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鐵路道口交通控制器的設計與仿真

文檔作者：張靜之文檔來源： 1．上海工程技術大學高職學院 2．上海市高級技工學校		點擊數：	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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數控技術
鐵路道口交通控制器的設計與仿真
張靜之，，
(1．上海工程技術大學高職學院上海200437；2．上海市高級技工學校上海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計與仿真進行剖析。設計過程是依據時序邏輯電路的設計步驟進行的，以D觸
發器作為主要控制器件。此外，為了驗證設計結果的正確性，采用了Multisim軟件對設計好的電路進行仿真測試，以便更好的說明其實用性和穩
定性、安全性等優點。
關鍵詞：交通控制器時序邏輯電路D觸發器Multisim軟件仿真電子設計自動化
中圖分類號：TN702 文獻標識碼：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
設置了兩個壓敏元件。為了不讓火車同時壓在兩個壓敏元件上，所
以設置兩個壓敏元件時兩點之間的距離較遠。A、B是阻擋汽車通
行的兩個柵門。當火車由東向西(或自西向東)通過 、只段，且當火
車的任何部分位于兩點之間的時候，阻擋公路的 柵門和B柵門應
該同時關閉，以便正在公路上行駛的汽車停下讓火車先行，當火車
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計步驟
本課題將按照同步時序邏輯電路的設計步驟完成交通控制器
電路設計工作。
2．1由給定的邏輯功能求出原始狀態圖
根據設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，分別表示為：
：火車在 和 區間之外(對應輸入 ：o0)
：火車自西向東行駛，并壓在 上
S ：火車繼續自西向東行駛，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
：火車繼續自東向西行駛，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
分別以上述狀態為現態，考察在每一個可能的輸入組合作用下
應轉入哪個狀態及相應的輸出，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：
當火車還沒有進入 ， 的區間時， 、只點對應的輸出信號
XI=0，X2=0，柵門 、B應該處于打開狀態，控制 柵門和 柵
門開關的信號Z：0，此時處于狀態S中。
當火車自西向東行駛壓在了 點上時， 點對應的輸出信號
= 1，由于 與 點之間相距較遠，使火車沒有壓到只點，
= 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 、 應該關閉處于警報和保護狀態，信號Z：1，即電路由
S狀態進入到 ，狀態，如圖2．3所示。圖中的圓圈表示觸發器的狀
態，箭頭表示從一個狀態過渡到另一個狀態，箭頭旁邊的有斜線
“／”分開的代碼分別表示產生過渡的條件和在此條件下產生的輸
出狀態。例如，從 狀態進入到 狀態的箭頭旁邊有“10／1”，表示
= 1，X2=0時，電路的輸出信號Z：1。
當火車駛入了 和 之間， 和 都沒有被火車壓到，對應的
輸出信號Xl=0，X2=0，此時柵門 、 必須保持關閉狀態，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 ，狀態進入到S 狀態。
火車繼續自西向東行駛經過只點上時， 點對應的輸出信號
= 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 、 仍然保持關閉狀態，控制柵門A、B的輸出信
號z：l，電路由 狀態進入到 狀態。
當火車已經通過了只點后，說明火車已經順利通過了交叉路
口，此時的 、只的對應的輸出信號Xi=0，X2=0，此時可以將柵
門A、B打開使公路交通恢復通暢，所以控制柵門 、 的輸出信
號Z：0，電路由受狀態進入到 狀態。
同理可以分析出火車自東向西的工作過程和與之對應狀態轉
移和輸出。通過以上分析便可求得符合題意的狀態圖如圖2．1a)所
刁 。
OO／0
圖2．1交通控制器的狀態圖
b)
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2．2狀態化簡
分析交通控制器的狀態圖和狀態表，可以發現 和 、 和
S 以及 和 是等價的可以進行合并，如圖2．1b)所示，與之對應
的狀態表如表2．1所示。
表2．1交通控制器簡化后的狀態表
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，狀態化簡使狀態數目減少，從而可以減少電路中所需觸
發器的個數或門電路的個數。
2．3狀態編碼、并畫出編碼形式的狀態圖及狀態表
對交通控制器進行狀態分配：通過上面的分析最終得到四個狀
態，用2位二進制代碼組合進行表示，即：Si=00、 ，=01、 =11、
S =l0，這一分配結果可用狀態分配表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圖。由編碼形式的狀態圖可得到交
通控制器編碼后的狀態表，如表2．3所示。
表2．2交通控制器狀態分配表
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選擇觸發器的類型及個數
本設計采用的是D觸發器來實現交通控制器的控制。D觸發
器的個數數選擇公式(2．1)為：
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圖3．1編輯電路原理圖
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圖4故障現象查詢界面及向導查詢界面
過顯示單元，用簡單人機對話的方式選擇故障現象，通過運行推理
程序，按照一定的策略進行推理。診斷專家系統以專家知識、經驗為
基礎，模仿領域專家解決復雜問題的思維過程，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論。
利用專家系統和數據庫技術設計數控機床故障診斷系統，可為
現場技術維修人員快速完成故障定位并進行故障維修提供幫助，具
有較強的實際意義。
參考文獻
[1]孫海山，余愚，蔣永華．故障樹分析方法在數控機床故障診斷中的
應用[J]．機床工具制造業，2007．3．
[2]舒悌翔．故障診斷理論與技術的發展趨勢：2003年計量測試學
術研討會論文集，2003．9．
[3]葉柏生，黃增雙，李斌．故障樹分析方法在數控機床故障診斷系統
中的應用[J]．機床與液壓，2006(8}．1 35—1 37．
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圖3．2時序控制電路波形圖
第三步： 和 點上的壓敏元件是從Basic元件庫中取出的兩
個單刀雙擲開關(SPDT)來代替，當開關向上打，模仿火車已壓在壓
敏元件上，輸入信號為1；而如開關打到下端，則模仿火車沒有壓著
壓敏元件，相應的輸入信號為0。兩開關的上下搬動，分別設置為按
鍵盤上的A、B鍵來進行。
第四步：輸出信號控制的兩個柵門A和B分別用兩個數字指
示器(Probe)來模擬。當輸出z：1時，Probe發光，表示兩個柵門關
閉；而輸出Z：0時，Probe不發光，則表示柵門打開為了可靠發光，
Probe的發光門限設置為4V。
第五步：為了進行Real仿真，在電路中已經有了5V數字電源的
基礎上，還要示意屬性地設置一個數字接地端，否則得不到正確的
結果。
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
的研究【D]．農業機械學報，2003．34．
[5]周輝，方建軍．基于數據庫的數控機床故障診斷專家系統．電腦知
識與技術[J]．2009．1．
作者簡介
周輝(1 9 7 2一)，女，北京市人，工程碩士，北京市工貿技
師學院教師，高級講師，主要研究方向：機電工程、數控教
學．
基金項目
北京市工貿技師學院教學研究基金資助項目，項目名稱：數控
機床典型故障診斷與維修的研究，項目標號：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，進行仿真觀察。
第七步：通過點擊 、 、A、A順序來進行火車從西向東開過
的模擬；通過點擊A、A、B、B順序來進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，將產生錯誤的結果，但這不影響電路
的正確性，因為其他順序操作在實際情況下是不可能出現的。
4、結語
本課題結合實際的需要和設計的要求，確立r一個基于I)觸發
器的交通控制器的設計方案，其設計方法為時序邏輯電路的設計方
法。為了進一步驗證設計的正確性，通過Multisim軟件對電路僅進
行仿真，仿真結果符合設計要求，結果正確，達到 預期的目的。
參考文獻
[1]康華光．電子技術基礎數字部分(第四版)[H]．北京：高等教育
出版社，2000．
[2]鄭步生，吳渭．Multisim2001電路設計及仿真入門與應用[H]．北京：
電子工業出版社，2002．
[3]郭勇．EDA技術基礎(第二版)[H]．北京：機械工業出版社，2005．
基金來源
上海工程技術大學高職學院科研項目。

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