發布日期：2022-10-09 點擊率：60
摘 要：本文介紹的嵌入式系統在鐵路平交道口自動報警系統中應用，采用微軟的WindowsCE操作系統,基于PC/104總線的PCM3350主機和PCM3724硬件平臺，上位機采用組態軟件MCGS所開發的嵌入版。
關鍵詞：嵌入式系統; MCGS; 道口報警; 自動控制
一、 背景
鐵路平交道口是鐵路與公路的平面交叉，是鐵路安全運營的重要設施，隨著鐵路的發展，道口密度加大，而隨著鐵路提速事故風險也在加大。而安全生產是鐵路運輸永恒的宗旨，道口安全是鐵路行車安全的重要環節。嵌入式系統是一種工業控制領域用途廣泛的系統軟件，有著大家熟悉和友好的用戶界面、統一的編程界面、強大的通訊功能而成為道口自動報警系統改型中首選的操作系統。
道口自動報警系統具有友好的交互式用戶界面，安全性能高，工作人員在室內即可通過計算機顯示屏幕看到道口的狀態，當有車接近道口時，行人可以通過道口的信號機、語音音箱得到列車通過的信息，工作人員通過顯示器看到列車報警信息以及外面設備出現故障時會自動報警的功能。
二、 工作原理及性能指標
1.工作原理：在有平交道口的鐵道線路上、下行方向各設置四個磁性踏板開關，以上行方向為例，四個踏板設置方法如下：在列車接近道口800-1000米的位置設置三個接近磁性踏板開關（T1、T2、T3），離開道口100-200米的位置設置一個出清磁性踏板開關（T7）。下行方向設置方法與上行方法相同位置相反。當鐵路工人作業或穿越鐵路的行人無意觸動踏板開關產生動作時有可能產生誤報;當磁性踏板開關發生故障而未得到及時更換時有可能產生漏報，這些在道口報警系統中都是不可忽視的問題。因而在接近道口方向設置三個踏板開關并采用冗余技術（三取二），當列車通過三個接近踏板開關時，只有當兩個或兩個以上踏板開關同時動作時才確認列車到達，從而盡可能地減少誤報和漏報的產生。當列車接近道口通過三個踏板開關時系統開始計軸統計進入道口的列車的軸對數，同時當列車通過出清踏板開關時系統同樣統計列車的軸對數，當列車出清計軸停止并與進入道口計軸數相符時，表明列車出清。當列車到達時，道口信號機白燈熄滅、紅燈閃爍、鳴響喇叭（或語音報警），同時室內顯示器上動畫顯示列車運行狀態，當列車出清后，解除報警，紅燈滅白燈亮。各個踏板開關和信號燈燈絲以及嗽叭的狀態都顯示在屏幕上，當出現踏板故障、燈絲斷線、揚聲器斷線等故障時，報警系統自動給出故障提示;同時記錄每次報警的開始時間、結束時間以及故障的發生時間和恢復時間等。（用戶界面以及踏板開關的布置[T1至T8為踏板開關]見圖1） 
圖1單線道口報警控制系統用戶界面及踏板開關布置圖
2.道口報警控制系統性能指標
● 主機工作環境：溫度0℃-40℃;相對濕度75%以下;AC220±30V。
● 列車接近區段距離≤1200M。
● 適應列車運行速度：2Km/h-160Km/h。
● 列車進入接近區段3秒鐘（±1秒）報警開始（用踏板的位置確定）。
● 道口信號機在非報警狀態，點亮白燈，熄滅紅燈。
● 列車進入報警范圍，道口信號機開始報警，熄滅白燈，兩紅燈交替閃爍，揚聲器發出報警聲音。
● 紅燈閃爍頻率為60±5Hz。
● 揚聲器發出的聲音，可以設定為語言報警或鐘聲報警，可以支持廣播功能。
● 磁性探頭及道口信號機工作環境：溫度-40℃-70℃;相對濕度95%以下。
三、 系統設計
1. 硬件設計：
道口報警系統主板采用的是PC/104總線模塊化嵌入式計算機，PC104總線是專門為嵌入式控制而定義的工業控制總線，其信號定義和ISA總線一致，但電氣規范和機械規范卻完全不同，是一種優化的小型、堆棧式結構的嵌入式總線標準。PC104具有的主要功能有：（1）小尺寸結構，標準PC104模塊的機械尺寸是3.6英寸×3.8英寸，即96mm×90m。（2）堆棧式連接去掉總線底板和插板滑道，總線以“針”和“孔”形式層疊連接，即PC104總線模塊之間總線的連接是通過上層的針和下層的孔相互咬合相連，這種層疊封裝有極好的抗震性。（3）降低總線驅動電流，減少元件數量和電源消耗，4mA總線驅動 即可使模塊正常工作，每個模塊的功耗大約1～2W。該模塊上還有CPU芯片、DRAM內存、并口、串口、在板支持可讀寫的固態盤、看門狗和實時時鐘等,另外還有I/O模塊、A/D模塊、液晶顯示模塊、鍵盤輸入模塊和打印輸出模塊等。PC104標準模塊在一塊尺寸很小的單板機上幾乎集成了普通PC的所有功能。標準的PC兼容體系結構減少了軟件開發工作量，模塊化、通用化的系統更易于維護、擴展和升級，減少重復開發的成本。
道口報警系統中采用研華公司的嵌入式主板PCM3350其CPU選擇的是無需散熱片和風扇的pentium-233嵌入式低功耗芯片。輸入、輸出采用的是PCM3724板，A口和B口為輸入口，C口為輸出口。嵌入式系統體現了以應用為中心，其軟硬件可根據實際情況進行裁減，能適應對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴格要求的專用計算機系統。PC/104與普通PC機是完全兼容的，只是PC/104比普通PC機的集成度要高，在90x96mm大小的PCB板上，就集成了CPU、DRAM、顯示、IDE、COM、LPT、Network等驅動接口，PC/104嵌入式計算機體積只有一個肥皂盒大小。PC/104的可靠性，穩定性、抗干擾性也比普通的PC機好得多，適合用于道口報警控制系統中。
2. 軟件設計：
下位機采用的是Microsoft Windows CE操作系統，Microsoft Windows CE是模塊式實時嵌入式操作系統，服務于空間占有量小、移動的32位智能連接設備，可以滿足多種設備需要。Microsoft Windows CE提供了更好的兼容性，并支持硬件實時處理功能，且具有以下若干新的內核服務：（1）支持嵌套的中斷：這可以讓高優先級的中斷立即被響應，而不是等待低優先級的中斷服務例程（interrupt service routine，簡稱ISR）執行完成。（1）更好的線程響應：高優先級的中斷服務線程（interrupt service threads，簡稱IST）調度延遲的上限更加緊了。線程響應的這個改進可以讓開發人員知道線程調度轉換什么時候發生，通過提高監視和控制硬件的能力開發新的嵌入式應用程序。（3）更多的優先級別：256個優先級別（在早期的版本中只有8個）給予開發人員更大的靈活性控制嵌入式系統的調度。（4）更好的控制：對線程時間片級的控制可以支持對調度機制更大的控制。這些服務使操作系統可以在中斷發生之后立即進行響應。Microsoft Windows CE操作系統可以小至200KB，是一個適合下一代互連工業自動化設備的理想小體積嵌入平臺，能從閃存磁盤中啟動，也就避免了暴露在灰塵、高溫、和震動環境下，從而使它可以適應甚至是最惡劣的生產環境,這些功能使Windows CE成為測試和測量設備以及可編程邏輯控制器等設備理想的操作系統。
上位機采用的是昆侖通態的MCGS嵌入板軟件以實現道口報警控制系統的清晰的可視化界面、動畫模擬、報警記錄、故障診斷并提示等功能。MCGS（Monitor and Control Generated System）嵌入版組態軟件是一套基于Windows CE操作系統，可用來快速構造和生成監控系統的組態軟件包，它為用戶提供了從設備驅動、數據采集到數據處理、流程控制、動畫顯示、報表輸出等解決實際工程問題的完整方案和操作工具。MCGS嵌入版組態軟件具有多任務、多線程功能，其系統框架采用VC++編程，提供豐富的設備驅動構件、動畫構件、策略構件,用戶可隨時方便地擴充系統的功能。MCGS嵌入版組態軟件是近年來在工業自動化領域興起的一種新型的軟件開發技術，開發人員通常不需再編制具體的指令和代碼，只要利用組態軟件包中的工具，通過硬件組態（硬件配置）、數據組態、圖形圖像組態等工作即可完成所需應用軟件的開發工作，它具有二次開發簡便、開發周期短、通用性強、可靠性高等優點。在道口報警控制系統中引入組態軟件技術，可以避開復雜的計算機軟件代碼編制問題。研發人員可以根據系統的具體要求，組態配置出界面清晰直觀、使用便利、維護量小、可靠性高等高性能和高度專業化的監控軟件系統。MCGS嵌入版組態軟件系統包括組態環境和運行環境兩大部分，MCGS嵌入版組態軟件的組態環境由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數據庫和運行策略五個部分構成。MCGS的運行環境是一個獨立的運行系統，能按照“組態結果數據庫”中的組態方式進行各種處理，完成用戶組態設計的目標和功能。當上位機完成主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數據庫以及相應的運行策略的組織與調試后下傳到下位機，在下位機上調試成功后即可。（組態結構見圖2）
程序流程采用導向安全機制，將道口從空閑到列車通過到出清分成幾個狀態，在相應的運行策略實現道口自動報警的功能。步驟如下：（1）組織MCGS的用戶窗口實現簡單清晰的可視化界面。（2）利用強大的報表功能記錄道口的報警情況并保存在系統中。（3）使用MCGS的運行策略能方便的控制流程并進行故障診斷。（4）使用MCGS的實時數據庫保證道口報警控制系統的可靠性和穩定性。（程序流程見圖2） 
圖2 程序流程圖
四、結束語
研發成果證明在道口報警控制系統中引入嵌入式系統是可行的，它除使用便利、維護量小、可靠性高等優點外，還具有其它很多明顯的優勢。如系統配置靈活、開發周期短、通用性強等。此系統除單線以外還開發有雙線和站場的道口自動報警并且已經通過系統調試，將在鐵路平交道口中得到廣泛應用，以減少事故發生，保護國家和人民的生命財產安全。隨著網絡技術的普及和應用還可能繼續開發以實現遠程監測和網絡傳輸。
參考文獻：
《一種嵌入式控制系統方案的研究》 《微計算機信息》 2005年9-2期 62頁
《MCGS嵌入版組態軟件用戶手冊》 北京昆侖通態自動化軟件科技有限公司
《800MHZ道口安全預警設備及列車接近預警器》 《哈爾濱鐵道科科技》2005.2
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