城轨实验室沙盘信号控制系统设计

摘要

城市轨道信号实验室是模拟城市轨道交通现场，利用仿真知识建造用于实践的综合性实验室。该实验室包括轨道交通沙盘、城市轨道交通车站、轨道交通运营管理中心。其中轨道交通沙盘部分包含模拟铁道线路、模拟车站和模拟设备，为了使整个沙盘仿真现实轨道交通运行，则需要控制沙盘上的模拟设备。
　　沙盘上的模拟设备包括LED发光二极管模拟的信号机、推拉式电磁铁模拟的转辙机、数码管模拟的发车表示器。实时控制模拟信号机的亮灭、模拟转辙机的定位和反位、模拟发车表示器的时间显示，才能使整个沙盘模拟现场轨道交通运行情况。
　　城轨实验室沙盘信号控制系统能有效控制模拟设备信号。该控制系统分为主控制模块、模拟设备控制模块、模拟设备接口模块，采用SPI总线进行各模块间信号的传输。应用STM32作为控制器，使用Protel DXP设计出控制器时钟电路、USB转串口及程序下载电路、网络通信电路、电源及级联电路、SPI总线电路、模拟信号机检测控制电路、转辙机检测控制电路、发车表示器控制电路。使用C语言设计系统通信程序、主控制程序和模拟设备控制程序。PC机上层控制软件通过网络通信发送控制命令至控制系统，系统主控制器STM32处理后将控制信号通过SPI总线传输至模拟设备电路，控制信号通过模拟设备电路的转换实现对模拟信号机、模拟转辙机、模拟发车表示器的控制和状态信号采集。
　　为了能使该控制系统方便应用于实验室机柜中，参照GB3047-1986,为系统PCB板设计了一套便于硬件插拔和接线的4U插箱。控制系统结合插箱的使用，能准确控制和采集各模拟设备的信号，使沙盘仿真轨道交通现场运行真实情况。师生可以不用到工程现场，在实验室便可进行城市轨道交通的一般实验与研究。经过调试，该控制系统具有良好的稳定性、较强的扩展性及严格的规范性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本设计主要研究内容

第2章 控制系统设计目标及总体方案

2．1 控制系统设计目标

2．1．1 控制对象分析

2．1．2 控制系统的设计目标

2．2 控制系统的设计方案

2．2．1 主控制模块设计规划

2．2．2 总线底板设计规划

2．2．3 模拟设备控制模块设计规划

第3章 控制系统硬件设计

3．1 硬件电路设计总体目标

3．2 64总线底板电路设计

3．2．1 前后插板连接器选择

3．2．2 连接器引脚分配

3．2．3 64总线底板原理图和PCB设计

3．3 电源及级联模块电路设计

3．3．1 开关电源的选择

3．3．2 电源管理设计

3．3．3 级联电路设计

3．3．4 通信状态检测电路设计

3．4 主控制模块电路设计

3．4．1 微控制器(CPU)的选择

3．4．2 3．3V电源管理设计

3．4．3 USB转串口及程序下载电路设计

3．4．4 外部数据存储器设计

3．4．5 通信接口电路设计

3．4．6 主控制器I／O口的设计

3．5 信号机控制模块电路设计

3．5．1 信号灯检测简易原理

3．5．2 信号机控制电路设计

3．5．3 控制系统信号灯指示电路设计

3．5．4 信号机板64总线接口规划

3．6 转辙机控制模块电路设计

3．6．1 转辙机控制电路设计

3．6．2 转辙机状态检测电路设计

3．6．4 转辙机控制板64总线接口规划

3．7 发车表示器控制模块电路设计

3．8 控制系统4U插箱设计

3．8．1 4U插箱简介

3．8．2 电路板及插箱尺寸和外形设计

第4章 控制系统软件设计

4．1 控制系统通信协议

4．2 主控制模块程序设计

4．3 信号机控制模块程序设计

4．4 发车表示器控制模块程序设计

4．5 转辙机控制模块程序设计

4．6 人机界面设计

第5章 控制系统调试

5．1 调试准备

5．2 调试系统过程

5．2．1 信号机控制调试

5．2．2 转辙机控制调试

5．2．3 发车表示器控制调试

5．3 调试结果

5．3．1 调试过程中的问题及解决方法

结论

致谢

参考文献

附录

攻读硕士期间发表的论文