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摘要：随着列车运行速度不断提高，运行密度逐渐加大，列车运行的安全问题得到越来越多的重视。应答器作为一种具有高速度、高信息量以及高可靠性的点式数据传输设备，在铁路系统中被广泛应用。但铁路现场设备笨重且昂贵，难以满足铁路院校的教学需要。因此，本文利用硬件在环仿真技术，以LabWindows/CVI为开发平台，设计应答器教学实验系统。该系统旨在帮助学生掌握应答器工作原理，培养相关专业技能、创新意识以及实践动手的能力。
关键词：应答器;硬件在环仿真;实验系统
中图分类号：TP274.2 文献标志码：A
一、引言
应答器作为点式地—车信息传输设备，是列车车载设备从地面获取获取信息来源的重要设备，具有十分重要的地位。传统的实践教学方式，学生很难实际参与其中，教学效果不理想。因此，本文利用硬件在环仿真（Hardware in the loop）技术，以LabWindows/CVI为开发平台，设计应答器教学实验系统，旨在使学生熟悉实际应答器设备及其工作原理，深入了解应答器的关键技术问题，探究综合应用专业基础理论知识分析与解决实际问题的方法，培养相关专业技能、创新意识以及实践动手能力。
二、应答器及硬件在环仿真技术
（一）应答器
应答器是安装在铁路沿线向车载子系统发送报文信息的传输设备，其中存储的报文信息为列车的正常运行提供了强大的信息支撑，是整个信号系统安全体系中不可或缺的部分。目前，铁路上使用的应答器采用RFID（Radio Frequency Identigication，射频识别）技术。列车运行时，应答器和列车系统之间利用电磁感应实现双向通信。应答器是一个在列车经过时需要车载设备发送能量信号的从设备[1]。
（二）硬件在环仿真技术
硬件在环仿真也称半实物仿真，它为物理部件创造一个模拟实际环境的仿真环境，利用物理部件实物与仿真系统共同完成仿真过程。硬件在环仿真技术使得无法准确建立模型的部件直接進入仿真回路，通过计算机与应用软件、硬件及其驱动软件来共同完成数据采集、分析及结果显示等功能。系统采用虚拟仪器，以计算机作为系统控制器、由软件实现人机交互和大部分仪器功能，具有灵活性和扩展性强、性价比高、拥有良好人机界面等的特点[2][3]。硬件在环仿真系统由硬件和软件两大部分构成，其硬件系统包括通用计算机和外围硬件设备;软件系统包括操作系统、仪器驱动和应用软件三个层次。操作系统可以选择Windows 9x/NT/2000/7/10、SUN OS、Linux等;仪器驱动软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序;应用软件通过仪器驱动实现与外围硬件模块的通信连接。
三、教学实验系统设计与实现
基于硬件在环仿真的应答器教学实验系统由硬件部分和软件部分两部分组成，其系统总体结构框图如图2.1所示。
（一）硬件设计
应到期教学实验系统硬件部分包括：计算机、数据采集卡、功率放大器、车载硬件设备、地面硬件设备。基础硬件组成部分主要为台式计算机，完成控制管理、数据处理、存储显示等功能;数据采集卡是机车信号信息的产生和接收设备，采集模拟信号并将其转换为数字信号;功率放大器将发射信号放大，使其能够驱动车载设备和地面设备;车载硬件设备用于发送多频信号，同时接收地面设备发送的信号;地面硬件设备用于向车载设备发送特定频率信号的实物模型，不同频率的信号可表示不同的信息。
每个谐振单元对应一个特点的频率点并代表相应的信号，地面设备根据实际的列车运行情况控制多路选择开关接通相应的谐振单元与天线，列车经过时，由车载设备发送激励信号，地面设备通过天线接收激励信号后回馈对应谐振点的频率信号，即将相应信号发送给列车，实现车地通信。
（二）软件设计
为完成实验任务，数据采集卡的启动、采集卡的采集参数的设置、轨道电路信号的调制、发送、接收、解调，数据的显示和存储均由软件来控制和实现。软件总体结构框图如图2.2所示。
1.信号发生功能
息的目的。本系统所设计的车载信号源由若干个频率、相位、幅值确定的正弦信号，采用遗传算法叠加组成，并配置数据采集卡利用其模拟输出功能产生。
2.采集、解调功能
通过数据采集卡的模拟输入通道对轨道电路中电信号进行采集、保存和解调。用户可设置采样通道、采样时间、采样率等信息。其软件流程图如图2.4所示。
四、教学实验系统功能仿真验证
发码器发出的激励信号由十个正弦信号叠加成的正弦扫频信号模拟，车载通信天线与地面设备通信天线使用变压器进行模拟（事实上当列车通过地面设备时，车载天线和地面设备天线直接就相当于构成了一个变压器，因此可以这样仿真），谐振单元使用电感电容构成，由多路开关代替多路选择器，方便仿真时人工操作选择相应频率点测试通信性能，当所有开关都断开时，没有任何一个谐振点被接通，相当于列车没有通过地面设备，接通某个开关后，发送的激励信号中某个频率产生谐振，相当于列车通过某个信号设备。
五、结束语
本文针对机车信号设备在实验室中进行教学实验使用不方便的实际情况，运用数据采集卡等硬件设备以及Lab Windows/CVI的软件开发环境，开发出一套基于硬件在环仿真的应答器教学实验系统。为应答器教学实验提供了新的实验平台和环境，突破了传统仪器设备在数据实时处理，交换，数据显示、存储，共享等诸多方面的限制。使用户可根据教学实验内容的需要，对仪器的系统功能通过软件编程实现自由组合
参考文献：
[1] 王亚举.高速铁路列控系统中应答器维护探究[J].通讯世界，2017（07）：290.
[2] 杨勇，储云泽，奚啸天.硬件在环仿真测试技术及其在船舶行业中的应用现状[J].造船技术，2018（04）：62-65.
[3] 朱辉，王丽清，程昌圻.硬件在环仿真系统的软硬件基础[J].小型内燃机，1998（06）：24-28.
基金项目：2019年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目（铁路电务设备故障管理研究，2019KY1571）
（作者单位：柳州铁道职业技术学院）