基于嵌入式低功耗芯片和PC104总线实现铁路道口报警系统的设计
一、 背景
铁路平交道口是铁路与公路的平面交叉，是铁路安全运营的重要设施，随着铁路的发展，道口密度加大，而随着铁路提速事故风险也在加大。而安全生产是铁路运输永恒的宗旨，道口安全是铁路行车安全的重要环节。嵌入式系统是一种工业控制领域用途广泛的系统软件，有着大家熟悉和友好的用户界面、统一的编程界面、强大的通讯功能而成为道口自动报警系统改型中首选的操作系统。
道口自动报警系统具有友好的交互式用户界面，安全性能高，工作人员在室内即可通过计算机显示屏幕看到道口的状态，当有车接近道口时，行人可以通过道口的信号机、语音音箱得到列车通过的信息，工作人员通过显示器看到列车报警信息以及外面设备出现故障时会自动报警的功能。
二、 工作原理及性能指标
1.工作原理：
在有平交道口的铁道线路上、下行方向各设置四个磁性踏板开关，以上行方向为例，四个踏板设置方法如下：在列车接近道口800-1000米的位置设置三个接近磁性踏板开关（t1、t2、t3），离开道口100-200米的位置设置一个出清磁性踏板开关（t7）。下行方向设置方法与上行方法相同位置相反。当铁路工人作业或穿越铁路的行人无意触动踏板开关产生动作时有可能产生误报;当磁性踏板开关发生故障而未得到及时更换时有可能产生漏报，这些在道口报警系统中都是不可忽视的问题。因而在接近道口方向设置三个踏板开关并采用冗余技术（三取二），当列车通过三个接近踏板开关时，只有当两个或两个以上踏板开关同时动作时才确认列车到达，从而尽可能地减少误报和漏报的产生。当列车接近道口通过三个踏板开关时系统开始计轴统计进入道口的列车的轴对数，同时当列车通过出清踏板开关时系统同样统计列车的轴对数，当列车出清计轴停止并与进入道口计轴数相符时，表明列车出清。当列车到达时，道口信号机白灯熄灭、红灯闪烁、鸣响喇叭（或语音报警），同时室内显示器上动画显示列车运行状态，当列车出清后，解除报警，红灯灭白灯亮。各个踏板开关和信号灯灯丝以及嗽叭的状态都显示在屏幕上，当出现踏板故障、灯丝断线、扬声器断线等故障时，报警系统自动给出故障提示;同时记录每次报警的开始时间、结束时间以及故障的发生时间和恢复时间等。（用户界面以及踏板开关的布置［t1至t8为踏板开关］见图1）
图1单线道口报警控制系统用户界面及踏板开关布置图
2.道口报警控制系统性能指标
● 主机工作环境：温度0℃-40℃;相对湿度75%以下;ac220±30v。
● 列车接近区段距离≤1200m。
● 适应列车运行速度：2km/h-160km/h。
● 列车进入接近区段3秒钟（±1秒）报警开始（用踏板的位置确定）。
● 道口信号机在非报警状态，点亮白灯，熄灭红灯。
● 列车进入报警范围，道口信号机开始报警，熄灭白灯，两红灯交替闪烁，扬声器发出报警声音。
● 红灯闪烁频率为60±5hz。
● 扬声器发出的声音，可以设定为语言报警或钟声报警，可以支持广播功能。
● 磁性探头及道口信号机工作环境：温度-40℃-70℃;相对湿度95%以下。
三、 系统设计
1. 硬件设计：
道口报警系统主板采用的是pc/104总线模块化嵌入式计算机，pc104总线是专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，其信号定义和isa总线一致，但电气规范和机械规范却完全不同，是一种优化的小型、堆栈式结构的嵌入式总线标准。pc104具有的主要功能有：（1）小尺寸结构，标准pc104模块的机械尺寸是3.6英寸×3.8英寸，即96mm×90m。（2）堆栈式连接去掉总线底板和插板滑道，总线以“针”和“孔”形式层叠连接，即pc104总线模块之间总线的连接是通过上层的针和下层的孔相互咬合相连，这种层叠封装有极好的抗震性。（3）降低总线驱动电流，减少元件数量和电源消耗，4ma总线驱动 即可使模块正常工作，每个模块的功耗大约1～2w。该模块上还有cpu芯片、dram内存、并口、串口、在板支持可读写的固态盘、看门狗和实时时钟等，另外还有i/o模块、a/d模块、液晶显示模块、键盘输入模块和打印输出模块等。pc104标准模块在一块尺寸很小的单板机上几乎集成了普通pc的所有功能。标准的pc兼容体系结构减少了软件开发工作量，模块化、通用化的系统更易于维护、扩展和升级，减少重复开发的成本。
道口报警系统中采用研华公司的嵌入式主板pcm3350其cpu选择的是无需散热片和风扇的pentium-233嵌入式低功耗芯片。输入、输出采用的是pcm3724板，a口和b口为输入口，c口为输出口。嵌入式系统体现了以应用为中心，其软硬件可根据实际情况进行裁减，能适应对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。pc/104与普通pc机是完全兼容的，只是pc/104比普通pc机的集成度要高，在90x96mm大小的pcb板上，就集成了cpu、dram、显示、ide、com、lpt、network等驱动接口，pc/104嵌入式计算机体积只有一个肥皂盒大小。pc/104的可靠性，稳定性、抗干扰性也比普通的pc机好得多，适合用于道口报警控制系统中。
2. 软件设计：
下位机采用的是microsoft windows ce操作系统，microsoft windows ce是模块式实时嵌入式操作系统，服务于空间占有量小、移动的32位智能连接设备，可以满足多种设备需要。microsoft windows ce提供了更好的兼容性，并支持硬件实时处理功能，且具有以下若干新的内核服务：（1）支持嵌套的中断：这可以让高优先级的中断立即被响应，而不是等待低优先级的中断服务例程（interrupt service routine，简称isr）执行完成。（1）更好的线程响应：高优先级的中断服务线程（interrupt service threads，简称ist）调度延迟的上限更加紧了。线程响应的这个改进可以让开发人员知道线程调度转换什么时候发生，通过提高监视和控制硬件的能力开发新的嵌入式应用程序。（3）更多的优先级别：256个优先级别（在早期的版本中只有8个）给予开发人员更大的灵活性控制嵌入式系统的调度。（4）更好的控制：对线程时间片级的控制可以支持对调度机制更大的控制。这些服务使操作系统可以在中断发生之后立即进行响应。microsoft windows ce操作系统可以小至200kb，是一个适合下一代互连工业自动化设备的理想小体积嵌入平台，能从闪存磁盘中启动，也就避免了暴露在灰尘、高温、和震动环境下，从而使它可以适应甚至是最恶劣的生产环境，这些功能使windows ce成为测试和测量设备以及可编程逻辑控制器等设备理想的操作系统。
上位机采用的是昆仑通态的mcgs嵌入板软件以实现道口报警控制系统的清晰的可视化界面、动画模拟、报警记录、故障诊断并提示等功能。mcgs（monitor and control generated system）嵌入版组态软件是一套基于windows ce操作系统，可用来快速构造和生成监控系统的组态软件包，它为用户提供了从设备驱动、数据采集到数据处理、流程控制、动画显示、报表输出等解决实际工程问题的完整方案和操作工具。mcgs嵌入版组态软件具有多任务、多线程功能，其系统框架采用vc++编程，提供丰富的设备驱动构件、动画构件、策略构件，用户可随时方便地扩充系统的功能。mcgs嵌入版组态软件是近年来在工业自动化领域兴起的一种新型的软件开发技术，开发人员通常不需再编制具体的指令和代码，只要利用组态软件包中的工具，通过硬件组态（硬件配置）、数据组态、图形图像组态等工作即可完成所需应用软件的开发工作，它具有二次开发简便、开发周期短、通用性强、可靠性高等优点。在道口报警控制系统中引入组态软件技术，可以避开复杂的计算机软件代码编制问题。研发人员可以根据系统的具体要求，组态配置出界面清晰直观、使用便利、维护量小、可靠性高等高性能和高度专业化的监控软件系统。mcgs嵌入版组态软件系统包括组态环境和运行环境两大部分，mcgs嵌入版组态软件的组态环境由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成。mcgs的运行环境是一个独立的运行系统，能按照“组态结果数据库”中的组态方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。当上位机完成主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库以及相应的运行策略的组织与调试后下传到下位机，在下位机上调试成功后即可。（组态结构见图2）
程序流程采用导向安全机制，将道口从空闲到列车通过到出清分成几个状态，在相应的运行策略实现道口自动报警的功能。步骤如下：（1）组织mcgs的用户窗口实现简单清晰的可视化界面。（2）利用强大的报表功能记录道口的报警情况并保存在系统中。（3）使用mcgs的运行策略能方便的控制流程并进行故障诊断。（4）使用mcgs的实时数据库保证道口报警控制系统的可靠性和稳定性。（程序流程见图2）
四、结束语
研发成果证明在道口报警控制系统中引入嵌入式系统是可行的，它除使用便利、维护量小、可靠性高等优点外，还具有其它很多明显的优势。如系统配置灵活、开发周期短、通用性强等。此系统除单线以外还开发有双线和站场的道口自动报警并且已经通过系统调试，将在铁路平交道口中得到广泛应用，以减少事故发生，保护国家和人民的生命财产安全。随着网络技术的普及和应用还可能继续开发以实现远程监测和网络传输。
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道口自动报警系统具有友好的交互式用户界面，安全性能高，工作人员在室内即可通过计算机显示屏幕看到道口的状态，当有车接近道口时，行人可以通过道口的信号机、语音音箱得到列车通过的信息，工作人员通过显示器看到列车报警信息以及外面设备出现故障时会自动报警的功能。
二、 工作原理及性能指标
1.工作原理：
在有平交道口的铁道线路上、下行方向各设置四个磁性踏板开关，以上行方向为例，四个踏板设置方法如下：在列车接近道口800-1000米的位置设置三个接近磁性踏板开关（t1、t2、t3），离开道口100-200米的位置设置一个出清磁性踏板开关（t7）。下行方向设置方法与上行方法相同位置相反。当铁路工人作业或穿越铁路的行人无意触动踏板开关产生动作时有可能产生误报;当磁性踏板开关发生故障而未得到及时更换时有可能产生漏报，这些在道口报警系统中都是不可忽视的问题。因而在接近道口方向设置三个踏板开关并采用冗余技术（三取二），当列车通过三个接近踏板开关时，只有当两个或两个以上踏板开关同时动作时才确认列车到达，从而尽可能地减少误报和漏报的产生。当列车接近道口通过三个踏板开关时系统开始计轴统计进入道口的列车的轴对数，同时当列车通过出清踏板开关时系统同样统计列车的轴对数，当列车出清计轴停止并与进入道口计轴数相符时，表明列车出清。当列车到达时，道口信号机白灯熄灭、红灯闪烁、鸣响喇叭（或语音报警），同时室内显示器上动画显示列车运行状态，当列车出清后，解除报警，红灯灭白灯亮。各个踏板开关和信号灯灯丝以及嗽叭的状态都显示在屏幕上，当出现踏板故障、灯丝断线、扬声器断线等故障时，报警系统自动给出故障提示;同时记录每次报警的开始时间、结束时间以及故障的发生时间和恢复时间等。（用户界面以及踏板开关的布置［t1至t8为踏板开关］见图1）
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2.道口报警控制系统性能指标
● 主机工作环境：温度0℃-40℃;相对湿度75%以下;ac220±30v。
● 列车接近区段距离≤1200m。
● 适应列车运行速度：2km/h-160km/h。
● 列车进入接近区段3秒钟（±1秒）报警开始（用踏板的位置确定）。
● 道口信号机在非报警状态，点亮白灯，熄灭红灯。
● 列车进入报警范围，道口信号机开始报警，熄灭白灯，两红灯交替闪烁，扬声器发出报警声音。
● 红灯闪烁频率为60±5hz。
● 扬声器发出的声音，可以设定为语言报警或钟声报警，可以支持广播功能。
● 磁性探头及道口信号机工作环境：温度-40℃-70℃;相对湿度95%以下。
三、 系统设计
1. 硬件设计：
道口报警系统主板采用的是pc/104总线模块化嵌入式计算机，pc104总线是专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，其信号定义和isa总线一致，但电气规范和机械规范却完全不同，是一种优化的小型、堆栈式结构的嵌入式总线标准。pc104具有的主要功能有：（1）小尺寸结构，标准pc104模块的机械尺寸是3.6英寸×3.8英寸，即96mm×90m。（2）堆栈式连接去掉总线底板和插板滑道，总线以“针”和“孔”形式层叠连接，即pc104总线模块之间总线的连接是通过上层的针和下层的孔相互咬合相连，这种层叠封装有极好的抗震性。（3）降低总线驱动电流，减少元件数量和电源消耗，4ma总线驱动 即可使模块正常工作，每个模块的功耗大约1～2w。该模块上还有cpu芯片、dram内存、并口、串口、在板支持可读写的固态盘、看门狗和实时时钟等，另外还有i/o模块、a/d模块、液晶显示模块、键盘输入模块和打印输出模块等。pc104标准模块在一块尺寸很小的单板机上几乎集成了普通pc的所有功能。标准的pc兼容体系结构减少了软件开发工作量，模块化、通用化的系统更易于维护、扩展和升级，减少重复开发的成本。
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2. 软件设计：
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程序流程采用导向安全机制，将道口从空闲到列车通过到出清分成几个状态，在相应的运行策略实现道口自动报警的功能。步骤如下：（1）组织mcgs的用户窗口实现简单清晰的可视化界面。（2）利用强大的报表功能记录道口的报警情况并保存在系统中。（3）使用mcgs的运行策略能方便的控制流程并进行故障诊断。（4）使用mcgs的实时数据库保证道口报警控制系统的可靠性和稳定性。（程序流程见图2）
四、结束语
研发成果证明在道口报警控制系统中引入嵌入式系统是可行的，它除使用便利、维护量小、可靠性高等优点外，还具有其它很多明显的优势。如系统配置灵活、开发周期短、通用性强等。此系统除单线以外还开发有双线和站场的道口自动报警并且已经通过系统调试，将在铁路平交道口中得到广泛应用，以减少事故发生，保护国家和人民的生命财产安全。随着网络技术的普及和应用还可能继续开发以实现远程监测和网络传输。
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