱动板含有16路信号灯驱动电路，分为A、B、C、D四组，每组又包含红、黄、绿灯驱动电路各一个，所述16路信号灯驱动电路由非门驱动芯片SN74HC05、光电耦合器、双向可控硅芯片及能快速熔断的保险管组成，当所述单片机PIC18F4580主控制板发出点亮一路信号灯的控制命令字时，该命令首先经过所述16路信号灯驱动电路；经非门驱动芯片SN74HC05对所述点亮一路信号灯的控制命令字进行处理后，所述点亮一路信号灯的控制命令字进入由所述光电耦合器组成的开关电路，触发所述光电耦合器的源端工作，从而使所述光电耦合器导通；当所述光电耦合器的次端导通后，电流流经所述双向可控硅芯片的门极电路触发其工作，从而使信号灯与220V的市电构成回路而点亮信号灯；2)所述信号灯状态反馈模块的电路由电压比较器芯片LM2902、电流互感器元器件组成，其中所述电流互感器元器件用于采集信号灯的工作状态信息，而所述电压比较器芯片LM2902的内部含有四个独立的高增益运算放大器，用于对采集的反馈信号进行比较放大，当信号灯处于正常工作状态时，在所述电流互感器元器件的次端会有220V的电压经过，在所述电流互感器元器件的源端便会有感应电流通过，此感应电流为交流电流，经过二极管DD的半波整流后，信号变为直流信号，并且经过由电容及电阻组成的滤波电路处理后，其输出变为较为理想的低频电压信号，将该低频电压信号送入所述电压比较器芯片LM2902进行电压比较，若所述电压比较器芯片LM2902的输出保持不变，则说明信号灯处于正常工作的状态，如果其输出状态发生了变化，则说明信号灯工作出现故障，需要及时的维修；3)所述黄闪控制模块包含灯驱板主控芯片、单稳态触发器SN74HC122D、NE555电路组成，当所述灯驱板主控芯片正常工作时，所述灯驱板主控芯片会持续不断的向所述单稳态触发器SN74HC122D的负触发段A1、A2发送脉冲信号，使所述单稳态触发器SN74HC122D的输出端始终处于暂态状态，暂态为低电平状态，所述灯驱板主控芯片所发送的脉冲频率要大于所述单稳态触发器SN74HC122D由暂态回到稳态时的频率，这样才能使所述单稳态触发器SN74HC122D的输出一直处于低电平状态；此时所述NE555电路所产生的方波输出信号经过由二极管D4、D5所组成的开关电路进行放电，使所述方波输出信号无法去驱动信号灯的工作，当所述灯驱板主控芯片出现故障而无法正常工作时，便失去持续向所述单稳态触发器SN74HC122D发送脉冲信号的能力，此时，所述单稳态触发器SN74HC122D的输出端便维持在稳态状态，稳态为高电平状态，由所述二极管D4、D5所组成的开关电路也随之关闭，所述NE555电路所产生的周期为2S的方波输出信号便进入驱动电路去控制黄色信号灯的亮灭，对外表现形式便是黄色信号灯以周期为3S的时间不停闪烁，从而达到警示作用，其中所述单稳态触发器SN74HC122D中的高电平high与低电平low的公式如下高电平high＝ln(2)×(R1+R2)×C    公式一低电平low＝ln(2)×R1×C     公式二所述公式一和所述公式二中R1、R2为所述NE555电路中的电阻，C为所述NE555电路中的电源参数；所述背板的具体功能如下：所述背板的功能是为所述信号灯驱动板中的主控板、灯驱板、采集板提供CAN通信的数据通道，同时，所述背板上固化所述信号灯驱动板与所述车辆信息采集板的地址，地址范围为000‑111，通过读取所述地址便能获悉所述背板的地址，所述信号灯驱动板中的所述主控板的通道便是所述背板所提供的通道，所述背板在铁路信号机系统中具有通信桥梁的作用；所述单片机PIC18F4580主控制板的具体功能如下：所述单片机PIC18F4580主控制板的功能是实现与主控中心的通信，通过以太网接口RJ45或者3G无线通信模块实现上传或者下载路口控制方案信息，此外，所述单片机PIC18F4580主控制板通过控制所述信号灯驱动板及所述车辆信息采集板，使整个系统能够协调稳定的工作，所述单片机PIC18F4580主控制板的核心控制芯片由ARM芯片S5PV210构成，是整个铁路信号机系统的控制核心，其上能够运行Linux系统，通过预留的RJ45接口或者3G无线通信模块，实现与主控中心的通信；并通过MAX485芯片及其工作电路能实现与三色倒计时牌的通信，通过CAN总线进行通信，通过LCD显示屏能实现路口方案的配置，通过扩展接口能实现箱门信号、行人过街信号、手动/自动控制信号的接入。