本发明属于铁路技术领域，提供一种铁路信号机系统的设计方法，以单片机pic18f4580作为其核心处理器实现信号机的智能控制。
背景技术：
随着我国铁路运输事业的发展和现代电子技术和计算机技术的发展运用，铁路信号正在向智能化和网络化方向发展，从原来的继电联锁，到目前已经广泛应用的计算机联锁、微机监测、tdcs系统等，铁路信号正经历着前所未有的变化，而作为铁路信号系统的重要的基础设备—信号机，仍然采用原有的继电联锁控制方式进行点灯。继电联锁控制中的点灯电路中，每架信号机都采用单独的信号点灯电路控制，信号机的每个灯位的控制信号线都需要由机械室的组合架上引出。在现场需要配置许多电缆，存在布好的电缆不便于调整、扩展性差、工作效率低等问题。智能铁路信号机系统是采用计算机网络及控制等多种技术,对传统铁路信号机及其点灯电路进行全新的设计,实现联锁系统到信号机控制指令。智能技术与信号机结合，能实现单点自适应控制、感应控制、定周期控制、多时段控制、手动控制、黄闪控制、绿波控制以及区域控制等多种功能。因此，本发明具有很大的研究价值。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种铁路信号机系统的设计方法，用于解决信号机的智能控制问题；
包含以单片机pic18f4580主控制板作为其核心处理器实现信号机的智能控制；
包括有电源板、车辆信息采集板、信号灯驱动板、背板及单片机pic18f4580
电源板的主要功能是对市电进行整流稳压，输出稳定的5v或3.3v电压；车辆信息采集板的主要功能是实现24路车辆检测器和串口数据的信号采集，并实现24路车辆检测器工作状态的led显示功能；信号灯驱动板的主要功能是实现16路信号灯(分为abcd四组灯)亮/灭的控制及其工作状态的led显示功能，并实现16路信号灯的工作状态信息的采集功能；背板的主要功能是为各个功能板提供通信的通道，各个背板之间通过can总线进行通信；单片机pic18f4580主控制板的主要功能是实现与控制中心的通信，并向信号灯驱动板下发控制方案，起到协调整个铁路信号机系统工作的作用，用户可以进行控制方案的设置：路口基本信息、时段方案、配时方案、节假日方案信息的设置；
电源板包含整流稳压电路、232接口电路和gps接口电路等子模块，其具体功能如下：
1)整流稳压电路主要由直流稳压模块yas30-5v-n和线性稳压芯片lm-1117-3.3构成，直流稳压模块yas30-5v-n可将220v交流电转变成5v的电压输出，5v电压经过线性稳压芯片lm1117-3.3的处理后，得到3.3v的电压输出，从而可为整个铁路信号机系统提供稳定的5v电源或3.3v电源；
2)232接口电路主要用于实现电源板与外部串口设备的通信；
3)gps接口电路主要由天线、gps模块构成，天线可通过背板通道直接连接到单片机pic18f4580主控制板上，构成usb接口电路，整个铁路信号机系统中所使用的gps模块为gps模块-vk1613，具有灵敏度高、定位误差小和支持通道数多优点，并且整个铁路信号机系统通过操作gps模块来校准本地时间；
车辆信息采集板电路由信号采集电路、信号整形电路、串口通信电路、can通信电路、温度采集电路组成，其具体功能如下：
1)信号采集电路由db25接口与门电路芯片sn74hc05组成，外部车辆传感器通过ttl电平的形式向车辆信息采集板提供车流量信息，这些ttl电平通过db25接口引入到采集板，引入到车辆信息采集板的ttl电平经过门电路芯片sn74hc05芯片进行电平翻转操作，从而得到波形较好的信号，以达到信号整形的目的，门电路芯片sn74hc05为集电极开路输出的六组反相器，具有灵敏度高，响应时间短，可在恶劣环境下稳定工作优点，由于外界信号中可能存在噪音脉冲，而这些信号并不是真正的由车辆经过24路车辆检测器所产生的脉冲，因此在门电路芯片sn74hc05芯片的输入中加入去耦电路，用于有效地去除噪声脉冲；
2)经过上步的信号采集电路的工作后，信号经过初步整形及去噪处理，经过信号整形电路的处理可使所采集的信号达到较为理想的波形，有利于核心处理器的识别和处理，信号整形电路由芯片sn74hc04构成，sn74hc04芯片的内部集电极不开路，不需要再接上拉电压及上拉电阻，信号可直接接入到sn74hc04芯片的输入端，在输出端就可以得到比较理想的输出信号；
3)串口通信电路用于与24路车辆检测器之间相互通信，由于24路车辆检测器的对外接口为串口通信，用于与接口为串口形式的24路车辆检测器进行通信，以获取车流量信息；
4)can通信电路主要由can收发器mcp2551、can控制器及其外围电路构成，can收发器mcp2551是can驱动器与物理总线之间的接口，具有容错功能的高速can器件，工作速率为1mb/s，can总线上的各个节点都需要设置一个can收发器mcp2551，以此将can控制器所生成的数字信号转换成差分信号，以利于总线传输，同时，can收发器mcp2551具有滤波功能，可以将can控制器或者can总线上的脉冲信号进行有效过滤，can收发器mcp2551的输出允许连接112个节点；
5)温度采集电路采用改进型的智能温度传感器，可以读取被测的温度值，性能高于传统的热敏电阻，仅需要一根总线与核心处理器连接，读写速度快，一根总线除了具有数据传送的作用，还可以供电，改进型的智能温度传感器具有两个与温度有关的晶振，其中低温度系数的与温度有关的晶振对温度的敏感度较低，而低温度系数的与温度有关的晶振对温度的敏感度较高，与两个与温度有关的晶振相对应的是计数器，计数器对温度寄存器产生影响，计数器在低温度系数的与温度有关的晶振的作用下不断的做减法操作，直至将预置值减为零，此时温度寄存器的值加1，此时，温度寄存器中的值便是当前环境中的值，并且内置有一斜率累加器，斜率累加器的作用是初始化或者修正计数器的数值；
信号灯驱动板由信号灯驱动模块、信号灯状态反馈模块、黄闪控制模块组成，其具体功能如下：
1)信号灯驱动板含有16路信号灯驱动电路，分为a、b、c、d四组，每组又包含红、黄、绿灯驱动电路各一个，16路信号灯驱动电路主要由非门驱动芯片sn74hc05、光电耦合器、双向可控硅芯片及可快速熔断的保险管组成，当单片机pic18f4580主控制板发出点亮一路信号灯的控制命令字时，该命令首先经过由16路信号灯驱动电路；经非门驱动芯片sn74hc05对点亮一路信号灯的控制命令字进行处理后，点亮一路信号灯的控制命令字进入由光电耦合器组成的开关电路，触发光电耦合器的源端工作，从而使光电耦合器导通；当光电耦合器的次端导通后，电流流经双向可控硅芯片的门极电路触发其工作，从而使信号灯与220v的市电构成回路而点亮信号灯；
2)信号灯状态反馈模块的电路由电压比较器芯片lm2902、电流互感器元器件组成，其中电流互感器元器件用于采集信号灯的工作状态信息，而电压比较器芯片lm2902的内部含有四个独立的高增益运算放大器，用于对采集的反馈信号进行比较放大，当信号灯处于正常工作状态时，在电流互感器元器件的次端会有220v的电压经过，在电流互感器元器件的源端便会有感应电流通过，此感应电流为交流电流，经过二极管dd的半波整流后，信号变为直流信号，并且经过由电容及电阻组成的滤波电路处理后，其输出变为较为理想的低频电压信号，将该低频电压信号送入电压比较器芯片lm2902进行电压比较，若电压比较器芯片lm2902的输出保持不变，则说明信号灯处于正常工作的状态，如果其输出状态发生了变化，则说明信号灯工作出现故障，需要及时的维修；
3)黄闪控制模块包含灯驱动主控芯片、单稳态触发器sn74hc122d、ne555电路组成，当灯驱板主控芯片正常工作时，灯驱板主控芯片会持续不断的向单稳态触发器sn74hc122d的负触发段a1、a2发送脉冲信号，使单稳态触发器sn74hc122d的输出端始终处于暂态状态，端的暂态为低电平状态，灯驱板主控芯片所发送的脉冲频率要大于sn74hc122d由暂态回到稳态时的频率，这样才能使单稳态触发器sn74hc122d的输出一直处于低电平状态；此时ne555电路所产生的方波输出信号经过由二极管d4、d5所组成的开关电路进行放电，使方波输出信号无法去驱动信号灯的工作，当灯驱板主控芯片出现故障而无法正常工作时，便失去持续向单稳态触发器sn74hc122d发送脉冲信号的能力，此时，单稳态触发器sn74hc122d的输出端便维持在稳态状态，端的稳态为高电平状态，由二极管d4、d5所组成的开关电路也随之关闭，ne555电路所产生的周期为2s的方波输出信号便进入驱动电路去控制黄色信号灯的亮灭，对外表现形式便是黄色信号灯以周期为3s的时间不短闪烁，从而达到警示作用，其中单稳态触发器sn74hc122d触发器中的高电平high与低电平low公式如下
high＝ln(2)×(r1+r2)×c公式一
low＝ln(2)×r1×c公式二
公式一和公式二中r1、r2为ne555电路中的电阻，c为ne555电路中的电源参数；
背板的具体功能如下：
背板的主要功能是为信号灯驱动板中的主控板、灯驱板、采集板提供can通信的数据通道，同时，背板上固化信号灯驱动板与车辆信息采集板电路的地址(地址范围为000-111)，通过读取地址便可获悉本背板的地址，信号灯驱动板中的主控板的通道便是背板所提供的通道，背板在铁路信号机系统中具有通信桥梁的作用；
单片机pic18f4580主控制板的具体功能如下：单片机pic18f4580主控制板的主要功能是实现与主控中心的通信，通过以太网接口rj45或者3g无线通信模块实现上传或者下载路口控制方案信息，此外，单片机pic18f4580主控制板通过控制信号灯驱动板及车辆信息采集板，使整个系统能够协调稳定的工作，单片机pic18f4580主控制板的核心控制芯片由arm芯片s5pv210构成，是整个铁路信号机系统的控制核心，其上可以运行linux系统，通过预留的rj45接口或者3g无线通信模块，实现与主控中心的通信；并通过max485芯片及其工作电路可实现与三色倒计时牌的通信，通过can总线进行通信，通过lcd显示屏可实现路口方案的配置，通过扩展接口可实现箱门信号、行人过街信号、手动/自动控制信号的接入
。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行详细的说明。应当说明的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，能实现同样功能的产品属于等同替换和改进，均包含在本发明的保护范围之内。具体方法如下：
实施例1：信号灯驱动生成过程
信号灯驱动板的软件包含三个模块：信号灯驱动模块、信号灯运行状态采集模块以及can通信模块。通过can通信模块，信号灯驱动板可以接收来自主控制板所下发的信号灯控制方案，而信号灯驱动模块根据所接收到的控制方案去驱动相应的信号灯工作。同时，信号灯驱动板可利用信号灯运行状态采集模块采集信号灯的运行状态信息，通过对所采集的信息进行处理，可判断信号机所控制的信号灯是否在正常的工作，若其没有工作在正常的工作状态，则通过错误处理机制，首先向主控板发送一条“驱动故障”的信息，然后控制本板所连接的信号灯进行黄闪，从而达到警示作用，并等待主控板进一步的控制；若信号灯能够正常的工作，则可将该信息通过can通信模块上传给主控制板或者主控中心，从而可利用该信息进行路口交通的实时演示。铁路信号机系统启动后，信号灯驱动板首先进行自检。信号灯驱动模块首先发送一组测试数据，然后信号灯运行状态模块采集信号灯的运行状态信息。若信号灯工作不正常，则转到信号灯驱动板的硬件黄闪模块，首先使其处于黄闪状态，然后通过can总线向主控板发送“驱动故障”的信息，并等待进一步的故障处理；若信号灯工作正常，则向主控板发送“驱动正常”的信息，并等待主控制板发送控制方案，信号灯驱动板则根据主控制板所下发的控制方案驱动相应的信号灯工作，在信号灯驱动板正常工作期间，信号灯状态采集模块不断的采集信号灯运行状态，若其运行状态与当前的控制方案不符，则进入故障处理流程，首先转到硬件黄闪模块，使其处于黄闪状态，并向主控制板发送“驱动不正常”的信息，等待进一步的处理。
实施例2：车辆信息采集板的信号采集过程
车辆信息采集板每隔100ms便从db25接口采集一次电平信号，然后每隔500ms便对所采集的电平信号进行一次处理。则在一段时间内，一路检测器所形成的数据记录以及其所对应的波形。一个0-1变化加上一个1-0变化就可构成一个脉冲，即一辆车的数据。对于一个检测器，从0时刻的值开始，依次进行异或运算，0变1会出现一个1，1变0也会出现一个1，这样，在一个时间段内，就会出现若干个1。因为两个1算一个脉冲，即一辆车，所以，用1的个数除以2，取整数(可能出现开始时有一个1-0跳变，或结束时有一个0-1跳变，这样，1的个数就是奇数，被2除不尽)，即可得到这段时间内的车流量。为方便计，0时刻的数据全按“0”计，这样就只可能出现结束时有一个0-1跳变的情况，统计时忽略，即流量误差为-1。
从0时刻开始，600ms后出现0-1上跳变，再过600ms出现1-0下跳变。再过600ms又出现0-1上跳变，过1出现1-0下跳变。过800ms出现0-1上跳变，过600ms出现下跳变。过400ms出现上跳变，过800ms出现下跳变。这样，共有8个1，也就是4个脉冲，即流量为4。
当流量数据统计完成后，根据出现“1”的顺序，计算1-3、3-5、5-7、7-9等的时间间隔，然后将各时间间隔加起来被间隔个数除，即可得到平均车头时距。第一个“1”到第三个“1”之间是1.2s，第三个“1”到第五个“1”之间是1.8s，第五个“1”到第七个“1”之间是1s。共1.2+1.8+1＝4s。平均车头时距为4/3s。
当流量数据统计完成后，根据出现“1”的顺序，用1-2(脉宽)的时间间隔除以1-3(t)的时间间隔，用3-4的时间间隔除以3-5的时间间隔，用5-6的时间间隔除以5-7的时间间隔，以此类推，可得到n个脉冲占有率，最后将n个占有率叠加并除以n，即得到这段时间的平均占有率。第一个脉宽为600ms，第一个t为1.2s，占有率为600/1200＝0.5；第二个脉宽为1000ms，第二个t为1.8s，占有率为1000/1800＝0.55；第三个脉宽为600ms，第三个t为1s，占有率为600/1000＝0.6；第四个脉宽为800ms，第四个t为1.1s，占有率为800/1100＝0.7。平均占有率为(0.5+0.55+0.6+0.7)/4＝0.58。
实施例3：信号机的站场工作过程
以一个三股道车站为例，如下所示：
该站共有信号机架数为7架,分别为x、51、sfl、53、di、d3、ds,共20个灯位s3l、分别是:xu、xl、xh、xd、xzu、sil、sih、sib、slll、sllh、sllb、s3h、s3b、dib、dia、d3b、d3a、dsb、dsa。
以上7架信号机,对应的点灯组合分别是xjx组合、51、sn和53fx组合,以及dx组合,对应需要采集的信号继电器有:
x(lxj、zxj、yxj、txj、ysxj)
51、511、53(lxj、dxj)
di、d3、ds(dx)
通过功能逻辑组合，得到以下可能：
xl＝lxj&zxj&txj&1dj
xiu＝lxj&zxj&！txj&idjorlxj&！zxj&zdj&idj
xzu＝lxj&！zxj&！txj
xh＝＝！lxj&idj
xb＝！lj&yxj
5il-5ilxj&！sidxj
5ih＝！5ilxj&！sidxj
sib＝！silxj&sidxj
slll＝5ilxj&！sidxj
s3l＝silxj&！sidxj
s3h＝！silxj&！sidxj
s3b＝！5ilxj&sidxj
dib＝didxj
dia＝di！dxj
d3b＝＝d3dxj
d3a＝d3！dxj
dsb＝dsdxj
dsa＝ds！dxj
实验表明本发明具有结构简单,便于维护,能够进行自诊断和健康度分析,从而能够大大提高信号机的可操作性与扩展性,并且可以大大减少信号工程的施工量和电缆材料的消耗,节约工程建设投资。