王躍華，楊成建，楊 揚

（ 1.西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 成都610031；2.北京通號國鐵城市軌道技術(shù)有限公司，北京100073 ）

隨著我國鐵路事業(yè)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，逐步形成了今天的現(xiàn)代鐵路信號系統(tǒng)。其中的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，但是目前國內(nèi)投入使用的計算機聯(lián)鎖都是從繼電集中聯(lián)鎖過渡發(fā)展起來的，其與室外信號設(shè)備的接口仍采用繼電器電路來完成。因而繼電控制電路的設(shè)計在信號設(shè)計中占有很大的比重，繼電電路的設(shè)計能力也需要不斷提高。

目前，主要是利用AutoCAD軟件進(jìn)行繼電電路設(shè)計，但這種設(shè)計方法有一定的缺陷：（1）通過傳統(tǒng)AutoCAD來進(jìn)行信號設(shè)備繼電器接口電路設(shè)計，電路是否滿足需求，需要由設(shè)計人員人工檢查來完成，缺少對應(yīng)的輔助分析工具，效率低；（2）當(dāng)信號設(shè)備繼電器接口電路發(fā)生變更時，涉及到大量的變更設(shè)計，以及對變更設(shè)計的校驗，且都由人工來完成，效率低且容易出錯。

因此，本文就是針對繼電控制電路計算機輔助設(shè)計現(xiàn)存的缺陷，開發(fā)出一套滿足需求且方便易用的繼電電路設(shè)計及仿真軟件。

1 繼電電路計算機輔助仿真系統(tǒng)簡介

現(xiàn)今的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)是一種以計算機為主要技術(shù)手段、配合繼電集中聯(lián)鎖硬件的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)。其底層核心系統(tǒng)仍為繼電控制電路，采用繼電聯(lián)鎖原理來控制鐵路現(xiàn)場設(shè)備的正確工作。

目前，設(shè)計人員主要是利用AutoCAD軟件進(jìn)行繼電電路設(shè)計，但存在著前面已經(jīng)提到的一些缺陷。信號設(shè)計人員的設(shè)計方式?jīng)]有根本性變化，仍然停留在人工主導(dǎo)分塊設(shè)計的模式，效率也沒有得到根本性提高。本文所研究的計算機輔助仿真系統(tǒng)，可以有效的解決這些問題。

對繼電電路的仿真是利用VC++軟件完成對鐵路信號繼電電路的計算機輔助設(shè)計，繼電控制電路的繪制和完整顯示；繼電器、電容、電阻等元器件的屬性都包含在顯示圖中；設(shè)計完成后可以對繼電電路進(jìn)行仿真，以達(dá)到繼電控制電路合理、符合電路邏輯、符合安全可靠性的原則；如果電路中出現(xiàn)元器件不合理或者電路邏輯錯誤，通過對電路的仿真即能發(fā)現(xiàn)問題方便修改繼而完成設(shè)計，而不用像傳統(tǒng)設(shè)計那樣等到設(shè)計完成后再去修改電路，大大節(jié)省了工作量。本文主要以調(diào)車信號機點燈電路為例來進(jìn)行說明。

2 利用VC++6.0繪制繼電電路

2.1 繪制繼電電路框架

通過對電路圖的分析，軟件繪制繼電電路可以分為以下幾個步驟進(jìn)行：

（1）應(yīng)生成以線跟點為基本框架的線路框圖，兩條電路之間以線連接，以保證兩條線路在仿真的時候是聯(lián)通的不存在斷路。這一步對整個電路框架就有了一個基本的描述。

（2）可以建立一個圖形元素庫，將電路中的主要元器件圖形制成模塊的形式存儲如圖1。

圖1 繼電電路圖元設(shè)計模塊

要添加圖形元器件的時候有兩種方法：（1）可以利用創(chuàng)建工具欄圖標(biāo)，然后拖動到線路上的方式添加。但是此種方法對于每個元器件是否在線路上要做一個判斷，否則在仿真就遍歷整個電路的時候就無法遍歷到這個元器件，而整個電路的元器件非常多，所以整個過程很復(fù)雜而且不利于實現(xiàn)。（2）本文采用鏈表的形式，以線路的兩端作為鏈表的頭尾節(jié)點，直接在這條線路添加右鍵屬性菜單插入元器件，同時將地址與ID保存在線路鏈表的數(shù)組里，為后面的仿真提供了很大的方便。

2.2 圖元的編輯

在繪制繼電電路圖的過程中，也要根據(jù)情況編輯設(shè)備圖元，使之更符合電路的要求。系統(tǒng)中對圖元元器件的編輯包括圖元的選取、移動、刪除和添加屬性功能。

對于一個完整的繪圖系統(tǒng)來說，用戶能夠自如的對圖元進(jìn)行交互式操作，首先要實現(xiàn)圖形選中功能。對圖元的移動、刪除等操作都是建立在選取基礎(chǔ)上的。本文以最基本的直線選取為例子進(jìn)行說明如圖2。

圖2 選取直線流程圖

在繪圖或者修改過程中需要對某些部件進(jìn)行刪除，當(dāng)圖元選中功能實現(xiàn)了以后，圖元的刪除功能就容易實現(xiàn)了。在繪制的過程中所有圖形的基點、類型、屬性等都被保存在這個圖元的鏈表節(jié)點內(nèi)存中，當(dāng)需要刪除的節(jié)點被選中的時候，就將其儲存在內(nèi)存中的內(nèi)容全部刪除，同時也將這個節(jié)點刪除。

而對圖元的移動不僅要移動其在屏幕上的位置，還要更新在內(nèi)存中的地址，移動某一圖元后，需要將其類型、坐標(biāo)等基本屬性在內(nèi)存中進(jìn)行更新。另外除了對圖元的選取、刪除及移動，還有畫圖所必須的窗口滾動以及重繪功能。在繪制圖形過程中，當(dāng)圖形在窗口中不能完整顯示時，可以通過滾動條來瀏覽整個窗口中的內(nèi)容。增加滾動條要求CView類繼承CScrollView類。在OnInitial-Update()函數(shù)中設(shè)置滾動窗口的大小，用SetScrollSizes函數(shù)完成滾動窗口的設(shè)置。具體代碼如下：

Void CanView::OnInitialUpdate()

{

………

Csize SizeTotal;

SizeTotal.cx=…;

SizeTotal.cy=…;

SetScrollSizes(MM_TEXT,SizeTotal);

}

添加滾動條后，當(dāng)拖動滾動條時，會發(fā)現(xiàn)窗口上繪制的圖形消失了，或者當(dāng)窗口尺寸發(fā)生變化時，圖形也會消失，這就需要通過重繪窗口來更新窗口的信息，MFC提供了3個函數(shù)用于窗口重繪：

InvalidateRect(&Rect)

Invalidate()

UpdateWindow()不管是窗口滾動還是窗口大小發(fā)生改變都要去調(diào)用WM_PAINT消息，在程序中做重繪是在OnDraw函數(shù)中進(jìn)行的，在OnPoint函數(shù)中進(jìn)行的，然后在OnPoint函數(shù)中調(diào)用OnDraw函數(shù)，具體實現(xiàn)代碼如下：

Void CanView::OnPoint()

{

………

CDC* Pdc=GetDC();

OnPrepareDC(pDC);

OnDraw(pDC);

}

在繼電電路中，圖元元器件的種類有很多，例如繼電器線圈的種類、類型及線圈的接點都要表示清楚，所以在完成對繼電電路的繪制之后，利用程序?qū)崿F(xiàn)雙擊元器件彈出屬性欄，為元器件添加屬性。

3 仿真繼電電路的實現(xiàn)

生成進(jìn)站信號機點燈電路圖并添加元器件屬性后，對電路圖進(jìn)行仿真。仿真主要采用接通徑路法（接通公式法）用來描述繼電器勵磁電流的徑路，即由電源正極經(jīng)繼電器接點、線圈及其他器件流向電源負(fù)極的回路。先前生成繼電電路的時候已經(jīng)把所有的元器件都作為鏈表接點存放在創(chuàng)建的鏈表中，所以仿真的算法采用先根遍歷，即以二叉樹鏈表的一的個節(jié)點作為樹的根節(jié)點，存儲結(jié)構(gòu)利用“孩子-兄弟表示法”。在這種鏈表式存儲結(jié)構(gòu)中，鏈表中的一個節(jié)點代表在樹中的一個節(jié)點，除了信息域外，另外還有2個指針域分別指向該節(jié)點的第一個孩子節(jié)點和下一個兄弟節(jié)點。這樣就相當(dāng)于將樹轉(zhuǎn)化為了二叉樹，就可以采用二叉樹的二叉鏈表進(jìn)行遍歷，對我們的工作帶來了很大的便利。

同樣，在電路出現(xiàn)2個以上分支的時候，采用父節(jié)點-子節(jié)點的方法，有幾條分支就有幾個子節(jié)點，然后利用上述方法也轉(zhuǎn)化成二叉樹鏈表。在編寫程序的時候，還需要加一個判斷域，防止重復(fù)遍歷，使得仿真程序更有效率。

圖3 繼電器電路以及對應(yīng)的二叉樹

如圖3，以調(diào)車信號機的電路為例說明，這里為了方便說明，將各個元器件分別編號為A-P。

左邊KZ的電路為一個二叉樹的鏈表，以A為根節(jié)點，采用二叉樹鏈表的前序遍歷，即：先訪問根節(jié)點，再前序遍歷左子樹，前序遍歷右子樹，若二叉樹為空則遍歷結(jié)束。二叉樹的前序序列為A、B、C、D、E、F、J、H、I、J。

右邊的KF的電路作為另一個二叉樹的鏈表，同樣是以N為根節(jié)點，但是由于電路的走向，采用的是二叉樹鏈表的后續(xù)遍歷，即：后序遍歷左子樹，后序遍歷右子樹，最后再訪問根節(jié)點，若二叉樹為空則遍歷結(jié)束。二叉樹的后序序列為P、M、L、K、O、N。

電路仿真效果圖如圖4所示。

在仿真完成之后，就可以根據(jù)電路圖各個元件的工作情況，判斷電路圖的不合理處，以便于后期設(shè)計人員修改。

圖4 仿真電路效果

4 結(jié)束語

本文介紹了繼電電路設(shè)計在信號設(shè)計中的重要性，研究了繼電電路仿真在繼電電路設(shè)計中所起的關(guān)鍵作用，并通過軟件設(shè)計實現(xiàn)。系統(tǒng)采用VC++6.0編程工具繪制繼電電路圖，并利用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提供的仿真算法對完成后的電路進(jìn)行了仿真，為繼電電路的設(shè)計改造提供了很大的方便。但是也存在一些不足之處，例如，本文是以進(jìn)站信號機點燈電路為例說明，在所有的繼電電路中某些元器件有很多種不同的種類，這就要求軟件必須不斷的改進(jìn)，需要進(jìn)一步研究與改善。

[1] 趙志. 計算機輔助設(shè)計在微機聯(lián)鎖中的應(yīng)用[J] .電氣化鐵道，1999（4）.

[2] 李于劍. Visual C++實踐與提高圖形圖像編程篇[M] . 北京：中國鐵道出版社，2001.

[3] 王永信. 車站信號自動控制[M] . 北京.中國鐵道出版社. 2009.

[4] 繆淮扣，顧訓(xùn)穰，沈俊. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：C++實現(xiàn)[M] . 北京：科學(xué)出版社，2002.