基于列车的列控车载设备TCR软件设计

中图分类号: 学科分类号:密级：公开论文编号：1000408110382基于列车的列控车蘆设备TCR软件设计作者姓名郭晶卜学科专业智能交通工程指导教师蒋大明副教授培养院系电子信息工程学院二零一零年十二月硕士学位论文基于列车的列控车载设备TCR软件设计TCR software design of Column-based tram control equipment作者：郭晶导师：蒋大明北京交通大学 2010年12月学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的規定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容編入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明）签字日期：知年。:/月丨日签字曰期：M年月 /日中图分类号：U238.1学校代码：10004UDC： XXXX密级：公开北京叉通大学硕士学位论文基于列车的列控车载设备TCR软件设计TCR software design of Column-based train control equipment作者姓名：郭為学号： 08120382导师姓名：蒋大明职称：副教授学位类别：工学硕士学位级别：硕士学科专业：智能交通工程研究方向：嵌入式北京交通大学2010年12月致谢本论文的研究和撰写工作是在我的导师蒋大明副教授的悉心指导和关怀下完 成的，蒋大明老师学识渊博，对学生知识的传授毫无保留，正是蒋大明老师严谨 的治学精神和实事求是的教学态度都给我留下深刻的印象，使我受益匪浅。在此 由衷的感谢蒋大明老师在这三年来我对无微不至的照顾并献上我最诚挚的敬意。特别感谢在北京和利时有限公司实习期间，和利时轨道交通事业部车载系统 部的老师李剑、石海峰，以及师兄张红刚、张哲、丁福勇等同事对我的耐心指导 和帮助。同时感谢我的家人及朋友对我的支持，鼓励我前迸。同事感谢在研究生学习期间，论文编撰期间给予我热情帮助李鹏杰、朱兆俊等同学。最后，感谢本次评阅本文的专家、教授、学者。北京交通太学硕士学位论文中文摘要中文摘要摘要:本论文是围绕基于列车的列控车载设备TCR模块的功能实现进行研究、 分析并设计的。基于列车的列控车载设备是根据机车的运行特性并全面考虑 CTCS-2、1、0级列控系统的需求，研制出适用于机车并可实现在不同等级下跨线 运行的新型列控车载设备。TCR模块是其中的一个数据记录模块。全文主要对TCR 模块的设计思路、理论方法、实现步骤进行了详细阐述。首先，对现今的列控车载设备的构成，分类及发展方向进行了描述，引出了 列控车载设备在铁路运输方面的重要性。第二，对基于列车的列控车载设备的构成及与TCR相关的模块进行了详细描 述。从不同的角度展现TCR软件的设计方案和设计指标。第三，阐述了 TCR软件所需要的硬件接口，主要分析了在CF卡上建立文件 系統的可行性。对文件系统FAT32进行了较为全面的描述，并展现了本课题文件 系統的制作过程。第四，详细阐述了 TCR软件的总体结构设计，各子模块的设计及实现。最后，实现了对TCR软件记录的数据进行显示及校验诊断。通过TCR与基于列车的列控车载设备其他模块的联调达到了预定的效果。并在结论部分总结了本次设计优缺点，希望能在以后得到进一步提高。关键词：列控车载设备；TCR软件；CF卡；文件系统；FAT32;数据显示分类号：U283.1北京交通大学硕士学位论文ABSTRACTABSTRACTADstract: ihis paper is realization of the function around the fR module oi Column-based train control equipment to study, analyze and design. This device is based on the operating characteristics of locomotive and takes full account of CTCS-2? 1，0-class train control system requirements, developed for different levels of motorcycle and can be implemented in the next column across lines of new-vehicle equipment control. TCR module is one of the data recording modules. In the paper, TCR module design ideas, theory method and implementation steps described in detail.First of all, todays train control on-board equipment，composition，classification and development are described, leads to the train control vehicle equipment in the importance of rail transport.Second, the Column-based train control equipment and associated with the TCR module describe in detail. And the paper shows the design procedures and specifications of TCR software from a different comer.Third, the paper describes the hardware required for TCR software interface, the main analysis of the CF card in the feasibility of a file system.Fourthly, the paper elaborate on the overall TCR software structure design, the design and implementation of sub-module.Finally, software records the data on the TCR to display and check diagnostics put into use.It has well reached the intended effect through debugging systematically with other module of Column-based train control equipment. The conclusion summarizes the advantages and disadvantages of this design, hoping to be further improved in the future.KEYWORDS: Train control board equipment; TCR software; CF card; File system; FAT32; Data display.CLASSNO: U283.1#北京交通大学硕士学j论文目录V目录中文摘要iiiABSTRACTiv1 弓IW11.1 课题身足和义11.2列车运行控制系統的构成及分类11.2.1列车运行控制系统的构成21.2.2列车运行控制系统分类21.2.3列控系统的重要性与发展方向31.3国内外现状31.3.1 ETCS 分级41.3.2 CTCS 分级41.3.3 ETCS和CTCS两者的比较51.4研究思路及研究的主要工作62 基于列车的列控车载系统82.1系统功能概述与对外接口82.1.1系统功能概述82.1.2系统的对外接口82.2系统的体系结构92.2.1 ATP系统逻辑结构102.2.2各模块的功能122.2.3 ATP模块间的接口162.2.4子模块架构设计193 TCR软件总体设计方案及设计指标213.1需求分析213.1.1 TCR软件功能需求223.2方案设计233.2.1操作视图 233.2.2开发视图233.2.3运行期视图243.2.4实现视图254 TCR模块的硬件接口27北京交通大学硕士学位论直目录4.1糸统整体框架274.2系统的核心芯片274.3 DSP28335处理器外围模块设计284.3.1 CF卡模块接口 284.3.2通信模块接口315 文件系统理论325.1文件系统的选择325.1.1系统容量需求分析325.1.2 FAT32与 FAT16、NTFS比较选择335.2 FAT32介绍335.2.1主引导记录（MBR) 345.2.2操作系统引导记录区（DBR) 355.2.3文件分配表（FAT) 365.2.4文件目录表(FDT) 395.2.5获取各个分区数据的计算方法及重要的计算公式415.2.6文件系统制作过程415.2.7本次设计中的几个细节446 TCR系统的软件设计466.1软件结构466.1.1软件层次结构466.1.2 TCR软件层的功能466.1.3平台层软件提供的支持476.2 TCR软件的总体设计476.2.1功能模块结构图476.2.2软件的时序结构设计486.3各模块功能具体介绍486.3.1通信单元486.3.2轨道信号采集单元506.3.3数据做成单元526.3.4记录单元546.3.5初始化及辅助功能单元556.4 TCR软件架构总貌577 TCR软件系统的数据显示及诊断设计597.1数据显示及诊断概述59#北京S通学M 士学_Ji论文目录7.2总体框架设计597.2.1数据录入层597.2.2数据处理层597.2.3数据显示层607.3数据显示及诊断的界面设计607.3.1界面结构布局设计607.3.2人机交互界面设计607.4数据显示及诊断软件源程序构成627.5数据显示软件操作流程638 雜64参# 献65作者简历66独创性声明67学位论文数据集68北京戈通大学硕士学位论文弓丨 531.1课题背景和意义中国铁路第六次大提速的成功实施，标志着我国拥有完全自主知识产权的 CTCS2级列控系统的应用取得了圆满成功。随着合宁线、合武线等CTCS2级客运 专线的开通，C2级客运专线的建设力度不断加大，C2级客运专线的总运营里程也 将不断増加，在整个铁路运输网中将发挥越来越大的作用。而根据我国铁路运营 的实际情況，除安装有满足欧洲SIL4级安全要求的车载设备的动车组外，普通客 运列车也将根据需要在这些C2客运专线上运行，这样以来，就造成了安全产品与 非安全产品混跑的局面，危及了铁路行车的安全性。为解决此问题，提升整个系统的安全性，需要提高普通客运列车运行的安全 性。从列车控制角度来说，普通客运列车需要安装满足CTCS2级列控系统及欧洲 SIL4级安全设备要求的车载设备，才能达到整个系统的安全性要求。在目前铁路运用的普通机车上，普遍安装有河南思维公司及株洲电力机车研 究所研制的列车运行监控记录装置LKJ。该设备是根据目前铁路未改造的区段 (CTCS-0级区段）设计而成的，采用存储线路数据的方式控制列车运行。由于需 要过多的人工参与，其安全性难以得到保证。如果机车要实现跨线运行，则必需同时安装ATP及LKJ两种控制设备，使得 设备成本大为增加。安装两套控制设备需要大量的安装空间，并增加了与机车接 口的复杂性。另外，由于两套控制设备由不同厂家提供，二者之间的接口复杂， 出现问题时难以有效定位故障。-和利时公司目前已有通过SIL4认证的车载设备，该设备满足的铁路信号产品 高集成性、高安全性、高可靠性、高可维护性及高可用性发展方向的要求。在此 设备基础上进行适当的改造，可满足向下兼容CTCS-0及CTCS-1级列控车载设备 的需求。本项目将以现有CTCS-H列控车载设备为基础，根据机车的运行特性并全面 考虑CTCS-2、1、0级列控系统的需求，研制出适用于机车并可实现在不同等级下 跨线运行的新型列控车载设备。1.2列车运行控制系统的构成及分类1.2.1列车运行控制系統的构成列车运行控制系统通常是由地面列控中心或无线闭塞中心、轨道电路、地面 点式信号设备、车地传输设备和车载速度控制设备构成的，用于控制列车运行速 度以保证行车安全和提高运输能力的控制系統。图1-1列控系统设备构成示意图Fig.1-1 1 ram control system eauioment composition schematic diagram1.2.2列车运行控制系统分类列车运行控制系统是对列车速度进行自动控制的各种装置的统称，根据对速 度控制程度的不同，一般可分为：列车自动停车（ATS)系統；列车超速防护（ATP) 系统；列车自动控制（ATC)系统；列车自动运行（ATO)系統。1) ATS： ATS是一种只在停车信号(紅灯;)前实施列车速度控制的装置，是非速差 式信号体系下的产物，属于列车速度控制的初级阶段。国外多种ATS系统补充 了简单的速度监督功能，这种系统设备简单，历史悠久，至今在我国及世界 各国铁路上广泛采用。2) ATP： ATP是随着速差式信号体系的建立而产生的，列车正常运行由司机控制, 只是在列车司机出现疏忽或者失去控制能力且列车出现超速时设备才起作 用，并以最大常用制动或紧急制动方式，強迫列车减速或停车。当列车速度 已降至或到达限速要求，由司机判定和操作制动缓解。系统要求符合故障一 安全原则。这是一种以人（司机）控为主的列车运行安全系统，在欧洲高速 铁路上已普遍采用。3) ATC： ATC (又称列车自动減速系統)。当列车运行超过限制速度吋，系统会 自动实施常用制动，使列车降至低于限制速度的一定值后，制动自动緩解， 列车继续运行。这是一种设备优先的列车运行安全控制系统，司机一部分操 作由设备代替，但列车运行的正常调速仍由司机操作，系统同样要求符合故 障一安全原则。这种方式很适合于动车组，日本新干线高速铁路采取这种方 式。4) ATO：(又称列车自动驾驶系統）。按系统预先输入的程序，保证列车运行图 的要求，由设备代替司机进行列车运行的加減速或定点停车的速度调整要求。 一般情況下，司机除了对列车启动操作外，只对设备的动作进行监督，它属 于一种非安全系统，一般叠加在ATC或ATP上，列车运行的安全防护由后者承 担。这样的系统已在地下铁道中较广泛采用，在地面铁路干线上，由于运输 情況复杂，目前很少采用1。1.2.3列控系統的重要性与发展方向当列车运行速度超过160km/h后，再由司机仅依靠地面信号行车已无法保证 行车安全,必须把对列车的开环控制变为闭环控制。因此，当列车速度大于160km/h 后，列控系统成为了行车安全不可缺少的重要技术装备。列控系统是由地面信号设备和车载设备共同组成的闭环高安全性系統，是地 面联锁向车载设备的延伸，在此基础上实现了以车载设备为主的行车方式。各国 铁路在实施列车运行控制过程中，都是以故障安全作为最重要的技术条件，将地 面和车载设备按一个系统统一设计，同步进行技术更新或強化改造，可以保证整 个系统的高安全、高可靠性。通信信号一体化是现代铁路信号的重要发展趋势。实现对移动体的控制，移 动通信是最便捷的手段。因此，基于通信特别是基于无线移动通信的列控系统是 今后的重要发展方向。1.3国内外现状北京交通大学硕士学位论文引言国外列车运行控制系统应用相对比较普遍，各种速度的铁路都有运用，但在 高速铁路上的应用更现实出其高水平和具有代表性。目前，高速铁路在欧洲和亚 洲的发展较为快速，目前投入应用的列控系统主要有法国的TVM300和TVM430、 日本铁路ATC和数字ATC、德国的LZB80、欧洲ETCS等系统设备2。由于我国的列控系统分级主要是参照欧洲铁路运输系統/列控系統，下面主要 介绍ETCS和CTCS系统及其区别比较。1.3.1 ETCS 分级在20世紀90年代中期欧洲各信号公司联合制定了ETCS技术规范，旨在解决欧 盟各国在跨国运行时的ATP的兼容问題。根据规范ETCS系统可分为以下三级：一级设备保留地面信号，线路两侧增设欧洲标准型应答器，列车按地面信号 显示运行，由超速防护装备监督列车运行速度。二级设备取消了地面信号机，但保留检查轨道空闲和占用状态的设备，列车 按无线集中闭塞和机车信号运行。三级设备在线路两侧不再设轨道空闲状态检查设备，而设欧洲标准型应答器 和无线集中闭塞，设车载列车完整性检查设各，列车按无线集中闭塞和机车信号 运行。今后，这一级可进一步向移动闭塞发展3。1.3.2 CTCS 分级为满足日益增长的铁路运输的需求，在参照欧洲铁路运输系统/列控系统 (ERTMS/ETCS)的基础之上，结合我国现有国情，铁道部制定了中国列车控制系 统(CTCS)技术规范总则(暂行)和相应CTCS技术条件，以保证我国铁路运输需求， 适应提速战略的实施。CTCS采用了标准化、模块化、一体化、网络化和数字化的 设计原则，向下兼客、向上扩展：是集成了计算机、通信、网络等高新技术为一 体的列车运行自动控制系統。该系统以分级的原则来满足不同线路不同列车的运 营需求。CTCS0级：由通用机车信号+列车运行监控装置组成，为既有系统。适用于列 车最高运行速度为160km/h及以下，一般自动闭塞设计仍按固定闭塞方式进行，信 号显示具有分级速度控制的概念，其目标距离式制动曲线可作为参考。属于过渡 阶段。CTCS1级：由主体机车信号+加强型运行监控装置组成，面向160km/h及以下的区段，在既有设备基础上強化改造，达到机车信号主体化要求，增加点式设备， 实现列车运行安全监控功能。利用轨道电路完成列车占用检测以及完整性检查， 连续向列车传送控制信息。CTCS1级是对CTCSO级的全面加强，提高了系统的安 全性和可靠性。CTCS2级：一体化的列车运行控制系統。CTCS2级面向提速干线和高速干线， 是基于轨道电路和点式信息设备传输信息的列车运行控制系统，适用于各种限速 区段，地面可不设通过信号机。CTCS2级采取目标距离控制模式，采用一次制动 方式。CTCS2级采取的闭塞方式称为准移动闭塞方式，其追踪运行间隔要比固定 闭塞小一些。CTCS3级：基于无线传输信息并采用传统方式检查列车占用的列车运行控制 系统。CTCS3级面向提速干线、高速新线或特殊线路，基于无线通信的自动闭塞 或虚拟自动闭塞，它也可以叠加在既有干线信号系統上。CTCS3级适用于各种限 速区段，地面可不设通过信号机，司机凭车载信号行车，满足客运专线和高速运 输的需求。CTCS4级：面向高速新干线或特殊线路，基于无线通信传输平台，可实现虚 拟闭塞或移动闭塞，CTCS4级采取目标距离控制模式，其追踪运行间隔要比准移 动闭塞更小一些。CTCS4级由RBC和车载验证系统共同完成列车定位和列车完整 性检查，使传统的信号设备减到最低。CTCS4级地面不设通过信号机，司机凭车 载信号行车，满足客运专线和高速运输的需求。1.3.3 ETCS和CTCS两者的比较ETCS和CTCS两者对应之处见表卜1，ETCS和CTCS两者差异：1. 列车占用检测手段不同：欧洲很多国家，列车占用检查由轨道电路或计轴设备 完成，而地一车信息传输靠点式设备完成。我国铁路车载信号则是完全基于 轨道电路传输信息。2. 基础设施和运营制式不同：欧洲各国铁路信号制式较多，ATP较为成熟，实施 ETCS规范即可实现互通运营：而我国ATP研究起步较晩，而且我国铁路客货 列车、不同速列车共线运行，因此CTCS的研究更要符合中国国情和运输需求。3. 目的不同：ETCS的最初目的是欧洲各国列车运营实现互连互通。而我们既要 与国际接轨，又要满足既有线、提速线路及客运专线的运营需要，相对来说， CTCS的任务要比ETCS的任务大得多4。5北京交通大学硕士学位论弓 I _i.表1-1 ETCS与CTCS对比 Table 1-1 Comparison! between ETCS and CTCS级ETCSCTCS0欧洲既有线现状中国既有线现状；通用式机车信号+ 监控装置1基于点式传输的列车控制系统； 列车占用及完整性检查由轨道电 路完成；设置地面信号机面向160km/h以下区段；主体机车信号 +加强型监控装置2基于GSM-R传输的列车控制系 统；列车监测和列车完整性检查 由轨道电路完成；可以取消地面 信号机面向提速干线和客运专线；基于轨道电 路+点式应答器进行信息传输的列控 系统；可以取消地面通过信号机3基于GSM-R的列车控制系統； 取消轨道电路和地面信号机；无 线闭塞中心与车载验证系统共同 完成列车定位和完整性检查；可 实现移动闭塞面向提速干线、客运专线和特殊线路； 基本参照ETCS2级4未疋义面向客运专线和特殊线路；基本参照 ETCS3级1.4研究思路及研究的主要工作本课题的研究内容主要是作为基于列车的列控车载设备的一个模块，作为基 于列车的列控车载设备TCR模块的设计和后期数据处理及显示，主要的研究工作 可分为两个部分：(1) 在DSP28335的开发环境下设计一个接收和处理数据，保存数据的文件系统等 方面的数据处理程序。(2) 在VC6.0的平台上用MFC对保存的数据进行处理和显示。下面以章为単位，介绍所做的工作。(1) 引言。介绍了现代的列控车载设备的组成，分类及重要性。并引出本论文的研 究内容。(2) 基于列车的列控车载设备。对基于列车的列控车载设备总体体系结构进行了简 单描述，并对与TCR模块相关的模块接口进行了重点介绍。(3) TCR软件总体设计方案及设计指标。通过不同的角度分析TCR软件的设计思 路及设计方法，提供了一条可行的设计方案。(4) TCR模块的硬件接口。主要阐述了 TCR软件主要用到的硬件接口配置，对CF 卡的存储原理进行了介绍。(5) 文件系统理论。本次设计的理论重点，详尽的描述了 FAT32的理论依据及实现 过程。(6) TCR系统的软件设计。全面分析了 TCR系统的总体设计方案，各功能模块的 内容及实现。(7) TCR软件系统的数据显示及诊断设计。对TCR软件记录的数据进行了界面显 示，与TCR软件构成一整套的数据诊断功能。(8) 结论。总结了本次设计完成的主要内容及不足之处，为以后的进一步提高指出 了方向。72基于列车的列控车载系统 2.1系统功能概述与对外接口2.1.1系统功能概述车载设备的功能主要有以下几个方面：1. 接收司机手柄状态信息的输入，包括牵引位置、制动位置、前进位置、后退位 置、零位位置等；2. 接收司机通过DMI输入的控制命令，包括上、下行选择、模式选择以及制动 缓解等输入命令；3. 接收轨道电路信号并计算相应的载频及低频信息；4. 接收应答器信号并解调出相应的线路信息；5. 根据速度传感器信号及车轮径信息计算列车运行速度，规定范围内的车轮打滑 和空转不影响车载设备正常工作；6. 根据应答器位置信息以及轨道电路载频变化信息确定列车的位置；7. 根据轨道电路低频信息、应答器的线路数据以及列车位置等信息确定LMA并 计算相应的控制模式曲线；8. 通过DMI,向司机显示各种控制状态信息；9. 根据计算結果，输出和撤销制动指令，实现超速防护及列车溜逸防护的功能；10. 具有自诊断及故障隔离功能；11. 具有关键数据和关键动作的记录功能，记录的内容包括：故障信息、设备状态 信息、轨道电路信息和应答器信息；12. 具有设备隔离功能；13. 与外部监测设备连接后，具有运行监测功能；14. 具有操作端切換功能；15. 具有本务/补务切換功能；16. 具有利用1C卡输入及存储临时限速功能；17. 具有线路数据存储功能。2. 1.2系统的对外接口基于列车的列控车载设备的ATP (列车超速防护）系统对于不同的机车类型 可采用相同的硬件。与ATP系统连接的外部设备包括：电源、司机操作手柄、车 体制动单元、监测设备（仅限于进行监测吋）、TAX箱、LAIS、机车喇叭、事故 状态记录器、双针速度表、列车总线、地面应答器和轨道电路。系统与外部设备的连接如图2-1所示：歹U车向ATP系统提供1路110V电源。车体制动接口及司机操作手柄与ATP之间以继电器接口相连接，传输数字量 输入输出。事故状态记录器、TMIS、LAIS采用CAN总线与ATP连接，传递各种控制信 息。TAX箱采用RS485串口与ATP通信，采集车体的各种状态，供司机查询。 双针速度表与ATP采用模拟量接口，机车上II端双针速度表时通过机车总线 和I端双针速度表连接，因此ATP只留一路与I端双针速度表的接口即可。ATP 将当前速度、限速和里程信息转换成模拟信号驱动双针速度表。机车喇叭用于司机鸣笛时发送声音信号，车载设备将喇叭的气压信号转换为 电信号后传送给车载设各，通过该电信号记录司机鸣笛操作。语音箱A/B将车载设备的发出的语音和声音信息进行信号放大处理。无线调车灯显设备在调车时为ATP提供机车信号。I/II端司机钥匙信号为车载设备提供操作端切换互锁信号。另外，ATP应易于扩展，将来可増加原边电流/原边电压接口及柴速传感器接。图2-1 ATP与其他系统的接口 Fig.2-1 The interface ot ATP and other system2.2系统的体系结构北京交通大学硕士学位论文基于列车的列控车载系统ATP系统采用模块化的设计方法，可将ATP系统划分为MCT (主控模块)、 DRM (数据记录模块)、RLM (继电器逻辑模块)、OIM (对外接口模块)、操作端 切换模块、SCM (信号调理模块)、DIO (数字量输入输出采集模块)、TCD (轨道 电路信息解码模块)、BTM (应答器信息传输模块)、DMI (人机接口模块）、速度 传感器、压力传感器、轨道电路信息接收天线、应答器信息接收天线、鸣笛转换 器、数模转换盒、GPS天线和GPS接收主机构成，这些模块之间采用总线或！/0 接口等方式进行连接。2.2.1 ATP系统逻辑结构ATP系统的安全目标应满足SIL4的安全完整性等级，而根据ATP系统划分的 功能単元，需要将ATP系統的安全相关系统和非安全相关系统进行区分，如图2-2 所示。Fig.2-2 Tne allocation of ATP security function and no security iunctionATP系统采用以下设计原则：1. 对于与安全相关的单元模块，采用EN50129推荐的带故障-安全比较功能的双 重电子结构；2. ATP采用2x2取2的结构，MCT单元作为主处理单元，为保证可靠性，采用 两套MCT来实现，两套MCT输出的制动指令均输出给RLM模块，RLM模 块对制动命令采用或的逻辑进行处理，当两套MCT没有错误吋，根据故障导 #向安全原则，只要有一系存在制动命令，则RLM向车体输出制动命令。而当 有一系存在错误，为了增强可用性，另一系仍然可以继续控制列车运行。MCT 模块内部则采用2取2结构，对关键的输入输出数据进行比较，从而增强安全 性；RLM模块对输入的制动信号采用或的逻辑，在MCT没有故障的情况下，如果 有一系输出制动，则RLM向车体输出制动。如果两系MCT均故障，则RLM 无条件输出制动；根据以上设计原则，可以得到ATP系统逻辑结构如图2-3所示：北京交通j学硕士学位论文基于列车的列控车载系统13m ! JBU& 1,* ,k KB ajkB IkBBI 4 專AurtL:1-Wga BHII十:!.主控模块M教据g模块j主纖族K/CT1 :&： ，.:：ORM愈無擎_纏-t *A*A数字避檢入输块5J.数字麗输入输出采集模块u;眩力传!压力传. 丨感器感器 !(列m i (制动 丨管）：；缸）：压力传： 感器； (均衡 风咖祓块TCD2A A.手动切換?咲 .1端看，:111“手機人：事5态记 录器（预 留）TMISCAN总线LAJS 辅:主机丨至A#、B系、四路DMI、Bm k配触t电源 图2-3 ATP系统体系结构图Fig.2-3 ATP system strcture diagram2.2.2各模块的功能2. 2. 2. 1 MCT 模块MCT模块是ATP系统的核心控制模块。该模块完成的功能如下：1. 根据轨道信息接收天线的信号，解调出轨道电路信息，确定空闲闭塞分区数；2. 接收来自BTM的应答器数据；3. 根据轨道电路信息、应答器信息、列车接口信息等进行列车定位、确定LMA 并生成控制模式曲线；4. 向RLM输出各种制动命令；5. 输出操作端切換命令控制操作端切換模块进行操作端切換；6. 对来自DRM的时间校正信息对时间信息进行校正；7. 对压力传感器采集的压力信息进行处理；8. 向OIM模块输出与TAX箱、LAIS、TMIS、事故状态记录器通信用的各种数 据；9. MCT接收来自DRM模块发送的时间信息对自身的时间信息进行校正；10. 接收来自DMI的临时限速信息和线路数据信息，并存储在FLASH中，在适当 条件下激活临时限速信息和线路数据信息；11. 向DMI输出各种显示及语音提示信息并接收司机通过DMI输入的控制命令；12. 向DRM输出各种记录信息；13. 从DIO模块通过通信采集各种反馈信息。2. 2. 2.2 DRM 模块DRM模块是ATP系统的记录模块，该模块记录ATP系统的各种状态信息、 轨道电路信息、应答器信息、无线列控信息等。另外，DRM模块将从GPS天线接 收的时间信息发送给MCT。2. 2. 2. 3 RLM 模块RLM模块是继电器逻辑模块，该模块接收MCT模块的制动命令及隔离开关 状态，生成继电器制动命令，向车体输出继电器信号；同吋，采集自身的制动反 馈及故障切除反馈，调理后供DIO采集。2. 2. 2.4 0IM 模块OIM模块是对外接口模块，由于TAX箱、LAIS、事故状态记录器、TMIS设 备只有一套，该模块的功能是将两系MCT与这些模块的两路通信信号合并为一路，和TAX箱等设备通信。2. 2. 2. 5操作端切换模块操作端切换模块功能是根据MCT的切換命令进行操作端切換，切换时将I/II 端司机手柄进行切換。2. 2. 2. 6 SCM 模块SCM模块是信号调理模块，该模块功能是：1. 将速度传感器信号、压力传感器信号、BTM CD信号调理后输入给两系MCT;2. 将司机手柄状态、操作端切換手柄状态、隔离开关状态、无线调车灯显设备信 号、司机钥匙信号进行调理，调理后将其输入到两系DIO模块；3. 将鸣笛转换器信号、风扇信号进行调理后输入给DRM进行记录。2. 2. 2. 7 DIO模块DIO模块采集调理后的司机手柄状态、操作端状态信号、操作端切換手柄状 态、隔离开关状态、制动命令反馈状态、故障切除反馈信号、无线调车灯显设备 信号、司机钥匙信号，经过处理后发送给MCT。2. 2. 2. 8 TCD 模块根据MCT模块的锁载频信息接收相应的轨道电路原始信号，解调载频和低频 信息并传输至MCT模块。2. 2.2.9 BTM 模块对于既有的BTM设备，接收应答器信息接收天线上的信息，处理后通过RS422 通讯传输至MCT;同时将信息通过RS422接口传递给DRM进行数据记录。对于新研制的BTM,接收应答器信息接收天线上的信息，处理后通过RS422 通信接口传输至MCT, DRM监听并记录BTM与MCT的通信信息。2. 2. 2. 10 DMI 模块安装在司机操作台，接收来自MCT单元的各种控制信息，通过图形、语音等 方式对司机进行提示;接收司机的控制命令的输入并将有效命令传输至MCT単元。 DMI能够根据MCT发送的通信帧类型的不同，提供供司机查询的TAX箱采集的车体状态。DMI能够接收临时限速的输入，并将其输送给MCT。2. 2. 2.11速度传感器安装于头车的2、3轴轴端，将列车运行转速转化为脉冲信息传输至MCT单 元进行速度计算。对于机车，采用光电式速度传感器。2.2.2.12鸣笛转换器安装在机车的两端司机室内，将司机鸣笛时喇叭的气压信号转换为电信号。2.2.2. 13压力传感器压力传感器给ATP提供列车管、制动缸和均衡风缸的压力采样信号。对于电 力机车共有列车管压力传感器、制动缸压力传感器和均衡风缸I压力传感器3个。 对于内燃机车共有列车管压力传感器、制动缸压力传感器、均衡风缸I压力传感器 和均衡风缸II压力传感器4个。2. 2. 2. 14风扇对ATP系统进行散热降温。2. 2. 2. 15轨道电路信息接受天线轨道电路信息接收天线必须在I端和II端分别安装一套，并且按照在每端第 一轮对前，通过感应线圈接收来自钢轨的軌道电路信息并传输至TCD模块进行解 码处理。2. 2. 2.16应答器信息接收天线安装于机车底部，在经过地面应答器上方时向应答器输出驱动能量以激活应 答器并接收来自被激活应答器的传输信号，而后传输至BTM接收解码单元进行解 码处理。2.2.2. 17监测设备监测设备和DRM模块相连，用于监控ATP当前工作状态。北京交通大学硕士学位论文基于列_车的列控车载系統2.2.2. 18 GPS接收天线GPS接收天线负责GPS信息的采集及传输。2.2. 2. 19 GPS接收主机GPS接收主机负责将GPS接收天线的信号进行解析，将时间信息传输DRM 模块进行处理。2. 2. 2. 20数模转换盒数模转换盒是与光电式速度传感器及双针速度表配套的转换装置，其主要功 能是将速度传感器频率信号转换为20mA的电流信号以驱动双针速度表的实际 速度指针，并根据速度信号计算走行距离，输出里程计驱动信号。2.2.2.21參数下载及升级设备参数下载及升级设备用于向MCT下载控车所需的参数，并对MCT和DRM 模块进行程序升级。2.2.2.22电源模块来自车体的电源，统一经机柜下部的配电盘分配，并经滤波及防浪涌处理后， 针对不同模块的特性，将电源进行调理送至各模块。2.2.3 ATP模块间的接口这里主要介绍本次与本次毕设有紧密联系的模块之间的接口2.2. 3. 1 MCT与TCD之间的接口TCD模块对軌道电路原始数据进行处理，解析出低频和载频等信息通过通信 方式传输给MCT模块，MCT模块利用这些信息进行位置校正和计算模块曲线等 相关处理。为了相对准确的确定轨道电路绝缘节位置,MCT模块与TCD模块之间有一路 I/O接口信号，当轨道电路载频发生变化吋，TCD模块向MCT模块提供该信息。 两系MCT分别与与之相连的TCD的接口完全相同。mmCD信号通信信号信信号 I/O信号RS422RS422图2-4 MCT模块与TCD模块的接口 Fig.2-4 The interface of MCT module and TCD module2. 2. 3.2 TCD及轨道电路接收天线接口I端和II端的两路轨道电路接收天线分别送给TCD1和TCD2, MCT软件通知 TCD当前操作端的状态，TCD根据当前操作端的状态选择相应轨道电路天线信号 进行解码处理。17北京交通大学硕士学位论文基于列车的列控车载系统TCD及轨道电路接收天线接口轨谢!璐鮮 模块 TCD1I蛛机 车喇叭P卿传; 感器丨 (均衡纖:：旺力传，违力传；压力传丨感器1 i惑器：丨;m (列车，（制动.（均衡網切换难丨妙:慮-S . 8.111纖模块,執邀电路解與.株块、彻2事故伏态记 录器（预4 留）TMIS -CAN总线隔离3f关；拼接口嫩TAX.LAIS 織 主机獅、日系、网路DML BTM.风配电盘I电源IiTWWlI速麟:H列车馘：图2-5ng.2o fCD and track circuit recieving wire interface2. 2. 3.3 DRM, TCD及轨道电路接收天线的接口DRM监听操作端切换模块发送给TCD的两路轨道电路天线信号，并对轨道 电路原始信号进行记录。图2-6 DRM, TCD及轨道电路接收天线的接口 Fig.2-6 The interlace of DRM, TCD and track circuit receiving wire2. 2. 3.4 DRM监听MCT和TCD通信的接口DRM监听两系TCD发送给MCT的共4路通信数据。图2-7 DRM监听MCT和TCD通信的接口 Fig.2-7 The interface of DRM monitor MCT communicates with TCD2.2.4子模块架构设计这里主要介绍本次毕设项目接触到的模块，也就是主要介绍DRM模块中的 TCR部分的内容。DRM监听I/II端轨道电路接收天线发送给TCD1和TCD2的四路原始轨道电 路信号，根据MCT发送的操作端选择两路原始轨道电路信号进行记录，并存入 TCR模块的CF卡中；DRM监听4路两系TCD发送给MCT的通信数据，并与轨道电路原始信号一 起存储在TCR的CF卡中。19 DRM模块结构如图2-8所示。图2-8 DRM体系结构Fig.2-8 DRM svstem architecture北京交通大学硕士学位论文结 论#3TCR软件总体设计方案及设计指标3. 1需求分析TCR位于DRM单元内，为独立的功能単元，负责客观、准确地记录各种信 息（通信数据和轨道数据），为提供分析及参考数据。图3-1 TCR模块在ATP体系中的位置 Fig.3-1 Location of TCR in the ATP systemTCR软件的处理器采用DSP28335,主要功能是负责监听接收解码板与主控板 之间的通信内容，同时采集轨道信号数据，整合成记录帧的格式存储于CF卡内。 如图图3-2 TCR软件功能结构图 Fig.3-2 TCR software iunction struction diagram1. 信号记录板（TCR)以监听的方式，接收解码板1发送给主控板1的通信数据, 解码板2发送给主控板2的通信数据，随后将接收的数据加入时间等信息存储 于CF卡内。2. 信号记录板（TCR)以一定的采样频率采集两路轨道电路信号。将采集到的数据添加时间信息，记录在CF卡中。3.1.1 TCR软件功能需求1. TCR软件应具有设备自检功能：设备在上电的时候应该具备对设备进行初始 化处理，对设备ROM进行校验，保证功能代码运转正常，对设备RAM进行 校验，保证存储空间的可读写，对软件要使用的设备进行初始化及使能。2. TCR单元应具有检测通信数据接收正确性及故障指示的功能：TCR软件根据 通信协议中相关的安全校验码进行数据验证，若传输错误则进行故障指示。3. TCR单元应具对轨道数据进行有效性检测功能：TCR采集到的轨道数据之后， 根据适当算法计算轨道信号的基本属性，校验采集数据的有效性，用来判断轨 道信号电路是否完好，并给出数据是否可以用于记录及轨道天状态。4. TCR单元应当具备记录功能：TCR単元作为车载设备的轨道数据记录模块， 实时记录下述各项信息：1. 记录2系軌道数据，轨道电路原始信息至少记录24小吋；2. 数据记录内容至少需要包括如下内容：时间数据：年、月、日、时、分、秒、毫秒控制信息数据：安全计算机状态；实际速度；累计距离；故障信息；轨道电路信号信息；轨道电路解码模块状态信息及载频、低频信息。3. 记录内容应满足对运行状态进行安全分析和事故分析的要求。安全分析和事故 分析的要求是：可完全再现系统的工作状态，即根据记录的通信数据内容，判 决事故时车载设备是否通信正常，根据数字信号处理算法对当时采集的轨道数 据进行轨道信号频率计算，判决是否为车载设备解码设备错误；4. 以文件形式