一、 背景

　　鐵路平交道口是鐵路與公路的平面交叉，是鐵路安全運(yùn)營(yíng)的重要設(shè)施，隨著鐵路的發(fā)展，道口密度加大，而隨著鐵路提速事故風(fēng)險(xiǎn)也在加大。而安全生產(chǎn)是鐵路運(yùn)輸永恒的宗旨，道口安全是鐵路行車(chē)安全的重要環(huán)節(jié)。嵌入式系統(tǒng)是一種工業(yè)控制領(lǐng)域用途廣泛的系統(tǒng)軟件，有著大家熟悉和友好的用戶界面、統(tǒng)一的編程界面、強(qiáng)大的通訊功能而成為道口自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)改型中首選的操作系統(tǒng)。

　　道口自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)具有友好的交互式用戶界面，安全性能高，工作人員在室內(nèi)即可通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示屏幕看到道口的狀態(tài)，當(dāng)有車(chē)接近道口時(shí)，行人可以通過(guò)道口的信號(hào)機(jī)、語(yǔ)音音箱得到列車(chē)通過(guò)的信息，工作人員通過(guò)顯示器看到列車(chē)報(bào)警信息以及外面設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)自動(dòng)報(bào)警的功能。

　　二、 工作原理及性能指標(biāo)

　　1.工作原理：

     在有平交道口的鐵道線路上、下行方向各設(shè)置四個(gè)磁性踏板開(kāi)關(guān)，以上行方向?yàn)槔?，四個(gè)踏板設(shè)置方法如下：在列車(chē)接近道口800-1000米的位置設(shè)置三個(gè)接 近磁性踏板開(kāi)關(guān)（T1、T2、T3），離開(kāi)道口100-200米的位置設(shè)置一個(gè)出清磁性踏板開(kāi)關(guān)（T7）。下行方向設(shè)置方法與上行方法相同位置相反。當(dāng)鐵 路工人作業(yè)或穿越鐵路的行人無(wú)意觸動(dòng)踏板開(kāi)關(guān)產(chǎn)生動(dòng)作時(shí)有可能產(chǎn)生誤報(bào);當(dāng)磁性踏板開(kāi)關(guān)發(fā)生故障而未得到及時(shí)更換時(shí)有可能產(chǎn)生漏報(bào)，這些在道口報(bào)警系 統(tǒng)中都是不可忽視的問(wèn)題。因而在接近道口方向設(shè)置三個(gè)踏板開(kāi)關(guān)并采用冗余技術(shù)（三取二），當(dāng)列車(chē)通過(guò)三個(gè)接近踏板開(kāi)關(guān)時(shí)，只有當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上踏板開(kāi)關(guān)同 時(shí)動(dòng)作時(shí)才確認(rèn)列車(chē)到達(dá)，從而盡可能地減少誤報(bào)和漏報(bào)的產(chǎn)生。當(dāng)列車(chē)接近道口通過(guò)三個(gè)踏板開(kāi)關(guān)時(shí)系統(tǒng)開(kāi)始計(jì)軸統(tǒng)計(jì)進(jìn)入道口的列車(chē)的軸對(duì)數(shù)，同時(shí)當(dāng)列車(chē)通過(guò) 出清踏板開(kāi)關(guān)時(shí)系統(tǒng)同樣統(tǒng)計(jì)列車(chē)的軸對(duì)數(shù)，當(dāng)列車(chē)出清計(jì)軸停止并與進(jìn)入道口計(jì)軸數(shù)相符時(shí)，表明列車(chē)出清。當(dāng)列車(chē)到達(dá)時(shí)，道口信號(hào)機(jī)白燈熄滅、紅燈閃爍、鳴 響喇叭（或語(yǔ)音報(bào)警），同時(shí)室內(nèi)顯示器上動(dòng)畫(huà)顯示列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)列車(chē)出清后，解除報(bào)警，紅燈滅白燈亮。各個(gè)踏板開(kāi)關(guān)和信號(hào)燈燈絲以及嗽叭的狀態(tài)都顯示在 屏幕上，當(dāng)出現(xiàn)踏板故障、燈絲斷線、揚(yáng)聲器斷線等故障時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)自動(dòng)給出故障提示;同時(shí)記錄每次報(bào)警的開(kāi)始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間以及故障的發(fā)生時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間 等。（用戶界面以及踏板開(kāi)關(guān)的布置[T1至T8為踏板開(kāi)關(guān)]見(jiàn)圖1）

圖1單線道口報(bào)警控制系統(tǒng)用戶界面及踏板開(kāi)關(guān)布置圖

　　2.道口報(bào)警控制系統(tǒng)性能指標(biāo)

　　● 主機(jī)工作環(huán)境：溫度0℃-40℃;相對(duì)濕度75%以下;AC220±30V。

　　● 列車(chē)接近區(qū)段距離≤1200M。

　　● 適應(yīng)列車(chē)運(yùn)行速度：2Km/h-160Km/h。

　　● 列車(chē)進(jìn)入接近區(qū)段3秒鐘（±1秒）報(bào)警開(kāi)始（用踏板的位置確定）。

　　● 道口信號(hào)機(jī)在非報(bào)警狀態(tài)，點(diǎn)亮白燈，熄滅紅燈。

　　● 列車(chē)進(jìn)入報(bào)警范圍，道口信號(hào)機(jī)開(kāi)始報(bào)警，熄滅白燈，兩紅燈交替閃爍，揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警聲音。

　　● 紅燈閃爍頻率為60±5Hz。

　　● 揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音，可以設(shè)定為語(yǔ)言報(bào)警或鐘聲報(bào)警，可以支持廣播功能。

　　● 磁性探頭及道口信號(hào)機(jī)工作環(huán)境：溫度-40℃-70℃;相對(duì)濕度95%以下。

　　三、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1. 硬件設(shè)計(jì)：

　　道口報(bào)警系統(tǒng)主板采用的是PC/104總線模塊化嵌入式計(jì)算機(jī)，PC104總線是專門(mén)為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總 線，其信號(hào)定義和ISA總線一致，但電氣規(guī)范和機(jī)械規(guī)范卻完全不同，是一種優(yōu)化的小型、堆棧式結(jié)構(gòu)的嵌入式總線標(biāo)準(zhǔn)。PC104具有的主要功能有：（1） 小尺寸結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)PC104模塊的機(jī)械尺寸是3.6英寸×3.8英寸，即96mm×90m。（2）堆棧式連接去掉總線底板和插板滑道，總線以“針”和 “孔”形式層疊連接，即PC104總線模塊之間總線的連接是通過(guò)上層的針和下層的孔相互咬合相連，這種層疊封裝有極好的抗震性。（3）降低總線驅(qū)動(dòng)電流， 減少元件數(shù)量和電源消耗，4mA總線驅(qū)動(dòng) 即可使模塊正常工作，每個(gè)模塊的功耗大約1～2W。該模塊上還有CPU芯片、DRAM內(nèi)存、并口、串口、在板支持可讀寫(xiě)的固態(tài)盤(pán)、看門(mén)狗和實(shí)時(shí)時(shí)鐘等,另 外還有I/O模塊、A/D模塊、液晶顯示模塊、鍵盤(pán)輸入模塊和打印輸出模塊等。PC104標(biāo)準(zhǔn)模塊在一塊尺寸很小的單板機(jī)上幾乎集成了普通PC的所有功 能。標(biāo)準(zhǔn)的PC兼容體系結(jié)構(gòu)減少了軟件開(kāi)發(fā)工作量，模塊化、通用化的系統(tǒng)更易于維護(hù)、擴(kuò)展和升級(jí)，減少重復(fù)開(kāi)發(fā)的成本。

　　道口報(bào)警系統(tǒng)中采用研華公司的嵌入式主板PCM3350其CPU選擇的是無(wú)需散熱片和風(fēng)扇的pentium-233嵌入式低功耗芯片。輸入、輸出采用的是PCM3724 板，A口和B口為輸入口，C口為輸出口。嵌入式系統(tǒng)體現(xiàn)了以應(yīng)用為中心，其軟硬件可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行裁減，能適應(yīng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán) 格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。PC/104與普通PC機(jī)是完全兼容的，只是PC/104比普通PC機(jī)的集成度要高，在90x96mm大小的PCB板上，就集成 了CPU、DRAM、顯示、IDE、COM、LPT、Network等驅(qū)動(dòng)接口，PC/104嵌入式計(jì)算機(jī)體積只有一個(gè)肥皂盒大小。PC/104的可靠 性，穩(wěn)定性、抗干擾性也比普通的PC機(jī)好得多，適合用于道口報(bào)警控制系統(tǒng)中。

　　2. 軟件設(shè)計(jì)：

　　下位機(jī)采用的是Microsoft Windows CE操作系統(tǒng)，Microsoft Windows CE是模塊式實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，服務(wù)于空間占有量小、移動(dòng)的32位智能連接設(shè)備，可以滿足多種設(shè)備需要。Microsoft Windows CE提供了更好的兼容性，并支持硬件實(shí)時(shí)處理功能，且具有以下若干新的內(nèi)核服務(wù)：（1）支持嵌套的中斷：這可以讓高優(yōu)先級(jí)的中斷立即被響應(yīng)，而不是等待低 優(yōu)先級(jí)的中斷服務(wù)例程（interrupt service routine，簡(jiǎn)稱ISR）執(zhí)行完成。（1）更好的線程響應(yīng)：高優(yōu)先級(jí)的中斷服務(wù)線程（interrupt service threads，簡(jiǎn)稱IST）調(diào)度延遲的上限更加緊了。線程響應(yīng)的這個(gè)改進(jìn)可以讓開(kāi)發(fā)人員知道線程調(diào)度轉(zhuǎn)換什么時(shí)候發(fā)生，通過(guò)提高監(jiān)視和控制硬件的能力開(kāi) 發(fā)新的嵌入式應(yīng)用程序。（3）更多的優(yōu)先級(jí)別：256個(gè)優(yōu)先級(jí)別（在早期的版本中只有8個(gè)）給予開(kāi)發(fā)人員更大的靈活性控制嵌入式系統(tǒng)的調(diào)度。（4）更好的 控制：對(duì)線程時(shí)間片級(jí)的控制可以支持對(duì)調(diào)度機(jī)制更大的控制。這些服務(wù)使操作系統(tǒng)可以在中斷發(fā)生之后立即進(jìn)行響應(yīng)。Microsoft Windows CE操作系統(tǒng)可以小至200KB，是一個(gè)適合下一代互連工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的理想小體積嵌入平臺(tái)，能從閃存磁盤(pán)中啟動(dòng)，也就避免了暴露在灰塵、高溫、和震動(dòng)環(huán) 境下，從而使它可以適應(yīng)甚至是最惡劣的生產(chǎn)環(huán)境,這些功能使Windows CE成為測(cè)試和測(cè)量設(shè)備以及可編程邏輯控制器等設(shè)備理想的操作系統(tǒng)。

　　上位機(jī)采用的是昆侖通態(tài)的MCGS嵌入板軟件以實(shí)現(xiàn)道口報(bào)警控制系統(tǒng)的清晰的可視化界面、動(dòng)畫(huà)模擬、報(bào)警記錄、故障診斷并提示等功能。 MCGS（Monitor and Control Generated System）嵌入版組態(tài)軟件是一套基于Windows CE操作系統(tǒng)，可用來(lái)快速構(gòu)造和生成監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件包，它為用戶提供了從設(shè)備驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理、流程控制、動(dòng)畫(huà)顯示、報(bào)表輸出等解決實(shí)際工程 問(wèn)題的完整方案和操作工具。MCGS嵌入版組態(tài)軟件具有多任務(wù)、多線程功能，其系統(tǒng)框架采用VC++編程，提供豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)構(gòu)件、動(dòng)畫(huà)構(gòu)件、策略構(gòu)件, 用戶可隨時(shí)方便地?cái)U(kuò)充系統(tǒng)的功能。MCGS嵌入版組態(tài)軟件是近年來(lái)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域興起的一種新型的軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)，開(kāi)發(fā)人員通常不需再編制具體的指令和代 碼，只要利用組態(tài)軟件包中的工具，通過(guò)硬件組態(tài)（硬件配置）、數(shù)據(jù)組態(tài)、圖形圖像組態(tài)等工作即可完成所需應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)工作，它具有二次開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便、開(kāi)發(fā)周 期短、通用性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。在道口報(bào)警控制系統(tǒng)中引入組態(tài)軟件技術(shù)，可以避開(kāi)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)軟件代碼編制問(wèn)題。研發(fā)人員可以根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，組態(tài) 配置出界面清晰直觀、使用便利、維護(hù)量小、可靠性高等高性能和高度專業(yè)化的監(jiān)控軟件系統(tǒng)。MCGS嵌入版組態(tài)軟件系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩大部 分，MCGS嵌入版組態(tài)軟件的組態(tài)環(huán)境由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和運(yùn)行策略五個(gè)部分構(gòu)成。MCGS的運(yùn)行環(huán)境是一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)行系統(tǒng)，能按照“組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)”中的組態(tài)方式進(jìn)行各種處理，完成用戶組態(tài)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和功能。當(dāng)上位機(jī)完成主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)以及相應(yīng)的運(yùn)行策略的組織與調(diào)試后下傳到下位機(jī)，在下位機(jī)上調(diào)試成功后即可。（組態(tài)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2）

　　程序流程采用導(dǎo)向安全機(jī)制，將道口從空閑到列車(chē)通過(guò)到出清分成幾個(gè)狀態(tài)，在相應(yīng)的運(yùn)行策略實(shí)現(xiàn)道口自動(dòng)報(bào)警的功能。步驟如下：（1）組織 MCGS的用戶窗口實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單清晰的可視化界面。（2）利用強(qiáng)大的報(bào)表功能記錄道口的報(bào)警情況并保存在系統(tǒng)中。（3）使用MCGS的運(yùn)行策略能方便的控制流 程并進(jìn)行故障診斷。（4）使用MCGS的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)保證道口報(bào)警控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。（程序流程見(jiàn)圖2）

圖2 程序流程圖

　　四、結(jié)束語(yǔ)

        研發(fā)成果證明在道口報(bào)警控制系統(tǒng)中引入嵌入式系統(tǒng)是可行的，它除使用便利、維護(hù)量小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)外，還具有其它很多明顯的優(yōu)勢(shì)。如系統(tǒng)配置 靈活、開(kāi)發(fā)周期短、通用性強(qiáng)等。此系統(tǒng)除單線以外還開(kāi)發(fā)有雙線和站場(chǎng)的道口自動(dòng)報(bào)警并且已經(jīng)通過(guò)系統(tǒng)調(diào)試，將在鐵路平交道口中得到廣泛應(yīng)用，以減少事故發(fā) 生，保護(hù)國(guó)家和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及和應(yīng)用還可能繼續(xù)開(kāi)發(fā)以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和網(wǎng)絡(luò)傳輸。