轨道电路机车信号教学实验系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及教学实验系统，特别涉及一种轨道电路-机车信号教学实验系统和方法。
【背景技术】
[0002]近年来，随着我国铁路跨越式发展战略的实施，铁路建设进入了一个前所未有的高速发展时期。伴随着列车不断提速，列车高速运行的安全问题得到越来越多的重视。以保证行车安全，提高运输效率及改善司机的瞭望条件为目标的机车信号已成为保障行车安全的关键设备之一，它也承担着更大更关键的任务。
[0003]以铁路为依托的学校，需要让学生熟悉实践工作环境，进而培养出适应高铁时代的创新性和应用性人才。目前的轨道电路-机车信号系统的教学主要采用实体教学用具。由于实际的真实钢轨和机车信号主机造价昂贵、体积庞大，因此通常的教学方式是将学生带到铁路现场观摩学习；由于进行教学的实际铁路现场通常有严格的运输安全要求且技术系统非常复杂，现场观摩的学习方式无法使学生通过自己的动手实践真正参与到实际的通信信号处理等工作中，因此在教学效果上无法让学生真切的了解轨道电路与机车信号之间的工作过程和所处状态，导致大大减弱了实验教学的效果。如何使学生及相关人员快速掌握这一比较复杂的技术，就成为教学研宄领域的新课题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种基于虚拟仪器的轨道电路-机车信号的教学实验系统和方法，该教学实验系统是一套自动化、实时化和智能化的数据发生和采集分析系统，模拟了现实中轨道电路信号的发送和车载机车信号系统的工作过程，为教学实验提供了平台。
[0005]一种轨道电路-机车信号教学实验系统，包括实验计算机，数据采集卡，机车信号灯控制电路，开关元件，机车信号灯；
[0006]所述的实验计算机包括教学实验单元，所述教学实验单元可以包括信号发生模块，信号采集/解调模块，机车信号灯点灯模块；所述实验计算机与数据采集卡连接，用以向数据采集卡发出指令，并收集和处理由数据采集卡传输的信息；所述信号发生模块用以调制信号并将调制后的信号发出；所述信号采集/解调模块采集信号并将所述采集信号解调后发给机车信号灯点灯模块；
[0007]所述数据采集卡包括信号输出端，信号输入端，数字输出端；
[0008]所述的数据采集卡的数字输出端与机车信号灯控制电路、开关元件、机车信号灯依次连接；所述教学实验单元的机车信号灯点灯模块通过所述数据采集卡控制所述机车信号灯控制电路，所述机车信号灯控制电路通过控制开关元件的开断控制所述机车信号灯。
[0009]另外，所述数据采集卡的信号输出端与信号输入端可以通过导线直接连接。
[0010]另外，还可以包括功率放大器，信号电缆，机车信号线圈；所述数据采集卡的信号输出端与功率放大器连接，所述功率放大器与信号电缆连接，所述信号电缆用以模拟实际的轨道电路发出轨道电路信号，所述数据采集卡的信号输入端与机车信号线圈连接；所述机车信号线圈通过电磁耦合的方式感应信号电缆上的轨道电路信号。
[0011]优选的，还可以包括显示设备，所述实验计算机与显示设备连接；所述教学实验单元还包括信号波形显示模块，用以将信号波形显示在显示设备上。
[0012]优选的，所述机车信号灯可以为双面八显示信号灯。
[0013]一种应用于上述一种轨道电路-机车信号教学实验系统的教学实验方法，可以包括:
[0014]步骤SlO:实验计算机运行机车信号发送程序，产生信号:产生的信号通过数据采集卡信号输出端发出；
[0015]步骤S20:数据采集卡采集信号；
[0016]步骤S30:实验计算机对所述采集信号进行解调，得到解调信息；并根据解调信息做相应的输出，控制机车信号灯控制电路通过开关元件点亮相应的机车信号灯。
[0017]一种应用于上述一种轨道电路-机车信号教学实验系统的教学实验方法，可以包括:
[0018]步骤SlO:实验计算机运行机车信号发送程序，产生信号:产生的信号通过数据采集卡信号输出端发出，经过功率放大器后，加载到信号电缆；通过调节功率放大器的放大倍数来调节信号的强度；
[0019]步骤S20:机车信号线圈通过电磁耦合的方式感应到信号电缆上的轨道电路信号，数据采集卡采集机车信号线圈两端的电压作为采集信号，所述采集信号与信号电缆上的信号成比例关系；
[0020]步骤S30:实验计算机对所述采集信号进行解调，得到解调信息；并根据解调信息做相应的输出，控制机车信号灯控制电路通过开关元件点亮相应的机车信号灯。
[0021]优选的，可以由用户自己编制波形，再送入系统中输出；或将波形的数据保存下来；
[0022]和/或可以进行动画演示，完成对三显示或四显示自动闭塞轨道电路的仿真。
[0023]优选的，还包括:步骤Sll:选择至少一种噪声信号叠加到正常信号上，通过数据采集卡的输出端发出。
[0024]优选的，上述步骤S30的“实验计算机对所述采集信号进行解调，得到解调信息”，所述解调为非相干解调；所述得到的解调信息为载频和/或低频信息。
[0025]本发明的有益效果是，虚拟仪器的运用使得这套系统更具灵活性和扩展性。所述教学实验系统使得相关单位能够以较低的成本开展轨道电路-机车信号相关技术的教学和研宄，提高学生的动手能力，加强学生对轨道电路和轨道信号的认识，使用本发明提供的设备与方法，可以不购置真正的机车信号主机，不搭设真正的钢轨，由此降低了教授学生轨道电路、机车信号的结构、原理以及信号处理技术的教学成本。
【附图说明】
[0026]下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明:
[0027]图1为本发明一个实施例的轨道电路-机车信号教学实验系统的结构示意图。
[0028]图2为本发明一个实施例的轨道电路-机车信号教学实验系统的结构示意图。
[0029]图3为本发明一个实施例的轨道电路-机车信号教学实验系统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0030]为解决现有技术中的不足，本发明提供了多个【具体实施方式】，具体如下:
[0031]实施例1:
[0032]一种轨道电路-机车信号教学实验系统，如图1所示，包括实验计算机，数据采集卡，机车信号灯控制电路，开关元件，机车信号灯。
[0033]所述实验计算机包括教学实验单元。本发明所述的教学实验单元既可以是软件也可以是硬件板卡(下同)，所述教学实验单元包括信号发生模块，信号采集/解调模块，机车信号灯点灯模块。
[0034]所述信号发生模块用以调制信号并将调制后的信号发出。作为本发明的一个【具体实施方式】，所述教学实验单元的信号发生模块控制数据采集卡实时的产生轨道电路FSK信号，信号的制式为ZPW-2000时，FSK信号低频频率为10.3Ηζ、11.4Ηζ、12.5Ηζ、13.6Hz、14.7Ηζ、15.8Ηζ、16.9Ηζ、18.0Ηζ、19.1Ηζ、20.2Ηζ、21.3Ηζ、23.5Ηζ、24.6Ηζ、26.8Ηζ、29.0Hz等，载频频率为1700Hz、2000Hz、2300Hz、2600Ηζ。信号制式为国产移频信号时，FSK信号低频频率为 8.5Ηζ、9.5Ηζ、11Ηζ、12.5Ηζ、13.5Ηζ、15Ηζ、16.5Ηζ、17.5Ηζ、18.5Ηζ、20Ηζ、21.5Ηζ、23.5Ηζ、24.5Ηζ、26Ηζ，载频频率为550Ηζ、650Ηζ、750Ηζ、850Ηζ。信号制式为交流计数时，信号为间歇的25Hz正弦信号。所述信号发生模块，能设置噪声叠加功能，模拟实际中可能碰到的高斯噪声、50Hz及谐波成分、寄生调幅等情况。
[0035]所述信号采集/解调模块采集信号并将所述采集信号解调后发给机车信号灯点灯模块。所述信号采集/解调模块，能设定需要的采集时间和采样频率，数据采集卡采用差分接线方式采集相应时间的时域信号。利用非相干解调法分析该信号频谱，并计算得出轨道电路信号中的载频、低频信息。
[0036]所述实验计算机与数据采集卡连接(比如可以是将数据采集卡直接插入实验计算机的卡槽，通过PCI总线同实验计算机相连接)，用以向数据采集卡发出指令，并收集和处理由数据采集卡传输的信息。所述数据采集卡包括信号输出端，信号输入端，数字输出端。目前所使用的数据采集卡通常会与接线盒连接，由接线盒提供信号输出端、信号输入端、数字输出端，在这种情况下可以将接线盒作为数据采集卡的一个配件；同时，采用自身具有信号输出端，信号输入端，数字输出端的数据采集卡的技术方案也在本发明的保护范围之内。
[0037]所述的数据采集卡的数字输出端与机车信号灯控制电路、开关元件、机车信号灯依次连接。其中，开关元件可以是控制继电器，也可以是其它各种实现开关功能的开关元件，比如光控开关、电磁铁开关等，因此本领域技术人员所了解的开关元件用于本发明的方案均在本发明的保护范围之内。作为实施例1的【具体实施方式】，可以使用铁路中常用的双面八显示信号灯作为机车信号灯，以便教学效果与铁路上的实际使用情况更加接近，这种情况下，可以选择控制继电器作为开关元件(与铁路上现行方式相同)，并设置九个控制继电器分别控制八显示灯及显示灯的闪烁。所述教学实验单元的机车信号灯点灯模块通过所述数据采集卡控制所述机车信号灯控制电路，所述机车信号灯控制电路通过控制开关元件(本实施例采用控制继电器)的开断控制所述机车信号灯。作为本实施例的【具体实施方式】，所述教学实验单元的机车信号灯点灯模块能根据解调得到的低频信息，利用数据采集卡的数字输出端分别控制双面八显示机车信号灯的显示。
[0038]在实施例1中，所述轨道电路-机车信号教学实验系统还可以包括功率放大器，信号电缆，机车信号线圈。所述数据采集卡的信号输出端与功率放大器连接，所述功率放大器与信号电缆连接，所述信号电缆用以模拟实际的轨道电路发出轨道电路信号。通常为了保护功率放大器，需要在功率放大器上串联保护电阻；也可以选择合适参数的功率放大器从而省略保护电阻。所述数据采集卡的信号输入端与机车信号线圈连接。所述机车信号线圈通过电磁耦合的方式感应信号电缆上的轨道电路信号。
[0039]所述的机车信号灯通常还可以与50V直流稳压电源相连接，从而得到电能。
[0040]作为对本实施例的改进，本实施例的所述轨道电路-机车信号教学实验系统还可以包括显示设备(比如显示器、示波器等)用以将波形显示在