目前，铁路运输己经担负起了国民经济发展的重要责任，中国铁路发展举世瞩目，拥有世界上最长高速铁路运营里程、最大在建规模以及最多动车组列车。当然，我国高速铁路的快速发展和高效运营离不开铁路各系统的可靠安全运作的有力保障。列控系统作为高速铁路系统核心，在实现列车速度控制、追踪间隔控制发挥着重要作用。轨道电路作为组成铁路信号系统的重要基础设备，它用于检查线路占用情况，将列车运行和沿线信号显示联系起来，传递行车信息，用于调试铁路室内电路的传统模拟盘存在携带不便、通用性差以及测试不完善等缺点，设计的铁路信号室内通用电路测试系统可通过分线柜连接室内系统，对铁路室内信号设备进行调试，并相较于传统模拟盘具有通用性强、测试全面以及便携的特点，具有一定的实用价值及现实意义。

一、铁路信号安全性概念

一般情况下，安全的概念被理解不存在危险、不受到威胁以及不发生事故。在铁路信号领域，铁路系统可靠性与安全性相互关联，相互影响，安全性以可靠性与可维护性为基础，且安全性是系统可靠性更深层次的反映。对于铁路信号系统而言，系统按设备应用环境的严酷度、重要程度、故障影响程度将其分为了安全相关系统和非安全相关系统。安全相关系统指的是系统能实现安全功能或保持安全状态即有故障导向安全的能力。在铁路信号领域，大多设备都是安全相关系统。但安全不是绝对的安全，对于铁路信号的安全性要求，是根据系统或设备的应用环境和重要程度，用一套科学的方法进行详尽的安全性评估，并为各系统或设备分配可容忍风险率，确定系统安全完整性等级。接着通过对设备或系统的设计和调整，使之满足规定的系统危险侧失效率要求，不至于在铁路现场发生列车冒出冒进、冲突等一系列铁路危险侧隐患，从而确定了铁路信号系统安全性。

二、铁路信号室内电路系统设计

铁路信号室内电路测试系统包含上位机及下位机，上位机用于绘制站场图、接受显示状态信息以及发送控制模拟信号设备状态指令。下位机主要由模拟信号设备板卡与主控板卡组成。其中模拟信号设备板卡用于模拟真实室外信号设备并接入室内分线盘，执行室内联锁安全控制。

1、主控板卡设计。主控板由 STM32F407 最小系统以及外围接口组成，用于连接上位机以及模拟室外信号设备。主控板一方面需接收并解析上位机发送的控制指令，通过串行控制总线将信息传递给各扩展模拟信号设备卡; 另一方面需通过串行总线回采各扩展模拟信号设备卡的状态信息，并依据通信帧格式封装成帧进行上传。

2、模拟信号机板卡设计。通过对信号机点灯电路的分析，为模拟出信号机室外部分并达到调试效果，需对模拟信号机单元电路、灯位状态检测电路以及灯丝断丝电路进行设计。为使模拟信号机板卡能够等效出各类信号机，以灯位为设计单位。一架信号机由若干个灯位组成，每个灯位的供电电压为 AC220V，为使 DJ 可靠吸起，须确保回路电流大于 120 mA，为降低功耗并减小体积，使用电容模拟信号机假负载，通过在电容上并联电阻作为泄流回路; 采用发光二极管作为灯光指示单元，通过在发光二极管上串并联二极管以防止其被击穿。为提高测试完整性，在主回路上接入继电器的常闭接点，通过控制接点断开模拟灯丝断丝。

3、模拟转辙机板卡设计。通过对转辙机接口电路进行分析，为模拟出转辙机室外部分并达到调试效果，需对电机阻抗单元、转辙机接点单元、表示回路整流单元以及状态检测单元进行电路安全设计。电机阻抗模拟单元是转辙机板卡设计中的难点部分，须确保三相阻抗一致、支路电流大于 0．6 A，并且需确保模拟部分阻抗体积小功耗低。模拟转辙机板卡采用 10 uf 电容并联470 Ω 电阻模拟转辙机线圈，通过计算，支路电流有效值为 0．83 A，符合设计要求。转辙机内部接点组是转辙机的重要组成部分，可用于切断启动电路接通表示电路，并可通过转辙机内部接点组动静接点的位置判断道岔所处的状态。模拟转辙机板卡使用磁保持继电器对转辙机内部接点组进行模拟。表示继电器是偏极继电器，需通入大于 17 V 的正向电压才能保证其可靠吸起，但表示电路电源是110 V 交流电源，因此需设计整流电路。模拟转辙机板卡采用二极管串联电阻作为整流单元，通过 Mul-tisim 仿真验证，表示继电器上电压平均值为 21 V，能够满足表示继电器吸起要求。

4、模拟轨道电路板卡设计。通过对轨道电路接口进行分析，为模拟出轨道电路室外部分并达到调试效果，需模拟出钢轨单元，并在钢轨的基础上模拟出行车以及断轨等状态。模拟轨道电路板卡使用集中参数对钢轨的分布参数进行模拟，将钢轨信号传输矩阵与等效模型矩阵进行等价，可计算出集中参数阻抗与钢轨一次参数的关系，通过选择钢轨的一次参数以及钢轨的长度值，可得出单节钢轨的等效电路。在调试过程中，需模拟行车以及断轨等操作，主要通过在回路上串接继电器接点，通过使接点断开闭合，模拟出行车以及故障状态。

5、板卡编址电路安全设计。在板卡级联过程中，为区分各类板卡，通过74HC165 级联芯片对各类板卡进行编址。通过对74HC165 并转串级联芯片的并行接口上接入 VCC或 GND，对各类板卡进行二进制编址，可进行各种编码。

6、电路测试结果及分析。现场测试分为板卡功能测试以及整体联锁测试。在现场测试中，将分线盘的线缆与室外信号设备板卡的接口相连，通过观察对应继电器的状态判断模拟盘装置功能是否正常。

（1）板卡功能测试。信号机板卡测试。将信号机板卡接口与分线盘对应灯位的去线与回线相连，观察到模拟信号机板卡指示灯点亮，室内 DJ 吸起，表明信号机板卡功能正常。转辙机板卡测试。将转辙机板卡接口与分线盘引出的 X1 ～ X5 线缆相连，模拟转辙机板卡定位指示灯点亮，同时室内道岔组合 DBJ 吸起，FBJ 落下; 对转辙机进行反位操作，板卡上定位指示灯灭灯，反位指示灯点亮，同时室内 DBJ 器落下，FBJ 吸起，表明转辙机板卡功能正常。轨道电路板卡测试。将轨道电路板卡接口与分线盘引出的发送线与接收线相连，当该轨道区段未被占用时，观察到室内 GJ 吸起，对该轨道区段进行占用操作时，观察到室内 GJ 落下，表明轨道电路板卡功能正常。

（2）整体联锁测试。根据车站信号平面图，计算得出相应数量的各种板卡，进行级联组合，等效出实际车站拓扑。将接口与分线盘引出线缆相连，观察到上位机界面能够显示信号设备的状态。同时按照联锁表进行进路办理，观察到道岔锁闭并转动到规定位置; 当尝试办理未列出的进路以及敌对进路，发现均无法办理。在进行室外信号设备的故障模拟时，例如进行灯丝断丝、道岔挤岔以及钢轨断轨等操作时，测试结果均符合电路安全要求。

根据现场室内设备调试的实际需求，总结传统模拟盘存在的问题与缺陷，利用计算机技术和嵌入式技术设计了具有模块化的通用模拟盘调试系统，提高了系统的通用性、测试项目种类和现场调试效率。

参考文献：

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