伍田昊睿，張 浩，張軍政，郝 建

隨著我國高鐵的不斷發(fā)展與壯大,對既有線信號系統(tǒng)改造和升級的需求也不斷增加。由于信號地面設(shè)備的升級調(diào)試時(shí)間長,現(xiàn)場測試周期長,占用“天窗”時(shí)間多［1］,因此,有必要搭建高鐵信號半實(shí)物仿真平臺［2］,將依賴于現(xiàn)場動態(tài)驗(yàn)證測試的大部分工作,改用仿真的技術(shù)手段對信號設(shè)備進(jìn)行集成測試［3］。為滿足仿真平臺的功能需求,本文對仿真平臺中被測計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（CBI）和列控中心（TCC）的驅(qū)動采集（I/O）接口仿真系統(tǒng)進(jìn)行了研究、設(shè)計(jì)［4-5］。

1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

1.1 現(xiàn)場驅(qū)動采集單元工作原理

現(xiàn)場計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（CBI）和列控中心（TCC）通過驅(qū)動采集單元,控制外部繼電器接點(diǎn)吸起落下和采集繼電器接點(diǎn)狀態(tài)。CBI與TCC的驅(qū)采接口電路示意分別見圖1和圖2。CBI和TCC提供2個(gè)相互獨(dú)立的24 V電源模塊,2個(gè)電源的-24 V端在機(jī)柜側(cè)是完全分開的,分別給CBI和TCC的A、B兩系I/O單元供電。在繼電器側(cè),2個(gè)電源的-24 V端連在一起,作為統(tǒng)一的采集回線使用；2個(gè)電源的0 V端則直接并聯(lián)起來作為統(tǒng)一的驅(qū)動回線使用。采集電源直接使用系統(tǒng)的I/O電源,驅(qū)動電源則由驅(qū)動板上的24 V安全電源提供。當(dāng)驅(qū)動板輸出＋24 V電壓時(shí),相應(yīng)的繼電器被驅(qū)動；采集板則根據(jù)-24 V信號的有無,判斷繼電器接點(diǎn)的閉合狀態(tài)。

圖1 聯(lián)鎖系統(tǒng)驅(qū)動、采集接口示意

圖2 列控中心采集、驅(qū)動接口示意

1.2 驅(qū)動采集接口仿真的硬件構(gòu)成

I/O接口仿真系統(tǒng)取代了真實(shí)系統(tǒng)中的接口架和組合架繼電器,通過通用接插件使仿真系統(tǒng)的數(shù)字輸出卡和數(shù)字輸入卡直接與CBI和TCC的驅(qū)動板和采集板相連接［6］。I/O接口仿真的硬件架構(gòu)見圖3。系統(tǒng)的硬件包含工控機(jī)、顯示器、數(shù)字輸入卡和數(shù)字輸出卡。工控機(jī)運(yùn)行主控程序,數(shù)字輸入卡和數(shù)字輸出卡直接通過工控機(jī)主板的PCI插槽與主控程序建立連接［7］。

圖3 I/O接口仿真硬件架構(gòu)

I/O接口仿真系統(tǒng)保證了接口的真實(shí)性。研華公司生產(chǎn)的PCI-1758UDI和PCI-1758UDO是128通道隔離數(shù)字量輸入卡和輸出卡（以下簡稱“輸入卡”和“輸出卡”）。輸入卡每個(gè)隔離的數(shù)字輸入通道均接收DC5～25 V電壓輸入,同時(shí)也接收雙向輸入,相應(yīng)點(diǎn)位可精準(zhǔn)采集到CBI和TCC驅(qū)動板對應(yīng)點(diǎn)位的驅(qū)動信號,CBI和TCC驅(qū)動板輸出電壓在5～25 V,光耦合響應(yīng)時(shí)間為50μs,采集迅速。輸出卡每個(gè)隔離輸出通道的輸出電壓范圍為DC5～40 V,滿足CBI和TCC采集板的電壓采集要求［8-9］。

1.3 接口仿真系統(tǒng)搭建方法

I/O接口仿真系統(tǒng)的硬件搭建十分簡易、快捷。在工控機(jī)的PCI插槽插入數(shù)字輸入卡和數(shù)字輸出卡,通過通用接插件直接與CBI和TCC的驅(qū)動板、采集板對應(yīng)點(diǎn)位相連接,采集板連接輸出卡,驅(qū)動板連接輸入卡。

2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

2.1 軟件主要功能

I/O接口仿真的主控程序運(yùn)行在工控機(jī)的操作系統(tǒng)中,實(shí)時(shí)讀取輸入卡各點(diǎn)位的高低電平信息,實(shí)時(shí)控制輸出卡各點(diǎn)位對外輸出高低電平。數(shù)字輸入卡和數(shù)字輸出卡支持的操作系統(tǒng)有32位和64位的Windows7/8/10及Linux系統(tǒng),支持的編程語言有C#,C++,LabVIEW,VB,.Net,BCB,MFC,VB6,Delphi,Java,MATLAB,Qt。這為I/O接口仿真系統(tǒng)的開發(fā)、二次開發(fā)和跨平臺移植提供了極大的便利。系統(tǒng)軟件有3個(gè)主要功能：依據(jù)配置表顯示I/O點(diǎn)位信息和對應(yīng)繼電器名稱；依據(jù)驅(qū)采邏輯和數(shù)字輸入卡點(diǎn)位信息,周期性地向數(shù)字輸出卡送出驅(qū)動信息；與仿真平臺軟件周期性地進(jìn)行信息交互。I/O接口仿真軟件功能總體框圖見圖4。

圖4 I/O接口仿真軟件功能總體框圖

2.2 軟件人機(jī)界面

I/O接口仿真的人機(jī)界面見圖5。界面上的點(diǎn)位信息依照聯(lián)鎖和列控的驅(qū)動板、采集板的點(diǎn)位順序顯示［10］。聯(lián)鎖和列控中心通過驅(qū)動板送出驅(qū)動信息,輸入卡光電耦合元件的響應(yīng)周期可達(dá)微秒級,滿足對聯(lián)鎖和列控中心毫秒級響應(yīng)的要求。輸入卡的點(diǎn)位若采集到聯(lián)鎖和列控中心驅(qū)動板送出的高電平信號,則該點(diǎn)位亮紅燈,若采集到低電平信號,紅燈熄滅；依據(jù)驅(qū)采邏輯,程序控制輸出卡的對應(yīng)點(diǎn)位送出驅(qū)動信號,若信號為高電平,則界面上該點(diǎn)位亮紅燈,若信號為低電平,紅燈熄滅。

圖5 人機(jī)界面

2.3 軟件人機(jī)界面驅(qū)采邏輯模塊

主控程序讀入驅(qū)采邏輯配置文件,將聯(lián)鎖和列控中心的驅(qū)動板和采集板的對應(yīng)點(diǎn)位進(jìn)行關(guān)聯(lián),周期性地讀入輸入卡的點(diǎn)位信息,并依據(jù)驅(qū)采邏輯,周期性的對輸出卡送出驅(qū)動,供聯(lián)鎖和列控中心的采集板進(jìn)行采集。同時(shí),I/O接口仿真還支持手動置位,可在人機(jī)界面手動改變輸入卡和輸出卡的點(diǎn)位信息,模擬繼電器的吸起或落下,為仿真平臺進(jìn)行故障注入測試提供條件。

I/O仿真主控程序的驅(qū)采邏輯處理模塊運(yùn)行流程見圖6。讀入繼電器名稱的配置文件與驅(qū)采邏輯配置文件,軟件可自動生成對應(yīng)數(shù)量的采集板和驅(qū)動板頁面。驅(qū)采邏輯處理模塊周期運(yùn)行,周期滿足對計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖和列控中心請求的毫秒級響應(yīng)。針對不同車站,只需更換相對應(yīng)的配置文件,即可完成I/O接口仿真系統(tǒng)對聯(lián)鎖和列控中心的適配。在仿真平臺對線路進(jìn)行集成測試時(shí),I/O接口仿真系統(tǒng)可針對線路上的每個(gè)站,快速地進(jìn)行軟件部署,依據(jù)更換的配置文件自動生成新的驅(qū)采控制邏輯,無需重新編譯。

圖6 I/O接口仿真驅(qū)采邏輯模塊流程

2.4 軟件與仿真平臺的交互

I/O接口仿真系統(tǒng)與仿真平臺周期性地進(jìn)行信息傳遞。I/O仿真周期性地向仿真平臺發(fā)送采集板和驅(qū)動板的點(diǎn)位信息流,用于測試過程中的分析與存儲；接收來自仿真平臺軟件手動設(shè)置的軌道區(qū)段占用信息,通過解析后,控制數(shù)字卡輸出相應(yīng)電平,供聯(lián)鎖/列控采集板進(jìn)行回采。

3 結(jié)束語

針對高鐵信號系統(tǒng)仿真測試平臺的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖和列控中心驅(qū)動采集接口,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套驅(qū)動采集接口仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件搭建部署簡便,軟件可擴(kuò)展性強(qiáng),人機(jī)界面直觀易用,已應(yīng)用于高鐵信號系統(tǒng)仿真測試平臺,解決了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下CBI和TCC的驅(qū)采接口“仿而不真”的問題,保障了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。