本發明涉及軌道交通沙盤動態仿真技術領域，具體為一種鐵路仿真沙盤控制系統。

背景技術：

軌道交通行業是我國迅速發展的基礎行業，隨著現代通信技術、計算機技術、微電子技術、物聯網技術等的發展，進一步提高軌道交通的可靠性、安全性、提高鐵路運行速度和密度，是鐵路管理和運營的關鍵性問題。軌道交通沙盤動態仿真鐵路管理和運營，可仿真現場，也可以設置各類故障，既可以驗證鐵路運營模式效率和安全可靠性、也可以培訓鐵路站務人員和電務人員。

全國各個鐵路相關高校和鐵路運營部門正在大力建設鐵路沙盤，而動態仿真的沙盤的關鍵技術在于沙盤模型的控制系統。沙盤模型控制系統是運用軌道交通鐵道信號專業的知識及單片機相關知識，通過對信號燈、道岔、發車表示器、停車緊急按鈕主控板硬件電路設計，給出列車信息表示，控制模型列車在沙盤軌道上按指令運行，實現列車運行的高效性、安全性、可靠性。

由于鐵路信號沙盤屬于生產數量少，參與公司多，沙盤大小不一，所以公司針對每個沙盤定制相匹配的控制系統。因此現有鐵路沙盤仿真控制系統的不足之處在于：控制系統針對具體沙盤獨立編程，其兼容性和通用性不好。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明的目的在于提供一種能夠提高鐵路沙盤的通用性和兼容性的鐵路仿真沙盤控制系統，技術方案如下：

一種鐵路仿真沙盤控制系統，包括母板，以及對應插裝在母板正反兩面的主控制卡和主控制接口卡；母板上布設有串行數據總線，其正面和反面均設有用于插裝擴展控制卡的擴展插槽；主控制卡包括微控制器，上位機通過主控制接口卡的通信接口將控制命令發送給微控制器，微控制器將數據處理后通過串行數據總線將信息傳遞給各擴展控制卡，通過各擴展控制卡采集到的軌旁設備狀態信息通過串行數據總線回傳給微控制器，微控制器處理后再上傳給上位機。

進一步的，所述擴展控制卡包括控制信號機并讀取信號燈狀態的信號機控制卡，以及控制轉轍機動作，讀取道岔和緊急按鈕狀態的轉轍機及緊急按鈕控制卡；與上述擴展控制卡對應插裝的接口卡分別為提供沙盤上信號機連接接口的信號機接口卡，以及提供沙盤上轉轍機和緊急停車按鈕連接接口的轉轍機及緊急按鈕接口卡。

更進一步的，所述主控制接口卡的通信接口包括網絡接口、RS232接口、RS485接口、RS422接口和TTL接口，上述接口通過撥碼開關進行選擇；其中，RS485接口用于和發車表示器連接。

更進一步的，還包括連接到微控制器用于顯示軌旁設備工作狀的轉轍機狀態顯示單元和信號機狀態顯示單元。

更進一步的，所述微控制器為STM32F103VET6，所述串行數據總線由微控制器STM32F103VET6的SPI接口、板卡上的串入并出移位寄存器74HC595和并入串出移位寄存器74HC165實現級聯。

本發明的有益效果是：本發明利用串行數據總線擴展控制卡，使控制系統適用于不同大小的鐵路仿真沙盤，硬件數量可以根據沙盤大小進行裁剪，軟件經按硬件信息進行配置后即可使用，大大整體了提高鐵路沙盤的通用性和兼容性。

附圖說明

圖1為本發明鐵路仿真沙盤控制系統的功能示意圖。

圖2為本發明鐵路仿真沙盤控制系統的結構示意圖。

圖3為本發明鐵路仿真沙盤控制系統的信息流動圖。

圖4為本發明鐵路仿真沙盤控制系統的控制卡與接口卡對應插裝示意圖。

圖5為板卡配置信息系統工作流程圖。

圖中：1-控制卡；2-母板；3-接口卡。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步向詳細說明。

鐵路仿真沙盤控制系統功能是接收上位機指令，鐵路軌旁設備動作或顯示；另一方面周期性采集沙盤設備狀態，回傳給上位機。系統包括母板，以及對應插裝在母板正反兩面的主控制卡和主控制接口卡；母板上布設有串行數據總線，其正面和反面均設有用于插裝擴展控制卡的擴展插槽；主控制卡包括微控制器，上位機通過主控制接口卡的通信接口將控制命令發送給微控制器，微控制器將數據處理后通過串行數據總線將信息傳遞給各擴展控制卡，通過各擴展控制卡采集到的軌旁設備狀態信息通過串行數據總線回傳給微控制器，微控制器處理后再上傳給上位機。

其中軌旁設備包含轉轍機、信號機、緊急停車按鈕和發車表示器。系統功能如圖1所示。

為了與上位機通信，本是實施例的鐵路仿真沙盤控制系統設計了網絡接口、RS232接口、RS422接口和TTL接口四種接口形式，并用撥碼開關進行選擇。

為了驅動鐵路軌旁設備，控制系統提供了轉轍機接口、信號燈接口、緊急停車按鈕接口和發車表示器接口。

同時，為了顯示軌旁設備工作狀態，在面板上設計了轉轍機狀態顯示、信號機狀態顯示。

本實施控制系統的母板布設有串行信號總線、24V電源線和5V電源線，有12條擴展槽。根據控制對象的屬性設計了四種控制卡，分別是電源卡、主控制卡、信號機控制卡和轉轍機及緊急按鈕控制卡。每一種控制卡對應設計有接口卡，安裝時控制卡和接口卡插在模板的正反面，如圖2所示。

控制系統必須有一塊電源卡、主控制卡及其接口卡；信號機控制卡、轉轍機及緊急按鈕控制卡則根據鐵路仿真沙盤的大小進行擴展。

下面對每一個卡的功能進行描述。

母板：布設有串行數據總線、24V和5V電源總線，并在正反面提供擴展插槽。

電源卡：將交流220V電壓轉換為直流24V和直流5V；

電源接口卡：提供220V交流電源接口和一個旋鈕保險管。

主控制卡：含有微處理器STM32F103VET6、存儲器SST25VF064和各類接口芯片?？膳c上位機通信、數據處理、控制串行數據總線、與發車表示器通信；

主控制接口卡：提供網絡接口、RS232接口、RS485、RS422接口和TTL接口，并通過撥碼開關進行選擇。另提供一路RS485專用接口用于和發車表示器連接。

信號機控制卡：控制信號機并讀取信號燈狀態；

信號機接口卡：提供沙盤上信號機連接接口。

轉轍機及緊急按鈕控制卡：控制轉轍機動作，讀取道岔和緊急按鈕的狀態；

轉轍機及緊急按鈕接口卡：提供沙盤上轉轍機和緊急停車按鈕的連接接口。

控制轉轍機動作，讀取道岔和緊急按鈕的狀態。

串行數據總線由微控制器STM32F103VET6的SPI接口、板卡上的串入并出移位寄存器74HC595和并入串出移位寄存器74HC165實現級聯。如圖3所示，總線傳輸的數據長度和設備的具體數量有關，一個緊急停車按鈕占1位，道岔占2位，信號機里的每個燈占2位。

上位機通過通信接口將控制命令發給微控制器STM32F103VET6，微控制器將數據處理后通過串行數據總線將信息傳遞給各個板卡，軌旁設備的控制信息由74HC595輸出并保持。

當讀取軌旁設備狀態時，各軌旁設備的狀態值由74HC165的并行端口采樣鎖存，然后通過串行數據總線回傳給微控制器，微控制器經處理后上傳給上位機。

母板提供電源接口、主控制卡接口和多個擴展槽，可以根據沙盤的大小選擇插入控制系統的板卡數量。母板控制卡與對應的接口卡必須成對出現，對插結構如圖4所示。

為了滿足鐵路沙盤仿真控制系統的通用性和兼容性，軟件設計后，控制系統在投入使用前用戶僅簡單配置板卡插接順序和數量即可。板卡配置信息系統工作流程如圖5所示。