基于AD9833的ZPW－2000R移頻測試信號研究*

何 平，郭 苑，馬星宇，張洪健

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，哈爾濱 150001)

1 引言

現(xiàn)今，鐵路交通在我國國民經(jīng)濟中起著舉足輕重的作用。如何有效控制鐵路信號已成為如今不可回避的話題。自動閉塞系統(tǒng)是控制鐵路信號，保證運行列車安全，提高鐵路運輸能力的重要裝備［1］。目前鐵道部主推的閉塞系統(tǒng)的主要型號有北京全路通信信號研究設(shè)計院和北京鐵路信號工廠研制的ZPW－2000A型［2］和黑龍江瑞興科技有限公司研制的 ZPW －2000R 型［3］。

本文旨在研究ZPW－2000R型移頻自動閉塞系統(tǒng)的接收機生產(chǎn)測試過程中測試信號的產(chǎn)生和調(diào)理，在產(chǎn)品質(zhì)量檢測環(huán)節(jié)中提供高精度、高可靠性的測試信號，為接收機測試系統(tǒng)實現(xiàn)全自動化檢測參數(shù)奠定基礎(chǔ)。由于系統(tǒng)對待測信號的測量精度要求很高，在采集、處理數(shù)據(jù)過程中采用大量軟件濾波算法，因此本系統(tǒng)采用高速DSP芯片TMS320F2812為主控芯片，提高測試效率。在測試接收機雙套檢測電阻等關(guān)鍵性能參數(shù)時，系統(tǒng)需設(shè)置兩片AD9833信號發(fā)生芯片，通過F2812內(nèi)部SPI接口和GPIO模擬SPI接口控制實現(xiàn)雙路幅值、頻率可調(diào)的移頻信號的產(chǎn)生。經(jīng)實際應(yīng)用驗證，接收機測試系統(tǒng)產(chǎn)生的雙路移頻信號精度高，可靠性好，滿足測試要求。

2 頻率可調(diào)的雙路移頻信號

2.1 AD9833 控制時序

AD9833是ADI公司生產(chǎn)的可編程、低功耗波形產(chǎn)生芯片。通過軟件控制對它寫相應(yīng)字，可以輸出相應(yīng)波形，且輸出信號精度高。當(dāng)它主頻時鐘為1MHz時，其精度可以達到0.0004Hz，符合測試信號的要求［4］。

串行外圍接口SPI(Serial Peripheral Interface)是一種高速、同步、全雙工的串行輸入輸出(I/O)接口，通常用于DSP與外圍設(shè)備或其他控制器之間進行通信［5］。本系統(tǒng)通過 SPI接口，與 AD9833芯片進行通訊，通過軟件編程控制輸出頻率和相位，實現(xiàn)相應(yīng)測試信號的輸出。SPI控制AD9833產(chǎn)生測試信號時，AD9833的3根串行接口線FSYNC、SCLK、SDATAX分別與TMS320F2812的MDRA，SPICLKA，SPISIMOA三個端口相連。在串口時鐘SCLK的作用下，數(shù)據(jù)以16位的方式加載到AD9833上。引腳FSYNC是使能引腳，低電平觸發(fā)。進行串行數(shù)據(jù)傳輸時，引腳FSYNC必須置低。引腳FSYNC置低后，在16個SCLK的下降沿傳送的數(shù)據(jù)被送到AD9833的輸入移位寄存器，在第16個 SCLK的下降沿FSYNC被置高。并且，在寫數(shù)據(jù)時SCLK時鐘為高低電平脈沖，而在FSYNC剛開始變?yōu)榈蜁r，SCLK必須為高電平。

2.2 GPIO模擬SPI控制AD9833時序

為實現(xiàn)雙路信號的產(chǎn)生，本系統(tǒng)將MCLKR、MFSR、SPISOMI三個 GPIO 與 AD9833的 SCLK，F(xiàn)SYNC，SDATA分別相連，通過GPIO口模擬SPI控制AD9833控制時序來控制AD9833產(chǎn)生所需信號。具體測試流程圖如圖1所示。

測試時，控制F2812的SPI接口和GPIO口向AD9833寫入控制字0x5555。圖2通道0、通道1、通道2為F2812內(nèi)部SPI時序圖;通道3、通道4、通道5為GPIO模擬SPI控制時序。通道0、通道3為片選控制端，通道1、通道4為時鐘信號端，通道2、通道5為數(shù)據(jù)傳送端;由圖2可知，用GPIO模擬SPI的控制時序與SPI控制時序基本一致，可以實現(xiàn)控制功能。

2.3 雙路移頻信號產(chǎn)生

2.3.1 雙路移頻信號的產(chǎn)生

移頻信號是以頻率作為控制信息，用調(diào)制頻率的手段將低頻頻率信號整合到高頻頻率信號中，實現(xiàn)調(diào)制信號頻率按低頻信號頻率做周期性交替變化［6］，以此控制鐵路信號設(shè)備，指揮列車的運行與調(diào)度。

為了產(chǎn)生雙路移頻信號，本系統(tǒng)通過F2812內(nèi)部定時器中斷交替向兩片AD9833寫入相應(yīng)信號控制字實現(xiàn)移頻信號的產(chǎn)生:開啟F2812內(nèi)部定時器0，進入定時器0中斷，分別設(shè)置兩路信號的下偏移頻率，并通過 SPI接口和 GPIO模擬 SPI接口向AD9833寫入控制字產(chǎn)生相應(yīng)頻率的正弦信號;一個定時器時鐘周期后，再次進入定時器0中斷，設(shè)置兩路信號頻率為上偏移頻率，寫入AD9833。上述過程交替進行，實現(xiàn)雙路移頻信號的發(fā)送。

3 移頻信號的幅值可調(diào)

為了產(chǎn)生雙路測試信號，本系統(tǒng)設(shè)置兩路AD9833信號產(chǎn)生模塊，一路AD9833控制端與SPI串行外圍接口相連;另一路與GPIO模擬的SPI口相連。信號發(fā)生芯片AD9833的外圍電路簡單，只需加外接晶振和若干濾波電容即可。其電路原理圖如圖3所示。由于AD9833產(chǎn)生的正弦波疊有直流成分，因此需將AD9833輸出的正弦信號經(jīng)過RC高通濾波器，濾除直流分量。經(jīng)實驗證明，由AD9833直接輸出的正弦波波峰值約為600mV，波谷值為0mV，其中疊有300mV的直流分量。將此信號通過RC高通濾波器后，波峰值為300mV，波谷值為－300mV，信號的直流分量被濾除，且頻率沒有改變。然后，利用精密運算放大器OPA277建立反相比例電路，將濾除直流分量后的正弦信號的幅值進行放大為1.871V，從而為下一步實現(xiàn)正弦信號的幅值連續(xù)可調(diào)做準(zhǔn)備。

圖3 移頻信號產(chǎn)生原理圖

為了實現(xiàn)信號的輸出幅值連續(xù)可調(diào)，本系統(tǒng)將經(jīng)放大電路輸出的信號作為數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD7521的電壓參考源。AD7521是一參考端可變的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，通過GPIO口向AD7521寫入不同控制字，AD7521將輸出不同幅值的信號。由于AD7521的輸出量為電流量，因此在AD7521輸出端設(shè)置雙路運放芯片OPA2727，實現(xiàn)電流量至電壓量的轉(zhuǎn)換。其電路原理圖如圖3所示。

12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7521有效位為11位，最高位為符號控制位。當(dāng)數(shù)字位輸入為0x000時，AD7521輸出端信號有效值為VREF;當(dāng)數(shù)字為輸入為0x7FF時，AD7521輸出信號有效值為VREF/211;當(dāng)數(shù)字位輸入為0x800時，AD7521輸出信號有效值為0V。本系統(tǒng)輸入至AD7521的信號參考端有效值為1.187V，理論上最小步長可達到0.580mV。

4 實驗結(jié)果

4.1 雙路移頻信號的頻率可控

實驗中僅選取一路信號進行測試，另一路因控制方法一樣，因此測試結(jié)果一致。為了讓所產(chǎn)生的移頻信號效果明顯，這里設(shè)置移頻信號載頻為600Hz，上、下頻率偏移為200Hz，低頻調(diào)制信號頻率為100Hz。具體效果圖如圖4所示，通道1為移頻信號的低頻頻率指示波;通道2為載頻信號;通道3為最終產(chǎn)生的移頻信號。由圖4可知，本系統(tǒng)產(chǎn)生的移頻信號波形光滑，頻率穩(wěn)定。

圖4 移頻信號效果圖

本系統(tǒng)實際所需發(fā)送的移頻信號，采用4種載頻，4種載頻又分為F1和F2兩種，共8種載頻信息;低頻調(diào)制頻率共有18種［7］。高頻信號頻率測試值如表1所示。經(jīng)實驗測得，信號的高頻頻率實際值與理論值相差最大值為0.5Hz;滿足測試條件要求。另外，由于移頻信號的低頻頻率由F2812定時器控制，其精確度很高，誤差遠遠小于1，如表2所示。因此，各載頻的移頻信號，滿足測試條件要求。

表1 移頻信號高頻精度測試

表2 移頻信號低頻精度測試

4.2 移頻信號的幅值可調(diào)

圖5為信號幅值可調(diào)的測試圖，為了使其實驗效果明顯，設(shè)置AD9833產(chǎn)生方波。測試時，控制AD7521 輸出 20mV、40mV、60mV、80mV、100mV、120mV波形的幅值大小。實際產(chǎn)生的信號，幅值精度在5mV左右。由此可見，輸出信號經(jīng)過AD7521后，幅值大小連續(xù)可調(diào)，產(chǎn)生的波形平滑穩(wěn)定，精度高，滿足測試要求。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的接收機測試系統(tǒng)的信號發(fā)生模塊，通過F2812內(nèi)部SPI接口及GPIO模擬的SPI接口分別對兩片AD9833寫入控制字，能同時產(chǎn)生雙路頻率可調(diào)的移頻信號，信號波形平滑，頻率控制精確，低頻、高頻精度均在1以上;通過GPIO對AD7521寫入控制字，實現(xiàn)測試信號幅值的連續(xù)可調(diào)，信號的幅值準(zhǔn)確，信號的幅值誤差小于10mV。經(jīng)實驗驗證，本測試系統(tǒng)所產(chǎn)生的雙路移頻測試信號精度高，誤差小，波形穩(wěn)定，可靠，完全滿足測試需求。

圖5 信號的幅值可調(diào)測試圖

［1］唐大勇.ZPW－2000軌道電路在站聯(lián)軌道區(qū)段的應(yīng)用［J］.鐵路通信信號工程技術(shù)，2011，8(3):80 －82.

［2］仝廣興.ZPW－2000A移頻自動閉塞設(shè)備故障分析［J］.鐵道通信信號，2011，47(11):46 －47.

［3］彭立群，鄧迎宏，肖彩霞.ZPW－2000R型無絕緣移頻自動閉塞系統(tǒng)［J］.鐵道通信信號，2007，43(6):4 －8.

［4］劉國良，廖力清，施進平.AD9833型高精度可編程波形發(fā)生器及其應(yīng)用［J］.國外電子元器件，2006(6):44－47.

［5］孫麗明.TMS320F2812原理及其 C語言程序開發(fā)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008:195－196.

［6］耿浩和.基于DSP的移頻軌道電路參數(shù)在線檢測方法研究［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2007:7－10.

［7］郭紅星.軌道電路FSK移頻信號參數(shù)檢測方法研究與實現(xiàn)［D］.北京:西安工業(yè)大學(xué)，2011:10－11.