嵌入式系統在鐵路道口報警系統中的應用

　　三、 系統設計

　　1. 硬件設計：

　　道口報警系統主板采用的是PC/104總線(xiàn)模塊化嵌入式計算機，PC104總線(xiàn)是專(zhuān)門(mén)為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線(xiàn)，其信號定義和ISA總線(xiàn)一致，但電氣規范和機械規范卻完全不同，是一種優(yōu)化的小型、堆棧式結構的嵌入式總線(xiàn)標準。PC104具有的主要功能有：（1）小尺寸結構，標準PC104模塊的機械尺寸是3.6英寸×3.8英寸，即96mm×90m。（2）堆棧式連接去掉總線(xiàn)底板和插板滑道，總線(xiàn)以“針”和“孔”形式層疊連接，即PC104總線(xiàn)模塊之間總線(xiàn)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(xiàn)驅動(dòng)電流，減少元件數量和電源消耗，4mA總線(xiàn)驅動(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標準模塊在一塊尺寸很小的單板機上幾乎集成了普通PC的所有功能。標準的PC兼容體系結構減少了軟件開(kāi)發(fā)工作量，模塊化、通用化的系統更易于維護、擴展和升級，減少重復開(kāi)發(fā)的成本。

　　道口報警系統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。嵌入式系統體現了以應用為中心，其軟硬件可根據實(shí)際情況進(jìn)行裁減，能適應對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴格要求的專(zhuān)用計算機系統。PC/104與普通PC機是完全兼容的，只是PC/104比普通PC機的集成度要高，在90x96mm大小的PCB板上，就集成了CPU、DRAM、顯示、IDE、COM、LPT、Network等驅動(dòng)接口，PC/104嵌入式計算機體積只有一個(gè)肥皂盒大小。PC/104的可靠性，穩定性、抗干擾性也比普通的PC機好得多，適合用于道口報警控制系統中。

　　2. 軟件設計：

　　下位機采用的是Microsoft Windows CE操作系統，Microsoft Windows CE是模塊式實(shí)時(shí)嵌入式操作系統，服務(wù)于空間占有量小、移動(dòng)的32位智能連接設備，可以滿(mǎn)足多種設備需要。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核服務(wù)：（1）支持嵌套的中斷：這可以讓高優(yōu)先級的中斷立即被響應，而不是等待低優(yōu)先級的中斷服務(wù)例程（interrupt service routine，簡(jiǎn)稱(chēng)ISR）執行完成。（1）更好的線(xiàn)程響應：高優(yōu)先級的中斷服務(wù)線(xiàn)程（interrupt service threads，簡(jiǎn)稱(chēng)IST）調度延遲的上限更加緊了。線(xiàn)程響應的這個(gè)改進(jìn)可以讓開(kāi)發(fā)人員知道線(xiàn)程調度轉換什么時(shí)候發(fā)生，通過(guò)提高監視和控制硬件的能力開(kāi)發(fā)新的嵌入式應用程序。（3）更多的優(yōu)先級別：256個(gè)優(yōu)先級別（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的調度。（4）更好的控制：對線(xiàn)程時(shí)間片級的控制可以支持對調度機制更大的控制。這些服務(wù)使操作系統可以在中斷發(fā)生之后立即進(jìn)行響應。Microsoft Windows CE操作系統可以小至200KB，是一個(gè)適合下一代互連工業(yè)自動(dòng)化設備的理想小體積嵌入平臺，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，從而使它可以適應甚至是最?lèi)毫拥纳a(chǎn)環(huán)境,這些功能使Windows CE成為測試和測量設備以及可編程邏輯控制器等設備理想的操作系統。

　　上位機采用的是昆侖通態(tài)的MCGS嵌入板軟件以實(shí)現道口報警控制系統的清晰的可視化界面、動(dòng)畫(huà)模擬、報警記錄、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，可用來(lái)快速構造和生成監控系統的組態(tài)軟件包，它為用戶(hù)提供了從設備驅動(dòng)、數據采集到數據處理、流程控制、動(dòng)畫(huà)顯示、報表輸出等解決實(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(xiàn)程功能，其系統框架采用VC++編程，提供豐富的設備驅動(dòng)構件、動(dòng)畫(huà)構件、策略構件,用戶(hù)可隨時(shí)方便地擴充系統的功能。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）、數據組態(tài)、圖形圖像組態(tài)等工作即可完成所需應用軟件的開(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、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。在道口報警控制系統中引入組態(tài)軟件技術(shù)，可以避開(kāi)復雜的計算機軟件代碼編制問(wèn)題。研發(fā)人員可以根據系統的具體要求，組態(tài)配置出界面清晰直觀(guān)、使用便利、維護量小、可靠性高等高性能和高度專(zhuān)業(yè)化的監控軟件系統。MCGS嵌入版組態(tài)軟件系統包括組態(tài)環(huán)境和運行環(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、設備窗口、用戶(hù)窗口、實(shí)時(shí)數據庫和運行策略五個(gè)部分構成。MCGS的運行環(huán)境是一個(gè)獨立的運行系統，能按照“組態(tài)結果數據庫”中的組態(tài)方式進(jìn)行各種處理，完成用戶(hù)組態(tài)設計的目標和功能。當上位機完成主控窗口、設備窗口、用戶(hù)窗口、實(shí)時(shí)數據庫以及相應的運行策略的組織與調試后下傳到下位機，在下位機上調試成功后即可。（組態(tài)結構見(jiàn)圖2）

　　程序流程采用導向安全機制，將道口從空閑到列車(chē)通過(guò)到出清分成幾個(gè)狀態(tài)，在相應的運行策略實(shí)現道口自動(dòng)報警的功能。步驟如下：（1）組織MCGS的用戶(hù)窗口實(shí)現簡(jiǎn)單清晰的可視化界面。（2）利用強大的報表功能記錄道口的報警情況并保存在系統中。（3）使用MCGS的運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)數據庫保證道口報警控制系統的可靠性和穩定性。（程序流程見(jiàn)圖2）

圖2 程序流程圖

　　四、結束語(yǔ)

　　研發(fā)成果證明在道口報警控制系統中引入嵌入式系統是可行的，它除使用便利、維護量小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)外，還具有其它很多明顯的優(yōu)勢。如系統配置靈活、開(kāi)發(fā)周期短、通用性強等。此系統除單線(xiàn)以外還開(kāi)發(fā)有雙線(xiàn)和站場(chǎng)的道口自動(dòng)報警并且已經(jīng)通過(guò)系統調試，將在鐵路平交道口中得到廣泛應用，以減少事故發(fā)生，保護國家和人民的生命財產(chǎn)安全。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的普及和應用還可能繼續開(kāi)發(fā)以實(shí)現遠程監測和網(wǎng)絡(luò )傳輸。