引言
LKJ系列列车运行监控记录装置（以下简称 LKJ 监控装置），是我国铁路研制的以保证列车运行安全为主要目的列车速度监控装置。该装置在实现列车速度安全控制的同时，采集记录与列车安全运行有关的各种机车运行状态信息，促进了机车运行管理的自动化。
LKJ2000S型运行监控装置则是LKJ2000的一个分支。适合各型轨道车及各种大型养路机械；适应自动及半自动闭塞方式；并能适应各种信号制式，包括移频（含18信息移频）、交流计数、UM-71、极频等。
由于作业机车的运用存在着无规律性，作业分散，尤其是工程单位所属的捣固车经常是远距离作业，对作业辖区比较陌生。特别是近年来提速建线、站场改造等繁重的施工任务的加剧，运行安全问题愈发突出，强化轨道车运输安全管理，消除管理盲区，已经是刻不容缓。
相对于应用于客货运输的LKJ2000型监控装置，LKJ2000S型在使用数量和相应用范围上远远处于劣势，则存在配套装置价格高、周边产品数量种类少的问题。那么本研究实现LKJ2000S型半实物仿真系统，在教学、培训更具有重要意义。
一、 系统整体设计
图1示出了LKJ2000S设备工作所需的信号及其走向，为了让LKJ2000S设备能够在教学、培训应用场景下正常工作，我们需要产生与实际机车运行中等效的信号送给LKJ2000S设备，所以仿真装置需模拟产生机车信号、机车工况、机车速度、列车管压力信号。
仿真装置起到承上启下的作用，承仿真计算机的上，启LKJ2000S设备的下。具体通过以下功能实现：接收仿真计算机的仿真信息，例如机车信号、车速等，将这些信息转化为不同的电信号，输出给LKJ2000S设备；同时采集LKJ2000S设备发出的电信号，转化为仿真信息，发送给仿真计算机。
图1LKJ2000S工作原理图
图2示出了基于该仿真装置能够实现的基本功能，左侧为仿真计算机解算的机车仿真数据（例如车速、风压等），发给仿真装置。右侧为包含仿真装置采集的卸载、减压、关风、紧急制动信号（由LKJ2000S主机输出），包含仿真装置输出的管压、车速等信号（由LKJ2000S主机采集）。
图2系统工作原理图
二、 硬件设计
通过对LKJ2000S主机的输入输出信号进行分析，得出仿真装置的对应功能模块如下：
1. 核心控制模块
核心控制模块采用单片机STM32F103V作为核心控制器；单片机STM32F103V是由STMicroelectronic公司开发的32位微处理器集成电路。其内核是Arm的Cortex架构，I/O口众多、速度快、内部资源丰富、性价比高。
本模块其分别与电源模块、串口通讯模块、CAN通讯模块、网络通讯模块、数字量采集模块、数字量输出模块、模拟量采集模块、PWM/AO输出模块连接。
单片机主要完成以下工作：通过串口/CAN/网络通讯接收仿真计算机发送的管压信号、车速（频率）信号、工况信号、机车信号等数据给LKJ2000S主机，发送机车信号、制动信号等数据给8显信号机、仿真计算机。
2. 数字量采集模块
数字量采集模块，共提供12路24V的数字量输入，用于采集LKJ2000S主机输出的卸载、减压、关风、紧急制动、备用等制动信号以及上下行信号，其主要功能是光电隔离和电平变换，保护内部的单片机系统免受外部干扰。本电路的主要器件是四路光电隔离芯片TLP293-4，其一侧需排布起输入限流作用电阻，另一侧需排布集电极开路输出的上拉电阻。
3. 数字量输出模块
数字量输出模块电路，共提供4组、每组8路带LED指示灯的继电器干接点数字量输出，用于模拟机车的工况信号、色灯信号、速度等级、绝缘节等信号。
为了达到节省IO口资源目的，使用了八路锁存三态输出芯片74ACT573T，同时为了提高驱动能力，使用了八路达林顿驱动器ULN2803LW和继电器。
4. 模拟量采集模块
模拟量采集模块利用了单片机STM32F103V自带ADC电压采集功能。通过为滤波电容与外部传感器连接（例如电位器）。
5. PWM/AO输出模块
PWM/AO输出模块电路，共五路，其中最后两路以模拟量形式输出（AO）。该模块用于模拟三个车速信号（PWM）和两个管压信号（模拟电压）。
单片机的定时器输出的脉宽调制信号（PWM）SPEED1~SPEED3、PPRES1和PPRES2，它们分别经过限流电阻后，分别与光电隔离芯片TLP293连接，各个TLP293输出分别经过电阻上拉，其中SPDOUT1~SPDOUT3为车速信号，；FPPR1和FPPR2为管压信号的PWM。
AO输出，其核心器件是两只频率电压转换器LM2917-8，负责将上述的管压PWM信号转换成相应的模拟电压PPOUT1和PPOUT2。
三、 软件设计
1. 单片机软件设计
单片机程序流程如图3所示：
图3单片机程序流程图
2. 上位机软件设计
上位机软件以VS2013为开发平台，采用C++语言编写。其中界面部分包含了两类信息：一类是上位机软件控制指令，包括了信号机状态控制、工况控制、速度控制、管压控制、柴速控制。这些控制信息模拟了信号系统、机车逻辑、机车各类传感器输出；另一类是上位机软件监控信息，包括了对LKJ2000S主机制动状态采集。如下图4：
图4 上位机软件界面
关于后台部分,主要涉及和仿真装置的通信，这里简称为网络通信模块。
网络通信模块采用windows API编写，对于发送方和接收方，均包含了4个流程：初始化套接字、创建socket、发送/接收、关闭socket。
关于通信协议，通过一个数据包完成全部数据收或发。发送包内容较多，使用2个字节完成8显信号机状态输出，通过位控制实现16种信号机色灯颜色变化。使用1个字节输出车速、管压等信息，使用两个字节采集模拟量。
四、 测试结果
完成测试需搭建测试场景，如下图5所示：LKJ2000S主机，LKJ2000S配套屏显、仿真装置、示波器、配套电源线缆等。
测试过程如下：
通过上位机软件界面，发送速度20给仿真装置，随即在LKJ2000S配套屏显的速度窗口显示绿色20字样，同步示波器采样会显示相应波形。
图5测试场景
由于车速20是固定值，因此波形为周期一定方波。如图6所示：
图6速度信号波形
此时再叠加气压数据，即通过上位机软件界面，将列车管压力值设定为100，该数据发送给仿真装置，随即在LKJ2000S配套屏显的列车管压窗口显示100，同步示波器监测到固定电压值。
五、 结论
通过在实际项目中的实践证明，本仿真系统可达到设计目的，其其产生输出的信号可以被LKJ2000S主机识别并响应，同时也可以正常接受上位机发送的控制指令并回传给上位机LKJ2000S主机对应状态。
参考文献：
1. 李晓杰,钱雪军.LKJ2000型列车运行监控系统仿真研究[J]. 铁路计算机应用,2015,24(5),38-41
2. 河南思维信息技术有限公司. LKJ2000-S型列车运行监控装置（适用于轨道车）用户手册（V1.2）[M]
