基于嵌入式的地鐵FTGS發(fā)碼電路設(shè)計(jì)

繆 蓉

(南京地鐵運(yùn)營有限責(zé)任公司 南京地鐵通號(hào)分公司，江蘇 南京 210012)

西門子遙供無絕緣音頻軌道電路(FTGS)，是一種廣泛應(yīng)用于地鐵正線的軌道電路，用于檢測(cè)列車對(duì)軌道區(qū)段的占用，還能向列車傳輸包含行車信息的頻移鍵控(frequency-shift keying，F(xiàn)SK)信號(hào)。目前，既有線FTGS設(shè)備依賴從國外進(jìn)口，且發(fā)碼電路由分立元件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)老舊，因元件性能下降而引發(fā)的故障時(shí)有發(fā)生，并且較難排查，影響行車安全。

現(xiàn)在，市面上已經(jīng)有基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的改進(jìn)型發(fā)碼電路，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)車信號(hào)的編碼，但載頻較低，雖然能夠滿足鐵路制式，但無法應(yīng)用到城市軌道交通系統(tǒng)；有些發(fā)碼電路所輸出的移頻信號(hào)直接由單片機(jī)產(chǎn)生，多為非正交信號(hào)，精度低，相位連續(xù)性較差，只能用作測(cè)試設(shè)備[1-2]。本研究提出了一種基于AVR單片機(jī)設(shè)計(jì)的FTGS發(fā)碼電路，該電路使用單片機(jī)控制DDS芯片，產(chǎn)生可用的FSK信號(hào)，并通過功放放大后發(fā)送給機(jī)車天線。

1 總體設(shè)計(jì)

地鐵正線采用無縫鋼軌，軌道電路不再設(shè)置機(jī)械絕緣節(jié)，所以區(qū)段的劃分通過電氣絕緣節(jié)——“S棒”來實(shí)現(xiàn)，發(fā)碼電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)軌道區(qū)段由發(fā)送端和接收端構(gòu)成(圖1省略了接收端設(shè)備)，為防止相鄰區(qū)段互相干擾，F(xiàn)TGS-917型軌道電路規(guī)定了8種載頻(9.5 kHz、10.5 kHz、11.5 kHz、12.5 kHz、13.5 kHz、14.5 kHz、15.5 kHz和16.5 kHz)，相鄰的軌道區(qū)段使用不同的中心頻率，每個(gè)區(qū)段的載頻頻率由調(diào)諧電路決定。

經(jīng)典的FTGS發(fā)碼電路由功率放大板、發(fā)送板和報(bào)文轉(zhuǎn)換板組成，其中發(fā)送板主要用于產(chǎn)生載頻，報(bào)文轉(zhuǎn)換板可根據(jù)區(qū)段占用情況控制發(fā)送端發(fā)送位模式編碼或者行車報(bào)文，功率放大板用來放大移頻信號(hào)的功率，這三塊電路板通過機(jī)柜背板相連接。

當(dāng)軌道區(qū)段空閑，發(fā)碼裝置將發(fā)送位模式編碼，所謂位模式編碼就是利用上邊頻(+64 Hz)和下邊頻(-64 Hz)將載頻調(diào)制成相應(yīng)區(qū)段的空閑編碼。接收端收到正確編碼，給出區(qū)段空閑表示，采用這種方式可以降低接收端設(shè)備誤動(dòng)作的概率。當(dāng)列車占用區(qū)段，發(fā)碼裝置開始向鋼軌發(fā)送行車報(bào)文，列車迎著信號(hào)傳輸?shù)姆较蜻\(yùn)行，并通過車載天線從鋼軌上接收行車信息[3]。

圖1所示的設(shè)計(jì)方案將單片機(jī)、編碼電路、功放電路集成在一塊電路板上，單片機(jī)用來控制編碼電路，編碼電路的核心為一片直接數(shù)字頻率合成(direct digital frequency synthesis，DDS)芯片，通過DDS技術(shù)直接合成位模式編碼和行車報(bào)文。功放電路使用AB類集成功放，代替既有功率放大板分立元件構(gòu)成的推挽式放大電路[4]。

圖1 發(fā)碼電路結(jié)構(gòu)圖

2 發(fā)碼裝置硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)和編碼電路

因地鐵的FTGS系統(tǒng)所采用的載頻遠(yuǎn)高于高鐵，對(duì)誤差的要求也更高，所以地鐵的FSK編碼信號(hào)需要更好的相位連續(xù)性和正交性，這樣既可以提高頻帶的利用率，也能夠提高整個(gè)軌道電路的電磁兼容性，有利于車載行車設(shè)備的解調(diào)。

移頻信號(hào)編碼電路如圖2所示。系統(tǒng)采用單片機(jī)來控制DDS芯片直接生成所需要的調(diào)制信號(hào)，DDS芯片選型為AD9854。該方案中，DDS芯片的串/并行編程控制引腳S/P SELECT常態(tài)拉高，選中DDS芯片的并行編程方式，AVR單片機(jī)引腳PD2~PD7用于控制DDS芯片的并行地址線A0~A5，引腳PA0~PA7控制DDS芯片的8位數(shù)據(jù)線。

另外，單片機(jī)引腳PC0~PC6還和AD9854芯片的控制引腳相連，AD9854芯片的MASTER RESET引腳作為總線復(fù)位，高電平有效。WR/SCLK和RD/CS引腳在并行控制方式下分別是寫使能引腳和讀使能引腳，低電平有效。IO UD CLK為通信時(shí)鐘線，向AD9854內(nèi)部寄存器寫入數(shù)據(jù)，在上升沿有效。

控制引腳FSK/BPSK/HOLD是芯片的模式選擇引腳，在FSK模式下，能夠通過高低電平的切換，設(shè)置輸出上邊頻調(diào)制信號(hào)和下邊頻調(diào)制信號(hào)，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)FTGS的位模式編碼非常方便。SHAPED KEING引腳則是輸出波形控制引腳，通過設(shè)置不同電平來控制信號(hào)是遞增方式輸出還是遞減方式輸出，從而實(shí)現(xiàn)正弦波或余弦波的輸出，本方案采用正弦波輸出。

芯片的REFCLK引腳為基準(zhǔn)時(shí)鐘輸入端，基準(zhǔn)時(shí)鐘由一個(gè)30 MHz的有源晶振提供。PLL FILTER引腳是內(nèi)置倍頻環(huán)路濾波器的外部零位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)腳，串接電阻R4和電容C11到模擬電源即可。DDS芯片有四組信號(hào)輸出，使用IOUT引腳輸出平滑的正弦波，信號(hào)經(jīng)濾波器處理后輸出給后級(jí)電路[5-10]。

圖2 移頻信號(hào)編碼電路圖

2.2 功放電路

由單片機(jī)控制DDS芯片輸出的調(diào)制信號(hào)并不能直接發(fā)送到室外，需要先將其功率放大，才能達(dá)到室外的傳輸要求。功放電路用于放大移頻信號(hào)的功率，采用兩級(jí)放大器，第一級(jí)為運(yùn)算放大器，第二級(jí)為功率放大器。采用第一級(jí)運(yùn)算放大器的意義在于隔離DDS電路和功率放大器，匹配前后級(jí)電路的阻抗，增強(qiáng)信號(hào)帶載能力，減小失真，選型為儀用放大器AD620。儀用運(yùn)放輸入阻抗大、噪音低、偏置電流小，能夠很好地抑制噪音和溫漂；儀用放大器的放大倍數(shù)設(shè)置為約10倍，且若增大信號(hào)的幅度，在一定程度上也能夠抑制傳輸線路上的干擾。功放電路的具體電路圖如圖3所示。

圖3 功放電路圖

功放芯片選型為TDA7294，是一款A(yù)B類集成功放，內(nèi)部設(shè)有電子開關(guān)，可以通過STBY旁路和MUTE靜音模式來切換此電子開關(guān)，當(dāng)需要靜音和旁路功能時(shí)，可將電子開關(guān)切換到同相輸入通道。功放芯片工作在負(fù)反饋狀態(tài)下，放大倍數(shù)由反饋電阻決定，計(jì)算公式如下：

當(dāng)±35 V供電，后級(jí)調(diào)諧電路負(fù)載為4 Ω時(shí)，電阻R11和R10取值分別為22 kΩ和680 Ω，功放芯片的增益大約為30 dB，調(diào)整分壓電阻R91和R92的大小比例，可以將輸出信號(hào)的功率調(diào)整至70 W，從而能夠滿足FTGS的參數(shù)要求[11]。

3 發(fā)碼電路軟件設(shè)計(jì)

軟件編譯環(huán)境為ICC AVR，程序主要包含三部分：第一部分是軌道區(qū)段狀態(tài)檢測(cè)，用于檢測(cè)軌道區(qū)段當(dāng)前狀態(tài)，以確定發(fā)送位模式還是行車報(bào)文；第二部分是DDS芯片控制程序，用單片機(jī)控制DDS芯片，產(chǎn)生移頻信號(hào)；第三部分是區(qū)段位模式和調(diào)制信號(hào)的處理，根據(jù)運(yùn)營現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置的區(qū)段信息，發(fā)送該區(qū)段正確的移頻信號(hào)。軟件設(shè)計(jì)中最主要的部分是單片機(jī)對(duì)DDS芯片的控制程序，以下是AD9854初始化基本程序：

4 系統(tǒng)應(yīng)用

FTGS軌道電路分為空閑和占用兩種狀態(tài)，對(duì)應(yīng)發(fā)碼電路的位模式發(fā)送狀態(tài)和行車報(bào)文發(fā)送狀態(tài)，位模式發(fā)送狀態(tài)示意圖如圖4所示。FTGS發(fā)碼電路包含在發(fā)送端設(shè)備內(nèi)，軌道電路的接收端設(shè)備主要包含解碼設(shè)備和軌道繼電器(GJ)，軌道區(qū)段無車占用時(shí)，AVR單片機(jī)檢測(cè)到GJ吸起狀態(tài)后，向鋼軌發(fā)送位模式編碼，接收端解碼相應(yīng)的位模式編碼，驅(qū)動(dòng)GJ，保持其吸起狀態(tài)，從而穩(wěn)定軌道區(qū)段的空閑表示。軌道區(qū)段空閑狀態(tài)下發(fā)碼電路輸出的位模式信號(hào)波形見圖5。

FTGS-917型軌道電路的位模式總共有15種，圖5中信號(hào)波形對(duì)應(yīng)4.4模式，即上邊頻和下邊頻各占半個(gè)周期時(shí)長，從示波器的波形上看，發(fā)碼電路發(fā)送的位模式信號(hào)上下邊頻連續(xù)性好，可以有效降低接收端解碼電路的誤碼率。表1為發(fā)碼電路各個(gè)載頻以及相應(yīng)上下邊頻的測(cè)試結(jié)果，使用西門子專用的FTGS軌道電路測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試，從表1的測(cè)試結(jié)果來看，發(fā)碼電路輸出信號(hào)誤差遠(yuǎn)小于4 Hz，可以滿足FTGS軌道電路的設(shè)計(jì)要求。

圖4 軌道空閑發(fā)送位模式示意圖

圖5 FTGS位模式波形圖

表1 發(fā)碼電路輸出波形測(cè)試結(jié)果匯總表 /Hz

軌道占用發(fā)送報(bào)文示意圖如圖6所示。當(dāng)軌道區(qū)段被列車占用，信號(hào)傳輸介質(zhì)——鋼軌被列車輪對(duì)短路，接收端設(shè)備無法收到位模式信號(hào)，從而釋放GJ，單片機(jī)檢測(cè)到GJ的落下狀態(tài)，自動(dòng)切換發(fā)碼模式，從發(fā)送位模式信號(hào)轉(zhuǎn)換到列車的行車報(bào)文。行車報(bào)文的傳輸方向迎著列車的運(yùn)行方向，方便列車頭部的機(jī)車天線接收，列車的行車報(bào)文同樣是二進(jìn)制編碼的頻移鍵控信號(hào)，攜帶著列車及線路的相關(guān)信息。

圖6 軌道占用發(fā)送報(bào)文示意圖

5 結(jié)論

結(jié)合目前國內(nèi)FTGS發(fā)碼電路的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的發(fā)碼電路，該方案采用單片機(jī)控制DDS芯片的方法，直接產(chǎn)生軌道電路所需要的移頻信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)地鐵正線發(fā)送移頻信號(hào)的功能。本研究采用DDS技術(shù)來替代既有分立元件的方法，一方面能夠大幅簡(jiǎn)化電路，提高設(shè)備的可靠性，降低故障排查難度；另一方面提高了移頻信號(hào)的質(zhì)量。利用現(xiàn)場(chǎng)專用西門子FTGS測(cè)試儀對(duì)移頻信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，信號(hào)的精度和穩(wěn)定度均達(dá)到要求，可以作為改進(jìn)FTGS發(fā)碼電路的一種設(shè)計(jì)方案。