УДК 004.312.26
«Омский государственный университет путей сообщения»
СТЕНД ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ ИНТЕРВАЛЬНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДОВ
В связи с внедрением на железной дороге микропроцессорных систем появляется потребность в обучении принципам их работы будущих специалистов автоматики и телемеханики. Созданный прототип учебного стенда, благодаря разработанным микропроцессорным схемам управления сигнальными точками, позволяет изучить основные принципы построения микропроцессорных систем интервального регулирования движения поездов. В качестве примера разрабатываемой микропроцессорной системы была взята трехзначная числовая кодовая автоблокировка, реализованная методами конечных автоматов и моделирования работы схемы дешифраторной ячейки.
Стенд, микропроцессорная система, автоблокировка, конечный автомат, моделирование, сигнальная точка, дешифратор, трансмиттер
Due to the introduction of the railway microprocessor systems there is a need for training in the operation of the future experts of automation and remote control. Created a prototype training stand, thanks to schemes designed microprocessor control signal points, allows you to learn the basic principles of microprocessor systems of interval traffic control. As an example, developed the microprocessor system has taken a three-digit numerical code self-locking, implement the methods of finite automata and simulation of the circuit of decoder cells.
Stand, microprocessor system, automatic lock-out, finite-state machine, modeling, alarm point, decoder, transmitter
Введение
Развитие техники не стоит на месте и в связи с этим появляется современная элементная база, в том числе применяемая в системах железнодорожного транспорта. В частности, в настоящее время широко внедряются современные микропроцессорные системы, заменяющие устаревшую релейную аппаратуру.
Однако на настоящий момент в нашей стране отсутствуют средства для изучения принципов построения таких систем, и весь процесс обучения сводится к рассмотрению их на уровне блока, другими словами, некоего «черного ящика».
В качестве решения данной проблемы был разработан прототип стенда, позволяющий в интерактивной форме изучить принципы построения и основные алгоритмы работы микропроцессорных систем интервального регулирования движения поездов.
Основные составляющие стенда
Разработанный стенд содержит в себе три микропроцессорные сигнальные точки, соответствующие им светофоры, элементы декора, а так же рельсовые цепи постоянного тока, используемые для простоты схемных решений и экономии компонентов.
Основным элементом прототипа являются микропроцессорные схемы управления сигнальными точками, содержащие в себе два микроконтроллера ATmega328P, выполняющих необходимые вычислительные операции для осуществления кодирования и дешифрации получаемого из рельсовых цепей сигнала. Разработка печатных плат началась с изучения схем подключения микроконтроллеров [1] и программатора [2], а так же учета принципов электромагнитной совместимости [3]. После чего в программной среде Sprint Layout 6.0 был разработан первый тестовый образец печатной платы, который был перенесён на текстолит методом лазерно-утюжной технологии. Далее осуществлялся процесс травления платы в хлорном железе, сверление отверстий, лужение и припаивание необходимых компонентов.
Тестирование готового образца выявило некоторые его недостатки, которые были учтены при разработке новой версии печатной платы. Так же в схему платы был добавлен программатор, представляющий собой микроконтроллер ATmega8 со специальным кодом и необходимой развязкой, и трехпозиционный переключатель, позволяющий выбирать при помощи работающих в режиме ключа транзисторов необходимые линии программирования первого или второго микроконтроллера.
Таким образом, при помощи встроенного программатора и интерфейса USB, удалось реализовать подключение платы напрямую к компьютеру и осуществлять загрузку кода без изъятия микроконтроллеров из платы и каких-либо сторонних программаторов.
В дальнейшем возможно подключение и программирование каждой из плат на отдельных компьютерах, так как платы являются независимыми микропроцессорными сигнальными точками и не требуют при написании программного обеспечения какой-либо связи между компонентами друг друга. По завершению написания программного кода для каждой из сигнальных точек и загрузки его в микроконтроллеры, все платы последовательно подключаются между собой. Таким образом, они реализуют единую систему, представляющую собой однопутный перегон, состоящий из определенного количества блок-участков, равного количеству подключенных в систему микропроцессорных сигнальных точек.
Разработка микропроцессорной системы на примере числовой кодовой автоблокировки
В качестве примера разработки микропроцессорной системы интервального регулирования движения поездов на стенде были реализованы основные алгоритмы функционирования трехзначной числовой кодовой автоблокировки (ЧКАБ), принцип работы которой заключается в следующем [4]:
Благодаря работе специальной схемы дешифраторной ячейки, используемой на железной дороге для дешифрации кодов, принимаемых от двух типов трансмиттеров – КПТШ-5 и КПТШ-7, осуществляется зажигание соответственно красного, желтого или зеленого сигналов на перегонном светофоре.
Схема дешифраторной ячейки, в зависимости от показаний собственных реле Ж и З, выбирает необходимый контакт путевого трансмиттера и, при помощи трансмиттерного реле, посылает необходимый код в следующую рельсовую цепь, на следующий дешифратор. При занятии поездом блок-участка происходит шунтирование рельсовой цепи, и посылаемые трансмиттером коды не доходят до дешифратора. Реле Ж и З обесточиваются и, выдержав замедление на отпускание, отключаются - на светофоре загорается красный огонь. В смежную рельсовую цепь подается код КЖ и следующий дешифратор, приняв этот код, зажигает на светофоре желтый огонь, при этом посылая дальше код Ж. Принимая от КПТШ код Ж или З дешифратор включает зеленый сигнал и в следующую рельсовую цепь подает код З. Таким образом происходит сигнализация о свободности или занятости блок-участков на перегоне при трехзначной ЧКАБ.
Благодаря универсальной схеме соединения микроконтроллеров на плате, возможны различные методы построения подобных систем, и в данной работе для реализации принципов числовой кодовой автоблокировки было использовано два метода - моделирование работы схемы дешифраторной ячейки и метод конечных автоматов.
Метод конечных автоматов
Конечный автомат это универсальное устройство. Его можно реализовать как зависимость выходного сигнала от входного в предыдущий момент времени. Для этого была взята временная диаграмма кодовых сигналов, вырабатываемых трансмиттером, и на её основе построены графы КПТШ и дешифраторной ячейки для кодов З, Ж и КЖ. В качестве автомата использовался автомат Мура. Автомат переходит из одного состояния в последующее в зависимости от временных и амплитудных параметров сигнала. Все состояния графа при реализации дешифратора играют важную роль в декодировании принимаемого кода и отвечают за проверку поступления сигналов из рельсовой цепи и соответствие их заданным временным параметрам. На основе полученных графов были написаны программные коды, осуществляющие соответственно дешифрацию и кодирование импульсных последовательностей.
Метод моделирования работы схемы дешифраторной ячейки
Данный метод реализации зависимостей ЧКАБ заключается в полном моделировании работы схемы дешифраторной ячейки [4]. Для этого с помощью объектно-ориентированного языка программирования С++[5] была создана программная модель реле, реализующая через полученные переменные такие составляющие реле, как обмотка, контакты и их замедление на замыкание и размыкание.
В программном коде при помощи созданной модели были реализованы все реле, используемые в схеме дешифраторной ячейки. Затем, применив логические операции И и НЕ, контакты этих реле были соединены между собой в соответствии со схемой. После продолжительных попыток настройки и отладки системы выяснилось, что использованный в предыдущем методе принцип моделирования работы КПТШ не подходит для этой схемы и необходимо реализовать и подключить к дешифратору отдельно каждый контакт трансмиттера, передающий свой код, так же, как это сделано в физической модели КПТШ. После реализации новой модели КПТШ и подключения её к дешифратору, принятие и дешифрация кодов стали стабильными и безошибочными.
Для контроля пробоя изолирующих стыков в системе ЧКАБ используется чередование двух типов КПТШ – 5 и 7, и особое подключение контактов, благодаря которым осуществляется контроль асинхронной работы трансмиттерного и импульсного реле, выполняющих функции передачи и приема кодов. При программной реализации данной системы так же были реализованы два типа КПТШ, имеющие разные временные интервалы у посылаемых кодов, что дало возможность контролировать пробой изолирующего стыка и включать на соответствующем светофоре запрещающий сигнал.
Таким образом, при исследовании и реализации указанных выше методов были получены различные микропроцессорные системы, отличающиеся по своим характеристикам, но полностью выполняющие функции дешифраторной ячейки и КПТШ. Каждая сигнальная точка и соответствующая реализация метода выполнены на двух микроконтроллерах ATmega328P, взаимодействующих друг с другом при помощи связывающих их физических линий данных.
Так как на железнодорожном транспорте одним из самых приоритетных направлений СЦБ является внедрение микропроцессорного оборудования, то создание процесса обучения принципам построения микропроцессорных систем и заложенным в них алгоритмам, несет особую значимость при подготовке будущих специалистов автоматики и телемеханики и делает систему обучения соответствующей данному этапу развития науки и техники.
Список литературы
Atmel Corporation. ATMEL 8-BIT MICROCONTROLLER WITH 4/8/16/32KBYTES IN SYSTEM PROGRAMMABLE FLASH DATASHEET [Электронный ресурс] – режим доступа: http://www. /images/atmel-8271-8-bit-avr-microcontroller-atmega48a-48pa-88a-88pa-168a-168pa-328-328p_datasheet_complete. pdf, свободный. Thomas Fischl. USBasp – USB programmer for Atmel AVR controllers [Электронный ресурс] – режим доступа: http://www.fischl.de/usbasp/, свободный. Алексей Кузнецов. Помехоустойчивые устройства [Электронный ресурс] – режим доступа: http://caxapa.ru/lib/emc_immunity.html, свободный. Казаков , локомотивная сигнализация и автостопы [Текст]/ , – учебник для техникумов ж-д транспорта. 7-е изд. перераб. и доп. М.: Транспорт, 1980. — 360 с. Основы программирования на языках Си и C++ для начинающих [Электронный ресурс] – режим доступа: http:///, свободный.