摘要：广州地铁2、8号线的信号机系统是由德国西门子信号控制系统（室内）与国产信号机（室外）相结合的。室内给出开放信号的命令与驱动，室外执行开放信号操作。目前2、8号线信号机相关备件只能在试车线一架进行测试，难以满足目前备件测试的需求。本文研究开发一款基于STC89S52单片机控制的信号机备件智能测试平台，该平台能测试信号机相关备件（DESIMO、P继电器、灯丝转换继电器、灯泡）。本文详细描述了信号机备件测试平台的设计原理及硬件电路，希望可以为同行业提供借鉴。
关键词：信号机；备件测试；单片机
1背景概况
广州地铁2、8号线的信号机系统是由德国西门子信号控制系统（室内）与国产信号机（室外）相结合的。采用行车值班员在LOW上操作排列进路命令或相应信号机打开了自排（或追踪）功能，经过联锁计算机判断该信号机是否可以开放信号，把开放信号命令通过光纤发给现场接口柜（DSTT）内的相应信号机对应的STEKOP板，在STEKOP板内通过光模转换，把SICAS的光信号转为模拟信号传给信号机驱动模块（DESIMO）进行相应的灯位转换，DESIMO再将灯位转换命令通过分线架传到信号机内的点灯单元驱动灯位转换，图1为信号机室外原理图。
目前广州地铁2、8号线的色灯信号机相关备件（DESIMO、P继电器、灯丝转换继电器、灯泡）的测试工作主要在赤沙车辆段试车线进行测试，试车线只有一架信号机每次只能测试一套相关备件，测试好的信号机备件数量很难满足现场需求。且目前广州地铁2，8号线的信号机备件测试工作，都是由赤沙车辆段工班完成，每天都需要安排专人过去更换灯泡，往返于赤沙车辆段信号楼与试车线之间，增加了人力的投入。为了更好解决上述问题，开发了信号机备件智能测试平台，该平台一次可以测试3个DESIMO模块、3个P继电器、3个灯丝转换继电器、9个色灯信号机灯泡，可以模拟一架信号机三个灯位进行测试，确保了通过测试备件的可靠性，且在值班房就可以进行备件的测试，进一步提高了信号机备件测试工作的效率。该平台采用了合理化的设计，设置了自动模式和手动模式两种测试模式，可以满足不同场合信号机备件测试的需求。比如，设置自动模式时，就按预先设置好程序进行备件的测试，最后提示测试完成，确保了测试备件的准确性。手动测试时，可以根据测试的需求，手动的进行相应备件的测试。开发该测试平台，能够更好地对信号机灯泡进行测试，从而更好的服务生产。具体的设计原理详见解决方案部分。
图1 信号机室外原理图
2解决方案
本测试平台以STC89C52单片机作为核心控制元器件设计，源代码采用C语言程序开发。电路设计主要分为以下11部分：单片机最小系统电路模块、DESIMO测试模块、灯丝转换继电器测试模块、P继电器测试模块、LED面板显示电路模块、按钮控制电路模块、驱动直流5V，24V继电器电路模块、直流5V电源模块、变压器供电电路模块、信号机点灯电路模块、散热风扇电路模块等部分组成。
2.1单片机最小系统电路模块
采用STC-52系列单片机，STC-52系列单片机是8位单片机，高性能CMOS8位微处理器，是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。它具有4K字节可编程FLASH存储器，128*8位内部RAM两个16位定时器/计数器，低功耗的闲置和掉电模式且支持在线仿真。
2.2.DESIMO测试模块
DESIMO信号接口模块直接提供与信号灯的接口，将电压输给信号灯。也可以通过变压器控制 和监督信号机。信号灯由故障-安全计算机双通道的控制。信号灯的表示靠窗口鉴别器通过工作电流的鉴定进行的。
图2 单片机最小系统电路
图3 DESIMO测试电路
2.3 灯丝转换继电器测试模块
灯丝转换继电器电路分析：当灯丝转换继电器吸起接通时，灯泡主丝点亮；继电器的另外一组接点断开副灯丝，当灯泡主灯丝发生断丝故障时，继电器落下，接点接通副灯丝，信号灯泡副丝点亮；平时灭灯时，继电器落下；报警电路基本原理是这样的，每一架信号机总有一个灯位亮灯，故总有灯丝继电器吸起，报警电路时当一架信号机所有灯丝转换继电器都落下时接通报警电路，室内显示断丝报警；
图4 灯丝转换继电器测试电路
2.4 P继电器测试模块
通过STC89C52单片机模拟STEKOP板输出驱动信号给P继电器，控制P继电器的吸起和落下及测量P继电器的接点电阻，判断P继电器的线圈及接点的好坏。
图5 P继电器测试电路
2.5 LED面板显示电路模块
该模块的设计主要采用的是通过单片机采集信号机灯泡的状态，并把相应点亮信号机的灯泡通过LED灯采集显示出来。如自动模式时测试主灯丝时，通过LED提示主灯丝正在测试，测试副灯丝时，通过LED提示副灯丝正在测试，测试结束后通过LED提示测试完成，另外还设计了手动测试模式，测试主副灯丝时也有LED显示当前测试的状态。
6 LED面板显示电路
2.6 按钮电路模块
采用独立式按键，直接在I/O口线上接上按键开关，每个独立式按键单独占有一根I／0口线，每根I／0口线上按键的工作状态不会影响其他I／O口线的工作状态，即一个按键对应着－个端口输入，每一个按键都有一个按键电路来判断其是否按下。上拉电阻确保按键松开时，I／O口线有确定的高电平。当I／O口线内部有上接电阻时，外电路可以不配置上拉电阻，采用查询方式读取按键。
设置了7个带指示灯的非自复式按钮，第1个是：自动按钮，第二个是：手动按钮，第三个是：主灯丝按钮，第四个是：副灯丝按钮，第五个是：测试DESIMO按钮，第六个是：测试灯丝转换继电器按钮，第七个是：测试P继电器按钮。
图7 按钮电路
2.7 驱动直流5V继电器电路
当晶体三极管基极被输入高电平时，晶体管饱和导通，集电极变为低电平，因此继电器线圈通电，触点吸合。当晶体三极管基极被输入低电平时，晶体管截止，继电器线圈断电，触点断开，对相应的继电器进行控制。通过单片机控制继电器的动作，从而达到自动控制时主副灯丝的自动切换测试及手动控制时的主副灯丝测试等。
图8 驱动直流5V继电器电路
2.8 直流5V，24V电源模块
采用模块化直流5V，24V电源模块，给单片机控制系统供电，保障系统工作的稳定性。
图9 直流5V，24V电源电路
2.9 变压器供电电路
变压器是利用电磁感应原理制成的静止用电器。当变压器的原线圈接在交流电源上时，铁心中便产生交变磁通，交变磁通用φ表示。原、副线圈中的φ是相同的，φ也是简谐函数，表为φ=φmsinωt。由法拉第电磁感应定律可知，原、副线圈中的感应电动势为e1=-N1dφ/dt、e2=-N2dφ/dt。式中N1、N2为原、副线圈的匝数。由图可知U1=-e1，U2=e2（原线圈物理量用下角标1表示，副线圈物理量用下角标2表示），其复有效值为U1=-E1=jN1ωΦ、U2=E2=-jN2ωΦ，令k=N1/N2，称变压器的变比。由上式可得U1/ U2=-N1/N2=-k，即变压器原、副线圈电压有效值之比，等于其匝数比而且原、副线圈电压的位相差为π，通过变压
降压后得到信号机灯泡工作时所需要的工作电压及电流。
图10 变压器供电电路
2.10 信号机点灯电路模块
通过单片机系统进行控制，选择性的对信号机灯泡进行测试，如选择自动模式时，按选择的时间进行信号机灯泡主副丝的测试。如选择手动模式时，按选择的主丝或副丝按钮进行信号机灯泡的主副灯丝的测试。
图11 信号机点灯电路
2.11 散热风扇电路模块
交流散热风扇是利用电磁感应的原理，它是利用交流电的电流随时间改变产生旋转磁场，进而使硅钢片做成的转子旋转，从而带动叶片旋转，从而达到散热的作用，保护设备在稳定的温度下工作，电路原理如下图。
图12 散热风扇电路
软件用C语言进行编写，设置了2种控制方式。自动控制方式和手动控制方式。该装置的软件部分设置3个部分：按钮选择程序，LED指示灯程序，时间程序等，另外设置了手动测试DEWEMO模块、灯丝转换继电器、P继电器。
3完成目标
开发一款基于STC89S52单片机控制的信号机备件智能测试平台，该平台能测试信号机相关备件（DESIMO、P继电器、灯丝转换继电器、灯泡）。
4 应用前景
该产品可以在使用色灯信号机的地铁线路中使用，用于色灯信号机备件的测试。
5 结语
本文通过分析广州地铁二八号线色灯信号机室内室外电路原理，通过单片机模拟信号的开放与关闭，测试信号机室内、室外相关备件，保证了通过测试备件的可靠性。提高了设备维护质量，保障地铁安全高效的运营。
参考文献：
[1] 广州市轨道交通二号线工程信号系统技术规格书，2001
[2] 城市轨道交通岗位技能培训教材—信号检修工.北京：中国劳动社会保障出版社，2010
论文作者:甘鹏
论文发表刊物:《基层建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/7/30
标签：信号机论文; 测试论文; 灯丝论文; 继电器论文; 备件论文; 电路论文; 模块论文; 《基层建设》2019年第14期论文;