基于DSP的軌道電路移頻信號測試儀設(shè)計(jì)

何 林，彭莉峻

(1.西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院，陜西西安 710055;2.西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710055)

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基于DSP的軌道電路移頻信號測試儀設(shè)計(jì)

何 林1，彭莉峻2

(1.西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院，陜西西安 710055;2.西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710055)

隨著鐵路技術(shù)的快速發(fā)展和列車運(yùn)行速度的不斷提高，準(zhǔn)確快速地檢測列車自動控制系統(tǒng)中軌道電路移頻信號參數(shù)成為了列車安全運(yùn)行的重要保證。針對現(xiàn)有軌道電路移頻信號檢測算法在檢測精度和檢測時間上的局限以及傳統(tǒng)移頻信號測試儀智能化的不足，采用了基于FFT的漢寧窗頻譜重心校正算法，以DSP為核心進(jìn)行了軌道電路移頻信號測試儀的軟硬件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了測試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測試儀能夠快速準(zhǔn)確的自動檢測出移頻信號的各項(xiàng)主要參數(shù)。

軌道電路；移頻信號；數(shù)字信號處理器；快速傅里葉變換；頻譜校正；信號解調(diào)

0 引言

軌道電路移頻信號已經(jīng)成為我國提速鐵路、城際鐵路、客運(yùn)專線和高速鐵路自動閉塞的主要制式，也是機(jī)車信號、列車運(yùn)行監(jiān)控記錄器(LKJ)和動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)(DMS)的基礎(chǔ)地面信號。同時，軌道電路移頻信號對車載設(shè)備存儲負(fù)荷、車-地間無線傳輸安全和帶寬要求以及傳輸時延的影響也越來越大[1]。因此，及時了解軌道電路移頻信號的狀態(tài)對列車的安全運(yùn)行有著極其重要的意義。傳統(tǒng)移頻信號測試儀對移頻信號參數(shù)進(jìn)行檢測時，都采用的是選頻測量，即測量前需要知道所測移頻信號的制式及標(biāo)稱載頻，手動設(shè)置后才能進(jìn)行各參數(shù)的測量，其操作簡便性和智能化亟待提高。為了解決上述問題，基于DSP進(jìn)行了移頻信號參數(shù)測試儀的軟硬件設(shè)計(jì)以及相應(yīng)算法的移植，并進(jìn)行了實(shí)測驗(yàn)證。

1 移頻信號的定義

移頻信號是相位連續(xù)的移頻鍵控信號，是鍵控角度調(diào)制信號的一種。其時域表達(dá)式為

S(t)=A0cosθ(t)=A0cos[ω0t+g(t)]

式中:g(t)=∫kf(t)dt是一個周期為T的三角周期函數(shù);A0為移頻信號的振幅;θ(t)為移頻信號的瞬時相位;ω0為載頻的角頻率;f(t)表示低頻調(diào)制方波信號;k為系數(shù)，代表移頻器的靈敏度，單位是Hz/V。

其波形如圖1所示。

圖1 相位連續(xù)的移頻信號波形

2 解調(diào)算法選取

移頻信號的測量最核心的問題是測量其載頻、頻偏和低頻調(diào)制頻率(上邊頻和下邊頻可由載頻和頻偏簡單計(jì)算得到)?，F(xiàn)有的移頻信號參數(shù)解調(diào)算法有很多，如Zoom-FFT(頻譜細(xì)化)分析法、CZT(線性調(diào)頻Z變換)分析法、HHT(希爾伯特-黃變換)分析法以及頻譜校正法等。Zoom-FFT分析法[2-3]從根本上并沒有提高頻率分辨率，只是降低了計(jì)算的復(fù)雜度，其提高頻率分辨率的同時增加了采樣時間，不能滿足測試儀表實(shí)時性要求；CZT算法[4-5]雖然能夠提高頻率分辨率和縮短采樣時間，但增大了系統(tǒng)內(nèi)存和計(jì)算復(fù)雜度；HHT算法[6]較為新穎，在理論上是一種可行的移頻信號解調(diào)方法，但是因算法復(fù)雜度關(guān)系，其硬件實(shí)現(xiàn)及測試時間還有待進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。頻譜校正法則是利用校正的思想在較短的采樣時間內(nèi)提高移頻信號參數(shù)的檢測精度，較前幾種算法能較好的解決移頻信號測試儀在實(shí)時性和檢測精度上的矛盾。

移頻信號參數(shù)的計(jì)算與其頻譜中的頻率和相應(yīng)幅值都有關(guān)系，在校正時，需要對頻率和幅值都進(jìn)行校正，因此考慮使用頻譜重心校正法?；贔FT的頻譜重心校正算法在運(yùn)算量及計(jì)算精度上都要優(yōu)于基于CZT的頻譜重心校正算法[7]。頻譜重心校正公式與窗函數(shù)有關(guān)，矩形窗具有最窄的主瓣，但是其旁瓣最大，衰減速度也最慢。漢寧窗和海明窗的主瓣稍寬，但有較小的旁瓣和較大的衰減速度，海明窗的旁瓣衰減速度比漢寧窗慢，根據(jù)移頻信號頻譜特點(diǎn)選擇漢寧窗來截取移頻信號。綜上，采用基于FFT的漢寧窗頻譜重心校正算法對移頻信號的參數(shù)進(jìn)行解算，算法的具體步驟及可行性分析見文獻(xiàn)[8]。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 儀器硬件電路總體結(jié)構(gòu)

微處理芯片的選擇上，由于解調(diào)算法需要進(jìn)行2048點(diǎn)的FFT運(yùn)算，數(shù)據(jù)量大的同時計(jì)算復(fù)雜度也很大，所以對處理器的內(nèi)存和運(yùn)算速度有較高要求，同時儀器是便攜式儀器，對處理器的功耗也有較嚴(yán)格的要求。本設(shè)計(jì)采用16位定點(diǎn)DSP芯片TMS320VC5509A作為測試儀的微處理芯片，其片內(nèi)有256 KB的RAM，最高時鐘頻率為200 MHz，最低功耗為0.05 mW/MIPS。

外圍電路主要有：電源轉(zhuǎn)換部分；自動量程切換部分；信號調(diào)理部分；信號采集部分；人機(jī)交互部分及外接存儲器部分等。測試儀硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 硬件設(shè)計(jì)總體框圖

移頻信號測試儀的工作流程如下：通過鍵盤操作啟動測量。測量過程中，移頻信號經(jīng)過自動增益控制電路及前置信號調(diào)理電路處理后，接入A/D轉(zhuǎn)換電路，對調(diào)理后的信號按照一定的采樣速率進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到移頻信號的離散值，通過McBSP將轉(zhuǎn)換結(jié)果傳送給TMS320VC5509A計(jì)算出載頻、低頻調(diào)制頻率、頻偏和電壓/電流有效值。最后將處理的結(jié)果送給LCD顯示。

3.2 采集電路設(shè)計(jì)

采集電路是測試儀的核心部分，主要實(shí)現(xiàn)的功能是將模擬的移頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后傳送給TMS320VC5509A進(jìn)行處理和計(jì)算，考慮到A/D與TMS320VC5509A的接口問題及移頻信號的頻率特征，采用14位、最高可提供43.2 kHz的A/D采樣率、內(nèi)含開關(guān)電容式帶通抗混疊輸入濾波器和低通重構(gòu)輸出濾波器的模擬接口電路(AIC)—TLC320AC02作為采集電路的核心芯片，其模擬輸入采用差分輸入方式，并且可以與TMS320VC5509A無縫連接。另外，它還有一個優(yōu)點(diǎn)是單電源供電。

測試儀只需要一片TLC320AC02即可完成所需要的采集功能，所以在配置TLC320AC02的工作模式時，將其配置為單機(jī)模式，即將M/S引腳連接高電平。通信接口與對應(yīng)的TMS320VC5509A的McBSP2接口相連，通過同步串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。TLC320AC02的外圍電路包括電源電路、時鐘電路和去耦電路等，接口電路如圖3所示。

圖3 TLC320AC02與TMS320VC5509A的硬件連接圖

為避免輸入引入噪聲，TLC320AC02的模擬信號輸入方式采用差分輸入方式，而移頻信號是單端信號，所以對移頻信號進(jìn)行采集時需要先將移頻信號由單端輸入方式轉(zhuǎn)換為差分輸入方式，其實(shí)現(xiàn)電路如圖4所示。

圖4 單端轉(zhuǎn)差分輸入電路

4 軟件設(shè)計(jì)

對于國產(chǎn)18信息型移頻信號，采樣頻率選為2 560 Hz，而對于ZPW-2000型移頻信號，當(dāng)載頻為1 700 Hz、2 300 Hz和2 600 Hz時采樣頻率選為2 048 Hz，載頻為2 000 Hz時選為2 560 Hz(采用了帶通采樣處理[9])。同時，由于國產(chǎn)18信息型移頻信號和ZPW-2000型移頻信號的頻譜特點(diǎn)不同，其相應(yīng)的解調(diào)程序也有所區(qū)別。因此，在處理移頻信號時，為了區(qū)分載頻的類型和設(shè)置對應(yīng)的采樣頻率及運(yùn)行相應(yīng)的解調(diào)程序，整個算法流程中需要兩次FFT計(jì)算。如圖5所示。

圖5 算法流程圖

初始化以后，先對信號進(jìn)行第一次較少點(diǎn)數(shù)的采樣，且采樣頻率較高，這樣做的目的主要是為了縮短采樣時間，因?yàn)榈谝淮尾蓸邮菫榱舜_定所采移頻信號載頻的大概范圍，并不需要較高的頻率分辨率。確定了移頻信號的載頻范圍以后，就可以選擇相應(yīng)的采樣頻率，進(jìn)行第二次2 048點(diǎn)的采樣和FFT運(yùn)算，然后進(jìn)行相應(yīng)的解調(diào)處理(即參數(shù)計(jì)算和校正處理)。解算出各個頻率參數(shù)以后，將參數(shù)計(jì)算結(jié)果輸出送顯示，這樣便完成了移頻信號參數(shù)的全自動測量。無需在測量前先手動設(shè)置移頻信號的制式以及載頻的類型，測試儀開機(jī)后直接將待測選項(xiàng)選為移頻信號(其他待測選項(xiàng)設(shè)計(jì)為在線阻抗、補(bǔ)償電容等軌道電路的相關(guān)待測量)按確認(rèn)鍵即可開始測量。測試儀軟件流程如圖6所示。

圖6 測試儀軟件流程圖

5 測試結(jié)果

利用HP33120A型號的信號發(fā)生器產(chǎn)生兩種制式標(biāo)稱頻點(diǎn)(共144點(diǎn))的移頻信號，通過采集芯片TLC320AC02采集并傳送給TMS320VC5509A進(jìn)行運(yùn)算，利用點(diǎn)陣液晶TJDM12864M顯示參數(shù)測試結(jié)果。部分測試結(jié)果如表1所示。

由表1實(shí)測結(jié)果可以看出，載頻、頻偏、低頻調(diào)制頻率的檢測誤差均滿足指標(biāo)(載頻最大誤差0.3 Hz，頻偏最大誤差0.3 Hz，低頻調(diào)制頻率最大誤差0.03 Hz)要求。

實(shí)驗(yàn)過程中，在程序里插入對某I/O引腳電平變化的控制，通過示波器來觀察測試時間，測得檢測時間約為1.6 s或1.8 s，其中采樣時間為0.8 s(采樣頻率為2 560 Hz時)或1 s

表1 實(shí)測結(jié)果 Hz

(采樣頻率為2 048 Hz時)，與FFT運(yùn)算相關(guān)的算法程序運(yùn)行時間約為0.6 s，與解調(diào)相關(guān)的算法程序運(yùn)行時間約為0.2 s。滿足測試的實(shí)時性要求。

6 結(jié)束語

本文采用基于FFT的漢寧窗頻譜校正算法作為移頻信號的解調(diào)算法，基于TMS320VC5509A進(jìn)行了軌道電路移頻信號測試儀的硬件和軟件設(shè)計(jì)并進(jìn)行了測試試驗(yàn)，測試結(jié)果表明，國產(chǎn)18信息型和ZPW-2000型兩種移頻信號的參數(shù)均能夠在較短的采樣時間內(nèi)準(zhǔn)確的檢測出來，并且測試前無需手動設(shè)置移頻信號制式和標(biāo)稱載頻，使移頻信號參數(shù)的檢測更加智能化。

[1] 黃成周.基于壓縮感知的軌道移頻信號壓縮加密技術(shù)研究:[學(xué)位論文].成都：西南交通大學(xué)，2014.

[2] 呂劍飛，盧迪.ZOOMFFT算法在車載FSK信號高精度檢測中的應(yīng)用.自動化技術(shù)與應(yīng)用，2007，26(1)：63-64.

[3] 袁薇，孫景峰，樊文俠.欠采樣與ZFFT在移頻信號檢測中的應(yīng)用.電子科技，2010，23(3)：65-67，80.

[4] 王安，熊信民，吳陽.軌道電路移頻信號參數(shù)檢測算法研究.計(jì)算機(jī)仿真，2011，28(11)：302-305.

[5] 丁康，潘成灝，李巍華.ZFFT與Chirp-Z變換細(xì)化選帶的頻譜分析對比.振動與沖擊，2006，25(6)：9-10.

[6] 吳進(jìn)，吉維平.HHT算法在移頻信號解調(diào)中的應(yīng)用研究.計(jì)算機(jī)測量與控制，2013，21(4)：1054-1056.

[7] 王安，焦美鵬，張小東.國內(nèi)18信息移頻信號檢測頻譜校正算法的研究.計(jì)算機(jī)測量與控制，2012，20(2)：414-417.

[8] 王安，何林，魏程程.軌道電路移頻信號參數(shù)高精度快速檢測算法的研究.計(jì)算機(jī)測量與控制，2013，21(2)：308-311.

[9] LYONS R G.數(shù)字信號處理.2版.朱光明，程建遠(yuǎn)，劉保童，等，譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

Design of Track Circuit Frequency-shift Signal Tester Based on DSP

HE Lin1，PENG Li-jun2

(1.College of Science,Xi’an University of Architecture and Technology,Xi’an 710055,China;2.Mechanical and Electrical Engineering College,Xi’an University of Architecture and Technology,Xi’an 710055,China)

With the rapid development of railway technology and the constant improvement of train running speed,accurately and quickly detecting the track circuit frequency-shift signal parameters in train automatic control system becomes the important guarantee of train safe running.Aiming at the limitations on detection precision and times of current track circuit frequency-shift signal detection algorithms and the shortcomings on intelligence of traditional frequency-shift signal testers,the Hanning window spectrum orthocenter correction algorithm based on FFT was used.With DSP as the core of the software and hardware design of track circuit frequency-shift signal tester,the test experiments were carried out.The test results show that the mainly parameters of frequency-shift signal can be automatically demodulated quickly and accurately by the tester.

track circuit;frequency-shift signal;DSP;FFT;spectrum correction;signal demodulation

2015-01-11 收修改稿日期：2015-03-24

TP216

A

1002-1841(2015)08-0054-03

何林(1986—)，助教，碩士，主要從事現(xiàn)代檢測技術(shù)與智能儀器儀表方向的研究。E-mail:419255602@qq.com 彭莉峻(1986—)，助理工程師，碩士，主要從事設(shè)備多源信息診斷與融合技術(shù)及嵌入式設(shè)計(jì)方向的研究。 E-mail:271483869@qq.com