Микропроцессорные информационно-управляющие системы

RET

00100010

1

2

(PC8…15) ((SP)), (SP) (SP) - 1,

(PC0…7) ((SP)), (SP) (SP) - 1

RETI

00110010

1

2

(PC8…15) ((SP)), (SP) (SP) - 1,

(PC0…7) ((SP)), (SP) (SP) - 1

NOP

00000000

1

1

(PC) (PC) + 1

Команда безусловного перехода LJMP (L - long - длинный) осуществляет переход по абсолютному 16-битному адресу, указанному в теле команды, т. е. команда обеспечивает переход в любую точку памяти программ.

Действие команды AJMP (А - absolute - абсолютный) аналогично команде LJMP, однако в теле команды указаны лишь 11 младших разрядов адреса. Поэтому переход осуществляется в пределах страницы размером 2 Кбайт, при этом надо иметь в виду, что сначала содержимое счетчика команд увеличивается на 2 и только потом заменяются 11 разрядов адреса.

В отличие от предыдущих команд, в команде SJMP (S - short - короткий) указан не абсолютный, а относительный адрес перехода. Величина смещения reI рассматривается как число со знаком, а, следовательно, переход возможен в пределах - 128...+127 байт относительно адреса команды, следующей за командой SJMP.

Команда косвенного перехода JMP @A+DPTR позволяет вычислять адрес перехода в процессе выполнения самой программы.

Командами условного перехода можно проверять следующие условия:

JZ -- аккумулятор содержит нулевое значение;

JNZ -- аккумулятор содержит не нулевое значение

JC -- бит переноса С установлен;

JNC -- бит переноса С не установлен;

JB -- прямо адресуемый бит равен 1

JNB -- прямо адресуемый бит равен 0;

JBC -- прямо адресуемый бит равен 1 и сбрасывается в нулевое значение при выполнении команды.

Все команды условного перехода содержат короткий относительный адрес, т. е. переход может осуществляться в пределах--128... +127 байт относительно следующей команды.

Команда DJNZ предназначена для организации программных циклов. Регистр Rn или байт по адресу ad, указанные в теле команды, содержат счетчик повторений цикла, а смещение rеl -- относительный адрес перехода к началу цикла. При выполнении команды содержимое счетчика уменьшается на 1 и проверяется на 0. Если значение содержимого счетчика не равно 0, то осуществляется переход на начало цикла, в противном случае выполняется следующая команда.

Команда CJN удобна для реализации процедур ожидания внешних событий. В теле команды указаны "координаты" двух байт и относительный адрес перехода rel. В качестве двух байт могут быть использованы, например, значения содержимого аккумулятора и прямо адресуемого байта или косвенно адресуемого байта и константы. При выполнении команды значения указанных двух байт сравниваются и в случае, если они не одинаковы, осуществляется переход. Например, команда WAIT: CJNE A, P0, WAIT

будет выполняться до тех пор, пока значения на линиях порта P0 не совпадут со значениями содержимого аккумулятора.

Действие команд вызова процедур полностью аналогично действию команд безусловного перехода. Единственное отличие состоит в том, что они сохраняют в стеке адрес возврата.

Команда возврата из подпрограммы RET восстанавливает из стека значение содержимого счетчика команд, а команда возврата из процедуры обработки прерывания RETI, кроме того, разрешает прерывание обслуженного уровня. Команды RET и RETI не различают, какой командой - LCALL или ACALL - была вызвана подпрограмма, так как и в том, и в другом случае в стеке сохраняется полный 16-разрядный адрес возврата.

1.3 Структурная организация систем на основе микроконтроллеров

Во многих случаях функционально-логических возможностей однокристального МК бывает недостаточно. Поэтому можно расширить микропроцессорную систему относительно простыми средствами. Для МПС, построенную на МК48, память программ может быть расширена до 4 Кбайт; память данных - до 320 байт; линии ввода/вывода - практически неограниченно. МПС, построенные на МК51, допускают расширение памяти данных и программ до 64 Кбайт.

1.3.1 Подключение внешней памяти

Функциональная схема подключения внешней памяти программ к МК48 и МК51 показана на рис. 1.13.

Рис. 1.13. Функциональная схема подключения ВПП

При обращении к ВПП МК48 формирует 12 - разрядный адрес, младший байт которого выдается через порт Р0, а старшая тетрада (Р2.0…Р2.3) - через порт Р2. В МК51 всегда формируется 16-ти разрядный адрес. Причем порт Р0 используется в режиме временного мультиплексирования: в начале каждого машинного цикла обращения к ВПП (фаза S2Р1) через порт Р0 выдается младший байт адреса, который должен быть записан во внешний регистр RG по отрицательному фронту сигнала ALE (рис. 1.14); низкий уровень сигнала PME, формируемый в течение фаз S3Р1 ... S4Р1 машинного цикла, разрешает выборку байта данных из ПЗУ, который затем поступает на линии порта Р0 и вводится в микроконтроллер. В качестве регистра RG рекомендуется использовать восьмиразрядный параллельный регистр - защелку типа ИР22. Следует особо подчеркнуть, что на вывод EA ВЕ31 должен быть подан низкий уровень напряжения.



Рис. 1.14. Временная диаграмма работы при обращении к ВПП

В некоторых МПС, рассчитанных на обработку больших массивов данных, РПД может оказаться недостаточно. В этом случае возникает необходимость использования внешнего оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), которое может быть подключено к МК48 так, как это показано на рис. 1.15.

Рис.1.15. Функциональная схема подключения ВПД к МК48

При этом максимальный объем ОЗУ, подключаемый к МК48, может составлять не более 256Ч8 бит. Объем ВПД, подключаемой к МК51, может достигать 64 Кбайт. На рис. 1.16 приведена электрическая схема подключения ОЗУ емкостью 32КЧ8 к МК51.

Рис. 1.16. Электрическая схема подключения ВПД к МК51



Обращение к ВПД возможно только с помощью команд MOVX. Команды MOVX @Ri, A и MOVX A, @Ri формируют восьмиразрядный адрес, который выдается на ОЗУ через порт Р0. Команды MOVX @DPTR, A и MOVX A, @DPTR формируют 16-ти разрядный адрес, младший байт которого выдается через порт Р0, а старший - через порт Р2. Так же как и при работе с ВПП, байт адреса, выдаваемый через порт Р0, должен быть зафиксирован во внешнем регистре по отрицательному фронту сигнала ALE, т.к. в дальнейшем линии порта Р0 используются для чтения или записи информации в/из МК51. При этом чтение информации стробируется сигналом RD, формируемым ВЕ51, а запись - сигналом WR. На рис. 1.17 показана временная диаграмма работы МК51 в режимах обмена данными с ВПД.

Рис. 1.17. Временная диаграмма обмена МК51 с ВПД

1.3.2 Расширение каналов ввода/вывода информации

Как уже указывалось выше число линий ввода/вывода МК-51 во многих реальных применениях оказывается недостаточным. Для расширения каналов ввода/вывода обычно используют такие стандартные схемотехнические приемы как сканирование матрицы датчиков, опрос группы канальных приемо - передатчиков с тремя состояниями на выходе, мультиплексирование входных данных, стробируемый параллельный вывод информации, использование быстродействующего последовательного канала связи и т.д.

В качестве примера расширения числа линий ввода информации рассмотрим фрагмент схемы, приведенной на рис. 1.18. Микросхемы D1 и D2 представляют собой сдвоенные мультиплексоры 4 в 1 типа КП2 (КП12) и могут передавать информацию от 16 двоичных датчиков на четыре линии порта Р1 (Р1.0...Р1.3) МК51. Выводы Р1.4 и Р1.5 используются для выбора группы, состоящей из 4 - х датчиков, опрашиваемых в данный момент времени. Так как нагрузочная способность выходных буферов портов ввода/вывода невысока, то рекомендуется использовать буферные схемы при подключении значительной нагрузки. В рассматриваемом примере эту роль играют инверторы D3. При этом вносимая ими инверсия легко корректируется программным способом.

Рис. 1.18. Схема расширения каналов ввода информации

Расширение каналов вывода информации обычно достигается за счет использования нескольких регистров, стробируемых различными синхросигналами, либо за счет использования последовательного канала связи.

На рис. 1.19 приведен фрагмент схемы с параллельным выводом информации.



Рис. 1.19. Схема расширения каналов вывода информации

Строго говоря, схема на рис.19 реализует параллельно - последовательный вывод информации, т.к. 6 - ти разрядные данные устанавливаются на выходах параллельных регистров D5, D6 последовательно во времени, по мере подачи на их тактовые входы стробирующих импульсов, вырабатываемых на выходах Р1.6 и Р1.7. Разрядность выводимой информации в рассматриваемом примере легко может быть увеличена до 24 бит, если стробирующие импульсы формировать с помощью дешифратора 2 в 4. При этом адресные входы дешифратора следует подключить к выводам Р1.6 и Р1.7, а его выходы - тактовым входам соответствующих параллельных регистров.

При последовательном выводе информации (рис. 1.20) байт данных записывается в буфер данных последовательного порта, работающего в режиме 0. Эти данные выводятся на выход RXD (альтернативная функция вывода Р3.0) в последовательном коде. Вывод данных синхронизируется по выходу TXD (альтернативная функция вывода Р3.1). Эти выходы связаны с соответствующими входами сдвигового регистра типа ИР8, где и осуществляется преобразование последовательного кода в параллельный.



Рис. 1.20. Схема последовательного вывода информации

Как следует из рассмотренных примеров, комбинируя те или иные методы опроса датчиков и вывода информации можно достаточно легко организовать требуемое число каналов ввода/вывода в МПС.

Путем подключения специализированных БИС, входящих в микропроцессорный комплект К580, в МК системе могут быть реализованы различные вспомогательные функции: связь с дисплеем и клавиатурой, многоуровневая программируемая система прерываний, сложная система таймирования, связь с телеграфно-телефонной линией передачи информации т.д. С использованием средств мультиплексирования адресов/данных можно под управлением программы создать МК системы любых требуемых состава и назначения.



2. Программная реализация типовых вычислительных процедур

2.1 Типовые структуры схем алгоритмов обработки данных

В процессе разработки прикладных программ для микропроцессорных систем, построенных на МП К580, и микроконтроллерных систем, построенных на МК48 и МК51, наибольшую сложность представляет разработка программ вычислительных процедур, связанных с ограничениями, накладываемыми особенностями организации МП и МК. К ним относятся:

отсутствие в системе команд МП эффективных и часто используемых операций, таких как умножение и деление (кроме МК51);

малоразрядный формат данных и, следовательно, низкая точность их обработки;

ограниченный диапазон представления данных из-за отсутствия команд обработки чисел с плавающей запятой;

отсутствие операций десятичной арифметики.

Эти ограничения не являются непреодолимыми, однако способы их преодоления являются во многих случаях довольно сложными. В настоящее время разработано значительное количество типовых вычислительных процедур, некоторые из которых будут рассмотрены ниже.

Прежде чем перейти к рассмотрению типовых вычислительных процедур полезно изучить типовые узлы схем алгоритмов, которые широко используются в программах обработки данных.

На рис.2.1…рис.2.6 представлены типовые узлы схем алгоритмов, которые широко используются в программах обработки данных.

Показанная на рис.2.1 дихотомическая (разделенная на две части) структура если - то - иначе применяется в тех случаях, когда необходимо реализовать программный переход к одной из двух вычислительных процедур в зависимости от выполнения некоторого проверяемого условия.

Рис.2.1 Структура если - то - иначе

Структура если - то (рис.2.2) является упрощением предыдущей и используется в тех случаях, когда необходимо реализовать или не реализовывать одну вычислительную процедуру в зависимости от проверяемого условия.

Рис.2.2. Структура если - то

Структура делай - пока (рис.2.3) используется для проверки условия окончания цикла.

Рис.2.3. Структура делай - пока

Представленная на рис.2.4 структура повторяй - до - того как аналогична предыдущей, но порядок следования операторов здесь иной: процедура выполняется до проверки условия.



Рис.2.4. Структура повторяй - до - того как

Структура, процесс - пока приведенная на рис.2.5 представляет собой объединение двух предыдущих структур и позволяет проводить обработку данных по двум независимым процедурам.

Рис.2.5. Структура, процесс - пока

На рис.2.6 показана структура делай - в - зависимости - от, с помощью которой осуществляется выбор действия при многозначных решениях и которая используется для замены цепочек структуры если - то - иначе.

Рис.2.6. Структура делай - в - зависимости - от



Все перечисленные структуры в различных комбинациях встречаются в алгоритмах выполнения типовых вычислительных процедур, а их грамотное использование в программах определяет эффективность вычислений.

2.2 Приемы программирования

Для программирования МП и МК необходимо знать состав команд, быть хорошо знакомым с назначением и расположением регистров, т.е. знать архитектуру микро-ЭВМ.

Этапы составления программы должны выполняться в следующей последовательности:

Определение и анализ задачи;

Составления блок схемы алгоритма решения в общем виде и машинного алгоритма;

Написание программы на языке Ассемблера;

Трансляция программы в машинные коды;

Отладка программы (поиск и устранение ошибок);

Документирование программы.

Сформулируем общие требования, предъявляемые к программам, составленным на языке Ассемблера.

В общем виде любая команда на языке Ассемблера записывается следующим образом:

Метка: Операция Данные; Комментарий

Метка используется для обозначения адреса ячейки памяти, в которой хранится данная команда. Она может состоять из шести символов, не должна включать знаков пунктуации и пробелов, причем первым символом должна быть буква. Метка всегда определяется двоеточием и является необязательным элементом команды. Она применяется только при необходимости.

Операция является обязательным элементом команды. Она представляет собой мнемоническую запись из двух - четырех букв, которые указывают на характер выполняемых действий, например:

HLT - мнемоническое обозначение команды останов МП К580.

Данные - часть команды, в которой может размещаться одно или два восьмиразрядных слова в зависимости от типа команды (адрес ячейки памяти, адрес порта ввода- вывода, непосредственные данные).

Комментарий отделяется от команды точкой с запятой. Комментарием является запись облегчающая понимание назначения команды. Комментарий является необязательной частью команды. Тем не менее, рекомендуется снабжать команды программы комментариями, которые помогают определить роль команды в алгоритме решения задачи.

Следующим шагом в разработке программы является ее трансляция в машинные коды. Обычно эта задача решается с использованием специального ПО - кросс-средств, которые разрабатываются для каждого типа микропроцессора и микроконтроллера отдельно. Однако эта задача может быть решена и вручную.

При ручном методе трансляции рекомендуется выполнить следующую последовательность действий:

Находим КОп каждой мнемоники в таблице команд;

Определяем операнды (данные и адреса), задавшись начальным адресом ячейки памяти (ЯП), где будет располагаться первая команда программы;

Установим адреса ЯП в последовательности каждой команды и операнда.

Процесс отладки программы предназначен для поиска и устранения ошибок, и проводится либо на реальной МП системе, либо на ее эмуляторе. В систему вводится программа с известными данными, и полученные результаты сравниваются с эталоном. Как правило, выполняется несколько тестов.

Последним этапом программирования является документирование. На этом этапе составляется ее описание, указывающее в какой последовательности должны выполняться операции, приводятся алгоритмы выполнения программы, составляются списки, данные, адреса используемые подпрограммы и комментарии. Сложные программы требуют тщательно разработанной документации

2.3 Примеры программ обработки данных в МК51

2.3.1 Примеры использования команд передачи данных

Пример 2.1. Передать содержимое буфера УАПП в РПД по косвенному адресу из R0:

MOV @R0, SBUF; передача принятого по

; последовательному каналу

; байта в РПД

Пример 2.2. Загрузить в указатель данных начальный адрес 7F00H массива данных, расположенного в ВПД:

MOV DPTR, #7F00H; загрузка начального

; значения указателя данных

Пример 2.3. Загрузить управляющее слово в регистр управления таймером:

MOV TCON, #00000101B; загрузка управляющего

; слова

Пример 2.4. Сбросить все флаги пользователя (область РПД с адресами 20H - 2FH):

MOV R0, #20H; задание начального адреса

; области флагов

MOV R1, #0FH; счетчик (длина области

; флагов)

LOOP:MOV @R0, #0; сброс одного байта

INC R0; переход к следующему байту

DJNZ R1, LOOP; цикл

Пример 2.5. Запомнить в ВПД содержимое регистров банка 0. Начальный адрес ВПД - 5000H:

MOV PSW, #01000B; выбор банка регистров 1

MOV R0, #8; счетчик

MOV DPTR, #5000H; определение начального

; адреса ВПД

MOV R1, #0; определение начального

; адреса РПД

LOOP:MOV A, @R1; загрузка текущего байта

MOVX @DPTR, A; передача из аккумулятора в

; ВПД

INC R1; переход к следующему

; регистру

INC DPTR; увеличение адреса

DJNZ R0, LOOP; если R0>0, то повторять

Пример 2.6. Передать данные через последовательный порт со скоростью 500 бит/с. Частота синхронизации составляет , а бит SMOD=0:

CLR TR1; останов таймера Т/С 1;

MOV TH1, #0DBH; автозагружаемое значение

; для получения; скорости

; 500 бит/с,

MOV SCON, #11011100B; установка режима 3 УАПП

MOV TMOD, #00100000B; установка режима 2 Т/С 1

SETB TR1; запуск таймера;

LABEL:JNB T1, LABEL; ожидание окончания

; передачи

CLR T1; очистка флага передачи

MOV SBUF, A; выдача 9 бит данных в

; последовательный порт

Флаг прерывания передатчика Т1 регистра SCON устанавливается аппаратно в конце времени выдачи 8-го бита в режиме 0 или в начале стоп бита в других режимах.

2.3.2 Примеры использования команд арифметических операций

Пример 2.7. Сложить два двоичных многобайтных числа. Оба слагаемых располагаются в РПД, начиная с младшего байта. Начальные адреса слагаемых заданы в R0 и R1. Формат слагаемых в байтах задан в R2:

CLR C; сброс переноса

LOOP:MOV A, @R0; загрузка в аккумулятор

; текущего байта первого

; слагаемого

ADDC A, @R1; сложение байт с учетом

; переноса

MOV @R0, A; размещение байта результата

INC R0; увеличение указателей

INC R!;

DJNZ R2, LOOP; цикл, если не все байты

; просуммированы

При сложении чисел без знака на переполнение укажет флаг C, а в случае сложения чисел со знаком - флаг OV.

Пример 2.8. Умножить целое двоичное число произвольного формата на константу 173. Исходное число размещается в РПД, адрес младшего байта находится в регистре R0. Формат числа в байтах хранится в регистре R1:

MOV A, #0; сброс аккумулятора

LOOP:ADD A, @R0; загрузка множимого

MOV B, #173; загрузка множителя

MUL AB; умножение

MOV @R0, A; запись младшего байта

; частичного произведения

INC R0; увеличение адреса

MOV A, B; пересылка старшего байта

; частичного произведения в

; аккумулятор

XCH A, @R0; предварительное

; формирование очередного

; байта произведения

DJNZ R2, LOOP; цикл, если не все биты

; исходного числа умножены

; на константу

Полученное произведение размещается на месте исходного числа и занимает на один байт больше.

Пример 2.9. Перевести двоичное число, содержащееся в аккумуляторе в двоично-десятичную систему. При таком преобразовании может получиться трехразрядное двоично-десятичное число. Старшая цифра будет размещена в регистре R0, а две младшие в аккумуляторе.

MOV B, #100; загрузка B для вычисления

; количества сотен в числе

DIV AB; определение старшей цифры

MOV R0, A; пересылка в R0 старшей

; цифры

XCH A, B; пересылка остатка исходного

; числа в аккумулятор

MOV B, #10; загрузка B для вычисления

; количества десятков в числе

DIV AB; определение числа десятков

SWAP A; размещение числа десятков

; в старшей тетраде A

ADD A, B; подсуммирование остатка в

; A обе младшие цифры числа

2.3.3 Примеры использования команд логических операций

Пример 2.10. Установить биты 0 - 3 порта 1:

ORL P1, #00001111B; установка P1.0 - P1.3 в 1

Пример 2.11. Сбросить биты 0, 2, 6 порта P2:

ANL P2, #10111010B; сброс битов 0, 2, 6 порта P2

Пример 2.12. Выбрать нулевой регистровый банк:

ANL PSW, #11100111B; сброс битов RS1 и RS0

Пример 2.13. Проинвертировать биты порта 1, соответствующие единичным битам аккумулятора:

XRL P2, A; исключающее ИЛИ порта P2

; и аккумулятора

Пример 2.14. Проинвертировать биты 7, 6, 5 порта 0:

XRL P0, #11100000B; исключающее ИЛИ порта P0

; и константы

Пример 2.15. Проинвертировать биты 0 - 3 аккумулятора:

XRL A, #0FH; исключающее ИЛИ

; аккумулятора и константы



3. Применение микропроцессорных информационно-управляющих систем на железнодорожном транспорте

3.1 Классификация микропроцессорных информационно-управляющих систем на железнодорожном транспорте

В связи с широким развитием микроэлектронной элементной базы на железнодорожном транспорте ведётся разработка и внедрение различных микропроцессорных информационно-управляющих систем (МИУС). Внедрение МИУС позволяет улучшить сервис и повысить качественный уровень управления движением поездов за счет расширения функциональных возможностей, быстрого сбора, обработки и детального анализа информации.

МИУС нашли применение практически во всех отраслях железнодорожного транспорта. К основным таким системам относятся:

автоматизированные системы управления и контроля движения поездов;

автоматизированные системы управления расформированием составов на сортировочных станциях;

автоматизированные системы диспетчерского контроля;

информационные системы обслуживания пассажиров.

3.2 Автоматизированные системы управления и контроля движения поездов

Управление движением поездов является комплексным технологическим процессом, состоящим из множества частных технологических процессов, в реализации которых участвует большое количество людей, технических объектов и систем, различных предприятий и организаций. Автоматизация управления и контроля движения поездов осуществляется микропроцессорными системами железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ), которые составляют один из элементов железнодорожного транспортного комплекса. Современный этап развития систем ЖАТ характеризуется широким использованием для их построения микроэлектронной и микропроцессорной техники. Это позволяет не только существенно расширить функциональные возможности по сравнению с релейными системами, но и требует разработки новых принципов их построения и технической реализации.

Основными автоматизированными системами управления и контроля движения поездов являются:

микропроцессорные системы автоблокировки;

микропроцессорные и компьютерные системы электрической централизации;

системы диспетчерского управления движением поездов;

микропроцессорные устройства контроля исправности подвижного состава;

микропроцессорные локомотивные системы обеспечения безопасности движения поездов;

автоматизированные комплексы для испытания и диагностирования узлов подвижного состава.

Как показывает мировая практика, перспективным решением для повышения безопасности движения поездов и увеличения пропускной способности дороги является применение современных микропроцессорных систем централизации и автоблокировки, в первую очередь - на основных транспортных направлениях. К основным преимуществам микропроцессорных систем централизации, по сравнению с релейными системами, относятся более высокий уровень надежности, наличие встроенного диагностического контроля состояния аппаратных средств централизации и объектов управления и контроля, сокращение капитальных вложений и эксплуатационных затрат, ощутимые улучшения условий труда эксплуатационного персонала. Кроме того, возможность микропроцессорных систем протоколировать и архивировать информацию позволяют определять виновного и способствуют повышению производственной дисциплины и ответственности работников. Аналогичные выводы можно сделать и при рассмотрении систем интервального регулирования движения поездов на перегонах.

Основной проблемой создания полностью электронных систем ЭЦ является обеспечение безопасности их функционирования для процесса движения поездов. Эффективные методы построения безопасных микроэлектронных систем были разработаны в конце 70-х - в 80-х годах, поэтому начало разработок систем ЭЦ на микропроцессорной основе относятся к этому времени. Все методы построения безопасных систем управления основаны на введении в устройства этих систем некоторой избыточности, которая позволяет исключать возможность появления или своевременно обнаруживать и парировать опасные отказы аппаратуры или сбои программных средств. С этой целью устройства микропроцессорной централизации (МПЦ) выполняют в виде двух- или трехкомплектных структур специализированных микроЭВМ, контрольные сигналы которых сравниваются между собой с помощью элементов, отвечающих требованиям безопасности движения поездов. При этом считается, что опасный отказ произойдет при одновременном одинаковом отказе двух (или трех) комплектов, вероятность этого события пренебрежимо мала. Такой подход обычно называют аппаратной избыточностью. При программной избыточности в одном микропроцессорном комплекте аппаратуры дважды решается каждая задача текущего управления. Разрешение выдачи управляющего сигнала принимается только в том случае, если результаты обоих решений идентичны.

На железных дорогах России нашли применение нескольких компьютерных централизаций: системы ЭЦ-ЕМ на базе вычислительного комплекса УВК-РА (ОАО «Радиоавионика») с мажоритарной (трехкомплектной) структурой, системы Ebilock-950 (программная избыточность) и некоторых других. На зарубежных железных дорогах компьютерные и микропроцессорные централизации внедряются с начала 80-х годов. Опыт эксплуатации систем МПЦ показал их преимущества перед релейными системами. Тенденции развития микроэлектронных средств, снижения их стоимости, позволяют утверждать, что с течением времени электронные системы ЭЦ станут основными при оборудовании станций, а разработка релейных централизаций будет прекращена.

Одним из перспективных направлений перехода на компьютерные средства в устройствах станционной автоматики является применение релейно-компьютерных или релейно-процессорных (гибридных) систем, в которых логические функции управления выполняются с помощью вычислительных средств, а непосредственное управление станционными объектами и функции обеспечения безопасности реализуются традиционными средствами на электромагнитных реле. Такой подход позволяет значительно расширить функциональные возможности централизаций, сократить объем материалоемкой аппаратуры и уменьшить сроки проектирования, строительства и монтажа устройств.

Примером гибридной системы релейно-процессорной централизации (РПЦ) является система «Диалог-Ц». Эта система применяется на станциях, оборудованных любой системой релейной централизации, при этом появляется возможность поэтапной модернизации существующих релейных схем. При новом строительстве система "Диалог-Ц" позволяет сократить количество релейной аппаратуры в три - четыре раза по сравнению с блочной маршрутной централизацией.

К системам диспетчерского управления движением поездов, или, как их часто называют, кодовым системам централизации относятся диспетчерская централизация (ДЦ) и станционная кодовая централизация (СКЦ). В этих системах на посту управления и в линейных пунктах управления установлены избирательные устройства, преобразующие управляющие и известительные приказы в коды, посылаемые по общей линейной цепи - каналу связи. В приемной аппаратуре эти коды расшифровываются и воздействуют на управляемые объекты или элементы индикации.

Диспетчерская централизация применяется для управления из центрального поста (ЦП) стрелками и сигналами промежуточных станций, называемых линейными пунктами (ЛП). С одного ЦП можно управлять линейными пунктами одного или нескольких диспетчерских участков. ДЦ позволяет поездному диспетчеру (ДНЦ) руководить движением поездов на участке и непосредственно управлять стрелками и сигналами на ЛП без участия дежурных по соответствующим станциям.

В комплекс устройств ДЦ обязательно входят автоблокировка (или другие устройства, обеспечивающие контроль свободности перегона) на перегонах, ЭЦ на станциях и аппаратура телемеханики. Современные системы ДЦ обладают способностью в автоматизированном режиме выполнять некоторые функции поездного диспетчера, анализировать поездную ситуацию и вырабатывать решения по ее оптимизации, поэтому они являются интеллектуальными экспертными системами.

Функционально в состав автоматизированных систем диспетчерского управления должен входить ряд функциональных подсистем, информационно связанных между собой и дополняющих друг друга.

Подсистема телемеханики, обладающая высокой информативностью, универсальностью, защищенностью сообщений и живучестью, является технической основой автоматизации диспетчерского управления. Для реализации единого подхода и обеспечения совместимости различных систем ДЦ вводится стандартизированный в рамках отрасли протокол обмена сообщениями между устройствами ЦП и ЛП, между отдельными устройствами на ЦП, между региональными и дорожным центрами управления перевозками. Представление информации в подсистеме телемеханики должно быть основано на принципах, обеспечивающих высокую достоверность передачи, безопасность с точки зрения движения поездов и других технологических процессов (для передачи ответственных сообщений), своевременность поступления сообщений. Эти требования могут быть реализованы обоснованным выбором методов модуляции и кодирования информации, скорости ее передачи по каналам связи, способов обработки, а также организации самих каналов связи, их структуры и протоколов работы.

Стандартизированные интерфейсы пользователя (оператора). В настоящее время разработаны нормативные документы, регламентирующие построение пользовательских интерфейсов с точки зрения отображения информации и обработки графиков движения поездов.

Подсистема обработки графиков движения поездов является одной из основных функциональных подсистем автоматизации диспетчерского управления, обеспечивающая планирование поездной работы участка, показывающая результаты этой работы и связывающая между собой системы диспетчерского управления смежных участков и дорог, а также их с системами верхнего уровня планирования и управления перевозками. Практически все системы ДЦ в той или иной степени содержат эту подсистему.

Подсистема линейного уровня включает устройства ЛП, устанавливаемые на станциях. В современных системах ДЦ устройства ЛП интегрируются с управляющими устройствами ЭЦ. Для этого аппаратура ЛП строится на специализированных по показателям безопасности программируемых микропроцессорных контроллерах, выполняющих логические, а в ряде случаев и математические функции, в том числе выполняемые устройствами ЭЦ на станциях, автоблокировки на перегонах (при централизованном расположении аппаратуры) и другими исполнительными средствами. Такой подход позволяет не только сократить объем аппаратуры на станциях, но дает возможность решения ряда оперативных задач на месте их возникновения, использования более эффективных алгоритмов управления, уменьшения суммарной загрузки каналов и времени на обмен информацией. Для этого микропроцессорный контроллер устройств ЛП должен отвечать требованиям безопасности движения поездов, иметь достаточное количество выходов и входов, достаточный объем памяти и высокое быстродействие. Кроме того, контроллер должен иметь порты для увязки со станционными устройствами ДК, с каналами связи, обеспечивать возможность наращивания и комплексирования.

Устройства ДЦ должны обеспечивать: управление из одного пункта стрелками и светофорами раздельных пунктов диспетчерского круга, контроль положения и свободности стрелок и изолированных участков, занятости перегонов и путей на станциях, индикацию показаний станционных светофоров, а также возможность передачи отдельных станций на резервное или автономное управление, автоматическую запись графика исполненного движения (ГИД) поездов. Кроме этого, к современным системам ДЦ предъявляются требования, связанные с выполнением функций ЭЦ, следовательно, обеспечения безопасности движения поездов - возможность изменения направления движения на перегоне при двусторонней автоблокировке и ложной занятости блок-участка, вспомогательного перевода стрелки при ложной занятости стрелочной секции, искусственной разделки маршрута. Команды ТУ, безопасность выполнения которых определяется только устройствами ДЦ и действиями оператора, называют ответственными командами.

При ДЦ управление объектами на ЛП и контроль их состояния осуществляют по каналам связи с помощью телемеханических устройств. Аппаратура ЦП может располагаться на участковой станции, находящейся на границе или внутри данного диспетчерского круга, однако чаще устройства ЦП всех диспетчерских кругов концентрируют в помещении отделения дороги (рис. 3.1). Устройства ЦП включают в себя пульт поездного диспетчера П, табло Т с мнемосхемой участка, кодовые устройства передачи сигналов ТУ и приема сигналов ТС, а также средства фиксации графика исполненного движения. Устройства ЦП каналом связи КС соединены с линейными пунктами ЛП - станциями на участке. Канал связи используется для передачи сигналов ТУ и ТС. Если диспетчерский круг непосредственно примыкает к станции, на которой располагается центр диспетчерского управления, то в качестве канала связи используется физическая воздушная или кабельная линия. Если же центр диспетчерского управления расположен на значительном расстоянии от станций диспетчерских кругов, то используются системы передачи информации с уплотнением каналов.

Рис. 3.1 Структура системы ДЦ

Устройства ЦП алгоритмически и технически значительно сложнее устройств автоблокировки или ЭЦ, а функции, связанные с требованиями обеспечения безопасности, составляют сравнительно небольшую часть от общего комплекса функций устройств ЦП. Поэтому выполнение требований безопасности в устройствах ЦП традиционным путем - введением аппаратной или программной избыточности и специальных безопасных средств контроля функционирования - нецелесообразно, так как потребует значительных и неоправданных затрат. В то же время устройства ЦП, построенные на достаточно мощных компьютерах, как правило, эксплуатируются в условиях регулярного обслуживания и имеют развитую систему диагностики и прогнозирования технического состояния аппаратуры. Кроме того, режим непрерывного круглосуточного функционирования устройств ЦП требует применения в них постоянного резервирования, т.е. установки двух ПЭВМ, одна из которых является основной, а вторая - резервной. В этом случае появляется возможность ввода и передачи ответственных команд последовательно во времени двумя устройствами - основным и резервным, что исключает возможность ошибочного появления ответственной команды и ее выполнения в ЛП, где осуществляется контроль наличия этих команд по специальным меткам, вводимым в них.

Для устройств передачи информации основным методом обеспечения безопасности является введение информационной избыточности в кодовые комбинации команд ТУ и ТС, т.е. передача их помехозащищенными кодами с минимальным кодовым расстоянием не менее dmin = 4. Дальнейшее повышение достоверности передачи информации ТУ достигается введением специальных меток в сообщения с ответственной командой и специальных процедур их обработки, введением квитирования каждой команды ТУ. Перечисленные мероприятия позволяют обеспечить высокую достоверность передачи информации, исключить возможность возникновения ошибок в принимаемой из каналов связи информации для всех сообщений ТУ и ТС, а не только для ответственных. Для обеспечения надежности каналов передачи информации предусматривается их кольцевая структура с основным и резервным каналом связи.

В устройствах ЛП требования безопасности могут выполняться традиционными методами: дублированием аппаратуры с безопасным сравнением контрольных сигналов, программной избыточностью и т.д. Обработка и реализация ответственных команд должна допускаться только при полной исправности устройств ЛП с соответствующим логическим контролем.

Автоматизация контроля технического состояния (диагностика) ответственных узлов ходовых частей вагонов и локомотивов в пути следования - одно из решений задачи повышения безопасности движения поездов. В настоящее время существует множество систем как отечественных так и зарубежных, позволяющих выявлять соответствующие неисправности подвижного состава в пути следования поезда.

В настоящее время существует несколько систем контроля подвижного состава на ходу поезда:

ПОНАБ (аппаратура обнаружения перегретых букс в проходящих поездах);

ДИСК-БКВЦ (базовая подсистема контроля нагрева букс со встроенной подсистемой контроля заторможенных колес);

ДИСК-2 (микропроцессорная система комплексного контроля подвижного состава с использованием микро-ЭВМ);

КТСМ-01Д (комплекс технических средств по модернизации аппаратуры ДИСК-Б);

КТСМ-02 (базовый комплекс с подсистемами контроля нагрева букс и заторможенных колес с оригинальным силовым и напольным оборудованием).

Система ПОНАБ работает на сети дорог более 30 лет. Она физически и морально устарела и уже не выпускается. В середине 80-х гг. ее стали менять на более совершенную аппаратуру ДИСК-БКВЦ.

ДИСК-БКВЦ представляет собой комплексную систему контроля, в состав которой входят несколько подсистем для обнаружения дефектов различных узлов подвижного состава и централизации информации с линейных пунктов контроля.

При этом были выявлены существенные недостатки, негативно влияющие на технические и эксплуатационные параметры. К основным можно отнести низкую помехозащищенность аппаратуры, обусловленную передачей по каналу связи информации в виде амплитудно-модулированного аналогового сигнала. Кроме того, использованный интерфейс не адаптирован к сетям передачи данных и централизации, применяемым на железных дорогах.

Недостаточно высокие эксплуатационные показатели, сложность в настройке и обслуживании аппаратуры ДИСК-БКВЦ заставили разработчиков искать более совершенные технические средства для обнаружения перегретых букс.

В 1986-1987гг инициативной группой авторов была разработана концепция микропроцессорной системы комплексного контроля подвижного состава с использованием микро-ЭВМ, которая была реализована в 1989-1991гг УО ВНИИЖТ и ПКБ «Деталь» (ПО «Фотон») в системе контроля 5-го поколения ДИСК-2.

В ДИСК-2 использована микропроцессорная элементная база и типовые ПЭВМ с принтерами в качестве станционного оборудования. Применены оригинальные алгоритмы компьютерной обработки диагностической информации о состоянии подвижного состава, в том числе реализованы виртуальные педали для ДИСК2-К. Осуществлено измерение длины составов, идентификация ПС по числу осей, вагонов и длине поезда.

В конце 90-х гг. в эксплуатацию была принята разработанная и выпускаемая НПЦ "Инфотэкс" (г. Екатеринбург) аппаратура контроля КТСМ-01 и в 2000 г. ее аналог КТСМ-01Д. Комплекс КТСМ-01 предназначен для модернизации находящейся в эксплуатации аппаратуры ПОНАБ-3, а КТСМ-01Д - модернизации аппаратуры ДИСК-Б. При этом замене подлежит часть перегонного оборудования и полностью станционное. Напольные камеры, датчики прохода осей и силовое оборудование перегонного поста сохраняются. Взамен станционного оборудования устанавливается аппаратура АРМ ЛПК.

В 2001 г. принята в постоянную эксплуатацию аппаратура КТСМ-02, имеющая напольные камеры нового типа и ряд иных усовершенствований.

КТСМ-02 является логическим продолжением развития приборов семейства «КТСМ» и представляет собой систему автоматического контроля, которая может включать одну или несколько подсистем обнаружения дефектов узлов и деталей подвижного состава (букс, колес, тормозов, габарита и т.д.).

Основное назначение комплекса КТСМ-02 заключается в контроле дислокации подвижного состава на участке контроля с целью привязки сигналов к конкретным осям, подвижным единицам и контролируемым поездам, а также координации работы подключенных к нему подсистем и обеспечении информационного взаимодействия через систему централизации.

Комплекс КТСМ-02 состоит из постового и напольного (рис. 3.2) перегонного оборудования, соединенного каналами связи с АРМ ЛПК и по сети СПД ОТН с АРМ ЦПК железной дороги.

Рис. 3.2 Структурная схема комплекса КТСМ-02

В состав базового комплекса входят:

блок силовой коммутационный (БСК-1), обеспечивающий питанием все оборудования КТСМ-02 от основного и резервного источников;

микропроцессорный контроллер периферийный (ПК-05), выполняющий все «интеллектуальные» функции по сбору, обработке и передаче в АРМ ЛПК данных от перегонного комплекса КТСМ-02;

блок управления напольными камерами (БУНК);

напольные камеры малогабаритные (КНМ-05);

датчики счета осей (ДМ-88, ДМ-95, ПЭ-1 и др.);

датчик температуры наружного воздуха (ДТНВ);

концентратор информации КИ-6М;

АРМ ЛПК на базе персонального компьютера с принтером;

комплект монтажных принадлежностей;

комплект эксплуатационных документов.

В качестве станционного оборудования комплекса КТСМ-02 используется персональный компьютер

Информационное взаимодействие подсистем различного назначения в составе локальной сети комплекса КТСМ-02 организовано по протоколу CAN на скорости 500 Кбит/c, а постового перегонного оборудования со станционным по стыку «С1-ТЧ» методом частотной модуляции (V23 МСЭ-Т) со скоростью 1200 бит/с по 2-х проводной линии связи длиной до 30 км (ГОСТ 25007-81), по стыку «RS-232C» (С2, ГОСТ 23675-79) или «RS-485» - по выделенному каналу тональной частоты с 4-х или 2-х проводным окончанием со скоростью от 1200 до 19200 бит/с.

КТСМ-02 комплектуются напольными камерами с креплением на рельс. Их конструкция и функциональные возможности коренным образом отличаются от применяемых в отечественной аппаратуре и исключают основные недостатки, имеющиеся у напольных камер аппаратуры ПОНАБ, ДИСК-Б.

Таким образом, комплексы КТСМ-02 являются современными техническими средствами для обнаружения перегретых букс. Они отвечают требованиям, предъявляемым к аппаратуре, обеспечивающей безопасность движения поездов.

Как показывает опыт эксплуатации комплексов КТСМ-02, наилучшие результаты достигаются при использовании режима централизованного контроля в составе автоматизированной системы контроля подвижного состава (АСК ПС). Она рекомендована ОАО «РЖД» для внедрения на дорогах. При централизованном контроле система обнаружения перегретых букс представляет собой распределенную структуру специализированных аппаратно-программных средств, объединенных сетью передачи данных.

В этом режиме работы технические средства автоматизированной системы можно разделить на следующие функциональные составляющие:

оборудование линейных пунктов контроля (нижний уровень);

система передачи данных на базе концентраторов информации КИ-6М;

аппаратура центрального поста контроля АРМ ЦПК (верхний уровень).

Структура автоматизированной системы контроля АСК ПС приведена на рис. 3.3.

Рис. 3.3 Структура АСК ПС

Аппаратура КТСМ-02 непосредственно подключается и функционирует в составе автоматизированной системы контроля АСК ПС с развитой сетью передачи данных и АРМов различного уровня. В случае централизованного контроля информационные блоки с линейных пунктов поступают в АРМ центрального поста. Здесь они анализируются, и принимается решение о степени аварийности подвижного состава.

Перегретые буксы в поездах выявляются более эффективно, так как используются широкие информационные возможности программно-аппаратных средств АРМ ЦПК. Техническое состояние подвижного состава контролируется оператором центрального поста или сменным техником отдела вагонного хозяйства на основании информации, поступающей с линейных пунктов.

При этом автоматизируются следующие функции:

учет показаний аппаратуры контроля перегрева буксовых узлов вагонов;

слежение за темпом нагрева букс на участке движения поезда;

принятие решения о необходимости остановки поезда для осмотра букс подвижного состава с предаварийным уровнем нагрева при повторяющихся показаниях;

получение дополнительной информации о поезде (графиковый номер, индекс);

дистанционная диагностика состояний аппаратуры и линий связи СПД;

поиск информации и доступ к архивным данным за любой промежуток времени (глубина архива 1 год);

вычисление статистических данных о работе устройств контроля за любой промежуток времени, позволяемый глубиной архива;

передача данных о нагреве букс поездному диспетчеру.

Локомотивные устройства безопасности относятся к системам, которые предназначены для передачи сигнальной информации с пути на локомотив и обеспечения безопасности движения поездов путем автоматического снижения скорости или остановки поезда перед препятствием на пути при помощи тормозных средств. Совокупность сведений о свободности пути, вступлении поезда в зону сближения с препятствием и допустимой скорости движения является информацией о состоянии пути. Составной частью локомотивных устройств безопасности являются устройства автоматической локомотивной сигнализации (АЛС), предназначенные для передачи с пути и приема на локомотиве информации о состоянии пути.

К числу АЛС непрерывного типа нового поколения, реализованных на основе применения микроэлектронной техники, относится система КЛУБ, предназначенная для повышения безопасности движения подвижного состава при выполнении поездной и маневровой работы за счет приема сигналов от путевых устройств АЛС и отображения принимаемой информации машинисту. С целью повышения надежности аппаратура КЛУБ предусматривает 100% активное резервирование своих функциональных модулей. Аппаратурой КЛУБ, начиная с 1994 г., было оборудовано свыше 1400 локомотивов и единиц моторвагонного подвижного состава.

Однако с 1999 года по завершению успешных эксплуатационных испытаний началось серийное производство и внедрение более совершенного по объему выполняемых функций микропроцессорного варианта устройств КЛУБ - унифицированного комплексного устройства безопасности КЛУБ-У.

Функциями системы КЛУБ-У, направленными на обеспечение безопасности движения поездов, являются:

автоматическое включение экстренного торможения при возникновении опасных ситуаций;

обеспечение экстренного торможения по приказу дежурного по станции, передаваемого по радиоканалу связи, независимо от действий машиниста;

исключение прохождения участка с запрещающим сигналом светофора без передаваемого по радиоканалу разрешения дежурного по станции;

исключение самопроизвольного движения локомотива (скатывания);

исключение несанкционированного выключения ЭПК;

непрерывный контроль состояния тормозной системы;

регулярный контроль бдительности машиниста;

контроль совместных действий машиниста и помощника машиниста при трогании поезда и движении к запрещающему сигналу светофора.

К служебным функциям системы КЛУБ-У относятся:

прием и дешифрирование сигналов АЛСН и АЛС-ЕН;

учет категории поезда, типа тяги и длины блок - участков;

регистрация параметров движения в электронной памяти кассеты регистрации;

формирование сигналов достижения значений фактической скорости, равных 2, 10, 20 и 60 км/ч;

информирование машиниста о показаниях светофоров, числе свободных блок-участков впереди поезда, фактической скорости движения с точностью до 1 км/ч и допустимой скорости движения на данном участке пути, координатах местоположения локомотива с точностью до 30 м при помощи спутниковой навигации, расстоянии до контрольных точек (станции, переезда, моста, тоннеля, стрелки, светофора, токораздела, опасного места и др.), хранящихся в электронной карте блока электроники БЭЛ.

Аппаратура системы КЛУБ-У имеет модульную структуру, в которой равноправные независимые модули взаимодействуют друг с другом посредством системной шины. Связь между модулями и с внешними блоками осуществляется по последовательному интерфейсу типа CAN. По интеллектуальному интерфейсу система КЛУБ-У может взаимодействовать с дополнительными устройствами безопасности САУТ и ТС КБМ, а также с системой УСАВП автоматического ведения поезда и другими локомотивными устройствами. В состав КЛУБ-У входят устройства, обеспечивающие взаимодействие локомотивных устройств безопасности со станционными устройствами по радиоканалу.

В настоящее время широкое распространение получают автоматизированные комплексы для испытания и диагностирования узлов подвижного состава. Среди основных достоинств таких комплексов следует выделить снижение трудоемкости диагностического процесса, минимизацию участия оператора в процессе испытаний и повышение достоверности результатов диагностирования. Микропроцессорное устройство для контроля временных параметров токоприемников подвижного состава (УИВП) позволяет в автоматическом режиме производить запись информации о времени подъема и опускания полоза токоприемника из сложенного состояния до максимальной высоты подъема и сохранять информацию во встроенном накопителе информации. Накопленная информация передается в ЭВМ, где она анализируется программным обеспечением, и формируется результат диагностирования в виде протокола испытаний. Переносное устройство УИВП, структурная схема которого представлена на рис. 3.4, включает в себя датчик угловых перемещений (ДУЛ) и цифровой регистратор (ЦР), состоящий из измерительного усилителя (ИУ), аналого-цифрового преобразователя (АЦП), накопителя информации (НИ) и пульта управления (ПУ).



Рис. 3.4 Структурная схема переносного устройства УИВП

После проведения испытаний выход НИ подключается к стационарной ЭВМ для передачи и обработки полученной информации с последующей распечаткой протокола испытаний на принтере.

В соответствии с техническим заданием, утвержденным МПС, ФГУП ВНИКТИ совместно с ОАО «ВЭлНИИ» был разработан технический проект на унифицированную микропроцессорную систему управления и диагностики (МСУД), предназначенную для использования на строящихся и проектируемых магистральных электровозах и тепловозах. Кроме того, система предназначена для модернизации эксплуатируемого тягового подвижного состава различных типов и серий.

МСУД состоит из унифицированной и специализированной частей (рис. 3.5).

Рис. 3.5 Структурная схема системы МСУД

Специализированная часть системы является блочно-модульной, и ее состав зависит от конкретного типа локомотива. Унифицированная часть МСУД состоит из следующих конструктивно законченных функциональных частей:

блок центральный координирующий (БЦК);

дисплейный модуль (ДМ) со встроенной клавиатурой или координатно-указательным устройством;

измеритель температурный (ИТ);

блок управления локомотивом (БУЛ);

устройство энергонезависимое запоминающее (УЭНЗ);

программное обеспечение;

отладочные программно-аппаратные средства.

МСУД обеспечивает бесконтактное управление электрической схемой локомотива, контроль режимов работы локомотивного оборудования, диагностику основных систем и узлов с выдачей информации машинисту о состоянии локомотивного оборудования, межсекционный обмен управляющей и диагностической информацией. МСУД построен по радиально-сетевому принципу. Идеология построения МСУД предусматривает независимость каждой из его составляющих в части выполнения функций управления от других устройств системы, т.е. отказ любого из блоков системы не влияет на работоспособность других устройств, за исключением функций диагностики и автоведения, что не оказывает влияния на живучесть локомотива в целом.

...