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鐵路道口交通控制器的設(shè)計與仿真

文檔作者：張靜之文檔來源： 1．上海工程技術(shù)大學(xué)高職學(xué)院 2．上海市高級技工學(xué)校		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2025年05月09日
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上一篇：鐵路信號供電的可靠性探討

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數(shù)控技術(shù)
鐵路道口交通控制器的設(shè)計與仿真
張靜之，，
(1．上海工程技術(shù)大學(xué)高職學(xué)院上海200437；2．上海市高級技工學(xué)校上海200437)
摘要：本文圍繞鐵路與公路之間交叉路口的交通控制器的設(shè)計與仿真進(jìn)行剖析。設(shè)計過程是依據(jù)時序邏輯電路的設(shè)計步驟進(jìn)行的，以D觸
發(fā)器作為主要控制器件。此外，為了驗(yàn)證設(shè)計結(jié)果的正確性，采用了Multisim軟件對設(shè)計好的電路進(jìn)行仿真測試，以便更好的說明其實(shí)用性和穩(wěn)
定性、安全性等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：交通控制器時序邏輯電路D觸發(fā)器Multisim軟件仿真電子設(shè)計自動化
中圖分類號：TN702 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1007．9416(2011)11-0003—04
1、鐵路道口交通控制器電路設(shè)計要求
圖1．1所示是鐵路和交叉路口的平面位置示意圖，在 和只點(diǎn)
設(shè)置了兩個壓敏元件。為了不讓火車同時壓在兩個壓敏元件上，所
以設(shè)置兩個壓敏元件時兩點(diǎn)之間的距離較遠(yuǎn)。A、B是阻擋汽車通
行的兩個柵門。當(dāng)火車由東向西(或自西向東)通過 、只段，且當(dāng)火
車的任何部分位于兩點(diǎn)之間的時候，阻擋公路的 柵門和B柵門應(yīng)
該同時關(guān)閉，以便正在公路上行駛的汽車停下讓火車先行，當(dāng)火車
通過 、只段且火車的任何部分位于 只之外的時候，阻擋公路的A
柵門和B柵門則同時打開，這時公路恢復(fù)通暢。
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圖1．1交通控制器示意圖
2、鐵路道口交通控制器電路設(shè)計步驟
本課題將按照同步時序邏輯電路的設(shè)計步驟完成交通控制器
電路設(shè)計工作。
2．1由給定的邏輯功能求出原始狀態(tài)圖
根據(jù)設(shè)計要求中對交通控制器整個工作過程的描述，可劃分為
七個狀態(tài)，分別表示為：
：火車在 和 區(qū)間之外(對應(yīng)輸入 ：o0)
：火車自西向東行駛，并壓在 上
S ：火車?yán)^續(xù)自西向東行駛，且位于 和只之間
S ：火車仍自西向東行駛，且壓在 上
S ：火車自東向西行駛，并壓在 上
：火車?yán)^續(xù)自東向西行駛，且位于 和 之間
墨：火車仍自東向西行駛，且壓在 上
10／1
＼
／
00／0
a)
0l，l
1
分別以上述狀態(tài)為現(xiàn)態(tài)，考察在每一個可能的輸入組合作用下
應(yīng)轉(zhuǎn)入哪個狀態(tài)及相應(yīng)的輸出，以火車自西向東行駛并通過交叉路
口的工作過程為例來分析：
當(dāng)火車還沒有進(jìn)入 ， 的區(qū)間時， 、只點(diǎn)對應(yīng)的輸出信號
XI=0，X2=0，柵門 、B應(yīng)該處于打開狀態(tài)，控制 柵門和 柵
門開關(guān)的信號Z：0，此時處于狀態(tài)S中。
當(dāng)火車自西向東行駛壓在了 點(diǎn)上時， 點(diǎn)對應(yīng)的輸出信號
= 1，由于 與 點(diǎn)之間相距較遠(yuǎn)，使火車沒有壓到只點(diǎn)，
= 0。此時火車正在接近交叉路口，出于對公路上汽車的安全考
慮，柵門 、 應(yīng)該關(guān)閉處于警報和保護(hù)狀態(tài)，信號Z：1，即電路由
S狀態(tài)進(jìn)入到 ，狀態(tài)，如圖2．3所示。圖中的圓圈表示觸發(fā)器的狀
態(tài)，箭頭表示從一個狀態(tài)過渡到另一個狀態(tài)，箭頭旁邊的有斜線
“／”分開的代碼分別表示產(chǎn)生過渡的條件和在此條件下產(chǎn)生的輸
出狀態(tài)。例如，從 狀態(tài)進(jìn)入到 狀態(tài)的箭頭旁邊有“10／1”，表示
= 1，X2=0時，電路的輸出信號Z：1。
當(dāng)火車駛?cè)肓?和 之間， 和 都沒有被火車壓到，對應(yīng)的
輸出信號Xl=0，X2=0，此時柵門 、 必須保持關(guān)閉狀態(tài)，控制
柵門A、B的輸出信號Z：1，這樣才能保證公路上汽車和行人的安
全。電路由 ，狀態(tài)進(jìn)入到S 狀態(tài)。
火車?yán)^續(xù)自西向東行駛經(jīng)過只點(diǎn)上時， 點(diǎn)對應(yīng)的輸出信號
= 1。此時火車還沒有完全通過交叉路口，為了公路上汽車和行
人的安全，柵門 、 仍然保持關(guān)閉狀態(tài)，控制柵門A、B的輸出信
號z：l，電路由 狀態(tài)進(jìn)入到 狀態(tài)。
當(dāng)火車已經(jīng)通過了只點(diǎn)后，說明火車已經(jīng)順利通過了交叉路
口，此時的 、只的對應(yīng)的輸出信號Xi=0，X2=0，此時可以將柵
門A、B打開使公路交通恢復(fù)通暢，所以控制柵門 、 的輸出信
號Z：0，電路由受狀態(tài)進(jìn)入到 狀態(tài)。
同理可以分析出火車自東向西的工作過程和與之對應(yīng)狀態(tài)轉(zhuǎn)
移和輸出。通過以上分析便可求得符合題意的狀態(tài)圖如圖2．1a)所
刁 。
OO／0
圖2．1交通控制器的狀態(tài)圖
b)
船
木事技數(shù)廣一與應(yīng)用
●
十一
l 萬方數(shù)據(jù)
數(shù)控技術(shù) 。l!與 應(yīng)用
2．2狀態(tài)化簡
分析交通控制器的狀態(tài)圖和狀態(tài)表，可以發(fā)現(xiàn) 和 、 和
S 以及 和 是等價的可以進(jìn)行合并，如圖2．1b)所示，與之對應(yīng)
的狀態(tài)表如表2．1所示。
表2．1交通控制器簡化后的狀態(tài)表
00 0l 11 10
Sl sl／0 S5／l ×／x S2／1
S2 S2／1 S4／1 ×／× S2／1
S4 Sl／0 S4／1 ×／× S4／1
S5 S5／1 S5／1 ×／× S4／1
顯然，狀態(tài)化簡使?fàn)顟B(tài)數(shù)目減少，從而可以減少電路中所需觸
發(fā)器的個數(shù)或門電路的個數(shù)。
2．3狀態(tài)編碼、并畫出編碼形式的狀態(tài)圖及狀態(tài)表
對交通控制器進(jìn)行狀態(tài)分配：通過上面的分析最終得到四個狀
態(tài)，用2位二進(jìn)制代碼組合進(jìn)行表示，即：Si=00、 ，=01、 =11、
S =l0，這一分配結(jié)果可用狀態(tài)分配表2．2所示。圖2．2所示為交通
控制器化簡后的編碼形式的狀態(tài)圖。由編碼形式的狀態(tài)圖可得到交
通控制器編碼后的狀態(tài)表，如表2．3所示。
表2．2交通控制器狀態(tài)分配表
0 1
0 S1 S2
l S5 S4
00／0
表2．3交通控制器編碼后的狀態(tài)表
＼ 。 2 00 01 1 1 l0
Q。 Q：
00 00／0 l0／1 ×／x 01／1
01 0l／1 1 1／1 ×／x 01／1
l1 00／0 11／1 ×／x ll／1
10 10／1 10／1 ×／× ll／1
2．4選擇觸發(fā)器的類型及個數(shù)
本設(shè)計采用的是D觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)交通控制器的控制。D觸發(fā)
器的個數(shù)數(shù)選擇公式(2．1)為：
2 ～’'CLK lO 5 鄱門A _
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豳以D觸麓器為核心的交通控制墨I(xiàn) ’^一
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圖3．1編輯電路原理圖
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圖4故障現(xiàn)象查詢界面及向?qū)Р樵兘缑?
過顯示單元，用簡單人機(jī)對話的方式選擇故障現(xiàn)象，通過運(yùn)行推理
程序，按照一定的策略進(jìn)行推理。診斷專家系統(tǒng)以專家知識、經(jīng)驗(yàn)為
基礎(chǔ)，模仿領(lǐng)域?qū)＜医鉀Q復(fù)雜問題的思維過程，這就使普通維修人
員同樣能對故障做出具有專家級水平的診斷結(jié)論。
利用專家系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)設(shè)計數(shù)控機(jī)床故障診斷系統(tǒng)，可為
現(xiàn)場技術(shù)維修人員快速完成故障定位并進(jìn)行故障維修提供幫助，具
有較強(qiáng)的實(shí)際意義。
參考文獻(xiàn)
[1]孫海山，余愚，蔣永華．故障樹分析方法在數(shù)控機(jī)床故障診斷中的
應(yīng)用[J]．機(jī)床工具制造業(yè)，2007．3．
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術(shù)研討會論文集，2003．9．
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中的應(yīng)用[J]．機(jī)床與液壓，2006(8}．1 35—1 37．
? ? 上接第5頁
Z
圖3．2時序控制電路波形圖
第三步： 和 點(diǎn)上的壓敏元件是從Basic元件庫中取出的兩
個單刀雙擲開關(guān)(SPDT)來代替，當(dāng)開關(guān)向上打，模仿火車已壓在壓
敏元件上，輸入信號為1；而如開關(guān)打到下端，則模仿火車沒有壓著
壓敏元件，相應(yīng)的輸入信號為0。兩開關(guān)的上下搬動，分別設(shè)置為按
鍵盤上的A、B鍵來進(jìn)行。
第四步：輸出信號控制的兩個柵門A和B分別用兩個數(shù)字指
示器(Probe)來模擬。當(dāng)輸出z：1時，Probe發(fā)光，表示兩個柵門關(guān)
閉；而輸出Z：0時，Probe不發(fā)光，則表示柵門打開為了可靠發(fā)光，
Probe的發(fā)光門限設(shè)置為4V。
第五步：為了進(jìn)行Real仿真，在電路中已經(jīng)有了5V數(shù)字電源的
基礎(chǔ)上，還要示意屬性地設(shè)置一個數(shù)字接地端，否則得不到正確的
結(jié)果。
第六步：編輯好電路后，啟動Simulate菜單中的D~Ral Simu一
[4]張朝陽，張代勝等．基于故障樹分析法的汽車故障診斷專家系統(tǒng)
的研究【D]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2003．34．
[5]周輝，方建軍．基于數(shù)據(jù)庫的數(shù)控機(jī)床故障診斷專家系統(tǒng)．電腦知
識與技術(shù)[J]．2009．1．
作者簡介
周輝(1 9 7 2一)，女，北京市人，工程碩士，北京市工貿(mào)技
師學(xué)院教師，高級講師，主要研究方向：機(jī)電工程、數(shù)控教
學(xué)．
基金項目
北京市工貿(mào)技師學(xué)院教學(xué)研究基金資助項目，項目名稱：數(shù)控
機(jī)床典型故障診斷與維修的研究，項目標(biāo)號：GMKY20 1 00 6
lation命令在打開的Digital Simulation Settings對話框中選擇Real
項，然后再啟動電路的仿真開關(guān)，進(jìn)行仿真觀察。
第七步：通過點(diǎn)擊 、 、A、A順序來進(jìn)行火車從西向東開過
的模擬；通過點(diǎn)擊A、A、B、B順序來進(jìn)行火車從東向西開過的模
擬，仿真出的時序圖如圖3．2所示。
如果用其他順序來操作，將產(chǎn)生錯誤的結(jié)果，但這不影響電路
的正確性，因?yàn)槠渌樞虿僮髟趯?shí)際情況下是不可能出現(xiàn)的。
4、結(jié)語
本課題結(jié)合實(shí)際的需要和設(shè)計的要求，確立r一個基于I)觸發(fā)
器的交通控制器的設(shè)計方案，其設(shè)計方法為時序邏輯電路的設(shè)計方
法。為了進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計的正確性，通過Multisim軟件對電路僅進(jìn)
行仿真，仿真結(jié)果符合設(shè)計要求，結(jié)果正確，達(dá)到 預(yù)期的目的。
參考文獻(xiàn)
[1]康華光．電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分(第四版)[H]．北京：高等教育
出版社，2000．
[2]鄭步生，吳渭．Multisim2001電路設(shè)計及仿真入門與應(yīng)用[H]．北京：
電子工業(yè)出版社，2002．
[3]郭勇．EDA技術(shù)基礎(chǔ)(第二版)[H]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005．
基金來源
上海工程技術(shù)大學(xué)高職學(xué)院科研項目。

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