??? 摘? 要: 為了在線檢測(cè)移頻軌道信號(hào)參數(shù),設(shè)計(jì)了基于TMS320F2812專用數(shù)字信號(hào)處理器的移頻軌道信號(hào)測(cè)試儀,有效地提高了數(shù)據(jù)處理能力和處理速度。采用欠采樣" title="欠采樣">欠采樣技術(shù)和快速傅立葉變換(FFT)解調(diào)算法,使儀器測(cè)量的頻率分辨率" title="頻率分辨率">頻率分辨率有很大提高,保證了測(cè)量的精準(zhǔn)度。設(shè)計(jì)通過(guò)試驗(yàn),達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)研究目標(biāo)。?

??? 關(guān)鍵詞: TMS320F2812; 移頻; 欠采樣?

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??? 移頻軌道電路" title="軌道電路">軌道電路是鐵路信號(hào)的重要基礎(chǔ)設(shè)備,它將列車運(yùn)行與信號(hào)顯示等聯(lián)系起來(lái),用來(lái)監(jiān)督線路的占用情況,即通過(guò)移頻軌道電路向列車傳遞行車信息。因此,準(zhǔn)確的軌道信號(hào)是列車安全行車的保障。它的性能直接影響列車的行車安全和運(yùn)輸效率。移頻信號(hào)測(cè)試儀是以微處理器或數(shù)字信號(hào)處理器為核心,對(duì)移頻軌道電路信號(hào)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的設(shè)備。目前,國(guó)外使用移頻軌道電路比較成熟的國(guó)家都有相對(duì)先進(jìn)的移頻信號(hào)在線測(cè)試儀器。而在我國(guó),盡管移頻軌道電路發(fā)展迅速,但相應(yīng)的測(cè)試技術(shù)和儀器發(fā)展相對(duì)緩慢。隨著2006年7月1日新的《鐵路信號(hào)維護(hù)規(guī)則》實(shí)施和2007年4月我國(guó)骨干鐵路的第六次大提速,已有的測(cè)試設(shè)備在測(cè)量精度上已難以滿足新的技術(shù)要求和實(shí)際應(yīng)用。為保證列車的行車安全,必須開(kāi)發(fā)和使用精準(zhǔn)度更高的專用移頻軌道電路測(cè)試儀對(duì)移頻信號(hào)參數(shù)進(jìn)行在線測(cè)量。本文采用TI公司的新一代32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812^[1-2]設(shè)計(jì)了一種專用數(shù)字信號(hào)處理器移頻軌道信號(hào)測(cè)試儀。?

1 設(shè)計(jì)方案?

??? 移頻信號(hào)測(cè)試儀必須具備如下功能:?

??? (1)頻率計(jì)功能。可以測(cè)量并數(shù)字顯示移頻信號(hào)的上邊頻、下邊頻、中心頻率、基頻頻率、單頻信號(hào)的平均頻率。(2)電壓、電流表功能?？梢詼y(cè)量并數(shù)字顯示移頻信號(hào)電壓或電流的真有效值;單頻信號(hào)電壓或電流的真有效值;直流信號(hào)的電壓值。(3)數(shù)據(jù)庫(kù)功能。對(duì)一定測(cè)量次數(shù)內(nèi)的數(shù)據(jù)根據(jù)選擇進(jìn)行存儲(chǔ),方便離線分析。(4)通信功能。實(shí)現(xiàn)儀器與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換。?

為了實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀要求的功能,采用320×240圖形點(diǎn)陣式液晶顯示器(LCD),完成對(duì)移頻信號(hào)參數(shù)測(cè)量結(jié)果的數(shù)字顯示或圖形顯示;設(shè)置鍵盤,可通過(guò)相應(yīng)的按鍵操作,完成菜單選擇或所選菜單的參數(shù)測(cè)量;為實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)所測(cè)量的數(shù)據(jù)構(gòu)建測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù),設(shè)置了EEPROM;通過(guò)串行接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。移頻軌道電路測(cè)試儀的主要原理框圖如圖1所示。

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??? 測(cè)試儀的工作原理如下:?

??? 電壓或電流傳感器在測(cè)量點(diǎn)采集信號(hào)后送前置調(diào)理電路。調(diào)理電路對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行放大、整形和濾波后送A/D" title="A/D">A/D接口,A/D模塊把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),由TMS320F2812進(jìn)行存儲(chǔ)、計(jì)算,然后調(diào)用顯示程序,在LCD上顯示所測(cè)量參數(shù)的結(jié)果。通過(guò)鍵盤操作,可以由菜單選擇要測(cè)量的信號(hào)參數(shù)或顯示測(cè)量結(jié)果的圖形等。測(cè)試儀將一定測(cè)量次數(shù)的結(jié)果根據(jù)選擇存入EEPROM,方便離線查詢。通過(guò)通信接口測(cè)試儀與上位計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通信,將測(cè)量結(jié)果導(dǎo)入計(jì)算機(jī)備份或進(jìn)行更詳細(xì)的分析。充電電池組經(jīng)電源產(chǎn)生電路產(chǎn)生為整個(gè)儀器和傳感器提供所需的+5V、±5V、+3.3V、+1.9V電源,以保證儀器能夠穩(wěn)定地工作。?

2 測(cè)試儀的軟硬件設(shè)計(jì)?

2.1 硬件設(shè)計(jì)?

??? CPU選用TI公司的2000系列DSP芯片TMS320F2812[2]作為主處理器,該芯片采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu),具有分離的程序總線和數(shù)據(jù)總線,使用四級(jí)流水線作業(yè),每秒可執(zhí)行1.5億次指令;具有單周期32位×32位的乘及累加操作功能,因而可以在更短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行復(fù)雜的濾波及頻譜分析等運(yùn)算;56個(gè)多功能口,在不作為第二功能口使用時(shí),可以通過(guò)寄存器設(shè)置作為普通的GPIO口使用,可方便地與外部設(shè)備連接;內(nèi)部外設(shè)的集成度高,有利于提高信號(hào)處理過(guò)程中的抗干擾能力,也方便了系統(tǒng)的升級(jí)和優(yōu)化。其電路原理圖如圖2所示。?

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??? TMS320F2812芯片內(nèi)置2個(gè)獨(dú)立的8通道模塊和采樣保持的12位ADC核心^[2],0～3V的單極性模擬輸入,每個(gè)輸入模塊可以通過(guò)多路開(kāi)關(guān)選擇其具有的8個(gè)通道中的任何一個(gè)。ADC可以通過(guò)軟件、事件管理器、外部引腳等觸發(fā)源啟動(dòng)。由于移頻信號(hào)采集為雙極性輸入,而ADC為單極性輸入,所以必須對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行單極性轉(zhuǎn)換^[3]。其電路原理圖如圖3所示。?

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??? 通過(guò)對(duì)TMS320F2812芯片的ADC信號(hào)采集實(shí)驗(yàn),可得ADC增益誤差一般在5%以內(nèi),失調(diào)誤差一般在2%以內(nèi)。為了提高ADC轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度,選用ADC的ADCINA1和ADCINA2通道作為兩個(gè)參考輸入通道(兩個(gè)通道電壓不能相同),利用讀取相應(yīng)結(jié)果寄存器的轉(zhuǎn)換值,得出ADC的校正增益和校正失調(diào),然后由這兩個(gè)值對(duì)采樣通道的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償,由此提高了ADC轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確度。其電路原理圖可參考圖2。?

??? TMS320F2812芯片本身沒(méi)有I²C總線,但通過(guò)TMS320F2812的GPIO接口可以模擬I²C總線。AT24C512是具有I2C總線接口的EEPROM,與模擬的I2C總線連接,用于檢測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。液晶通過(guò)TMS320F2812的總線連接,用于顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)字或圖形。鍵盤采用直接的GPIO口連接,中斷觸發(fā),通過(guò)按鍵選擇LCD上顯示的菜單,完成待檢測(cè)參數(shù)的配置、測(cè)量及結(jié)果顯示。由于TMS320F2812的總線和GPIO都為3.3V供電,因此與5V系統(tǒng)接口時(shí)需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。?

2.2 軟件設(shè)計(jì)?

2.2.1 程序流程?

??? 軟件是整個(gè)儀器的靈魂,它是算法和功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。測(cè)試儀主要完成的任務(wù)有:(1)A/D轉(zhuǎn)換器的配置、啟動(dòng)和數(shù)據(jù)讀取;(2)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、計(jì)算;(3)數(shù)據(jù)的液晶顯示;(4)按鍵管理;(5)通信。?

??? 根據(jù)上述任務(wù),結(jié)合硬件電路特點(diǎn),軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下:主程序是一個(gè)循環(huán)體,在循環(huán)中等待按鍵中斷,當(dāng)接收到按鍵中斷信號(hào)時(shí),系統(tǒng)進(jìn)入按鍵中斷程序,根據(jù)判斷的鍵值和當(dāng)前儀器的狀態(tài),調(diào)用相應(yīng)的處理子程序。菜單選擇功能,數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、計(jì)算和顯示功能,通信功能等都在相應(yīng)的子程序中實(shí)現(xiàn)。主要程序流程如圖4所示。?

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2.2.2? 解調(diào)算法選取?

??? 移頻信號(hào)解調(diào)算法采用經(jīng)典的快速傅立葉變換(FFT)算法^[4]。工程中應(yīng)用的FFT主要有復(fù)數(shù)傅立葉變換(CFFT)算法、實(shí)數(shù)傅立葉變換(RFFT)算法等。CFFT算法,在計(jì)算前對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)的復(fù)數(shù)存儲(chǔ),即實(shí)部為實(shí)際的采樣值,虛部為零,然后采用時(shí)間抽取(DIT)基2FFT算法,這樣每個(gè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需要4個(gè)字的數(shù)據(jù)空間,增加了運(yùn)算時(shí)間。RFFT算法,在計(jì)算前按實(shí)際情況對(duì)信號(hào)的采樣值進(jìn)行連續(xù)存儲(chǔ),位反轉(zhuǎn)后調(diào)用CFFT變換;計(jì)算后,對(duì)變換的結(jié)果按奇、偶分兩組排列,進(jìn)行幅度平方計(jì)算,這樣每個(gè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)只需要2個(gè)字的數(shù)據(jù)空間,因此,選用RFFT算法,節(jié)約了資源。兼顧存儲(chǔ)資源和計(jì)算的時(shí)間,本軟件設(shè)計(jì)其信號(hào)的采樣數(shù)為2 048點(diǎn)。?

2.2.3 采樣頻率" title="采樣頻率">采樣頻率選取?

??? 我國(guó)使用的移頻信號(hào)主要是國(guó)內(nèi)移頻和UM71系列。其中,國(guó)內(nèi)移頻信號(hào)的載頻為550Hz、650Hz、750Hz、850Hz,頻偏為±55Hz,調(diào)制頻率為7Hz～26Hz之間確定的18個(gè)低頻信息; UM71系列移頻信號(hào)的載頻為1 700Hz、2 000Hz、2 300Hz、2 600Hz,頻偏為±11Hz,調(diào)制頻率為10.3Hz～29Hz,每隔1.1Hz產(chǎn)生18個(gè)低頻信息。?

??? 對(duì)移頻信號(hào)進(jìn)行采樣,如果由奈奎斯特采樣定理來(lái)設(shè)定采樣頻率f_s,則要求f_s不小于信號(hào)最高頻率f_h的2倍,即f_s≥2f_h,所以理論的最低采樣頻率f_s≥5 222Hz。如果要求頻率的分辨率Δf≤1Hz,就必須采集5 222個(gè)以上的數(shù)據(jù),這就需要很大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。由于移頻信號(hào)具有明顯帶通信號(hào)的特征,因此可以對(duì)移頻信號(hào)進(jìn)行欠采樣^[5],即低于奈奎斯特采樣頻率進(jìn)行采樣,由頻率分辨率Δf=f_s/N可得,在采樣點(diǎn)數(shù)不變的情況下,降低采樣頻率,可以提高頻率分辨率。?

??? 根據(jù)欠采樣定理:?

??? 頻率范圍為f∈[f_l,f_h]的帶通信號(hào),f(t)的采樣頻率f_s的選取由下式?jīng)Q定:?

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??? 式中,K=0,1,2,…,R?

??? R的最大值為:?

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??? 通過(guò)分析可得,FFT運(yùn)算后得到的信號(hào)頻譜是原始信號(hào)頻譜搬移到低頻部分的結(jié)果,信號(hào)的幅度不會(huì)發(fā)生變化。設(shè)采樣后的頻率值為f_b′,實(shí)際頻率值為f_b,搬移次數(shù)為K。當(dāng)K為偶數(shù)時(shí),經(jīng)過(guò)偶數(shù)次搬移,只把原始信號(hào)頻譜平移到低頻,不會(huì)改變?cè)夹盘?hào)的頻譜關(guān)系;當(dāng)K為奇數(shù)時(shí),原頻譜以f_s/2為周期向低頻進(jìn)行奇數(shù)次搬移, 奇數(shù)次搬移將使原始信號(hào)頻點(diǎn)越過(guò)采樣頻譜上界后向回折疊。所以奇數(shù)次搬移后的帶通采樣信號(hào)頻點(diǎn)與偶數(shù)次搬移后的頻點(diǎn)成互補(bǔ)關(guān)系,它們之間滿足下面的關(guān)系:?

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??? 根據(jù)上述定理,信號(hào)載頻為550Hz和750Hz(下行線)時(shí),欠采樣頻率存在重疊部分402.5≤f_s≤463.3;在信號(hào)載頻為650Hz和850Hz(上行線)時(shí),欠采樣頻率也存在重疊部分470≤f_s≤530。所以上行線的欠采樣頻率可選擇為 490Hz,下行線的欠采樣頻率可選擇440Hz。對(duì)于 UM-71 系列無(wú)絕緣軌道電路,由欠采樣定理得出四種載頻信號(hào)的欠采樣頻率存在共同的部分,最佳欠采樣頻率可選擇590Hz。具體程序?qū)崿F(xiàn)為:通過(guò)外部測(cè)量按鍵給INT2_ADCSOC引腳一個(gè)脈沖來(lái)啟動(dòng)一個(gè)連續(xù)模式的A/D轉(zhuǎn)換,由之前選定的測(cè)量類型確定欠采樣周期,完成對(duì)ADC的數(shù)字濾波器、中斷標(biāo)志等參數(shù)配置,此時(shí)開(kāi)始采樣,程序?qū)Σ蓸咏Y(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)和計(jì)數(shù)。當(dāng)存儲(chǔ)的采樣點(diǎn)計(jì)數(shù)N達(dá)到設(shè)定值時(shí),停止采樣并調(diào)用數(shù)據(jù)處理和顯示程序。數(shù)據(jù)處理程序?qū)Υ鎯?chǔ)的采樣值先進(jìn)行實(shí)際值轉(zhuǎn)換,然后由公式:(式中,N為采樣點(diǎn)數(shù),V_m為第m次采樣的電壓瞬時(shí)值)計(jì)算電壓的有效值,并將電壓值顯示。最后對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行RFFT算法變換,解調(diào)出信號(hào)的載頻和調(diào)頻,將其結(jié)果存儲(chǔ)并數(shù)字顯示。當(dāng)本次采集、轉(zhuǎn)換、解調(diào)、顯示結(jié)束后,程序?qū)⒌却俅螁?dòng)A/D進(jìn)行再次測(cè)量。?

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析?

??? 移頻信號(hào)其移頻指數(shù)由下式?jīng)Q定:?

?????

式中:Δf為頻偏,F為調(diào)制頻率。?

??? 由式(3)可得,國(guó)內(nèi)移頻信號(hào)的移頻指數(shù)都大于2,信號(hào)的能量會(huì)向以±Δf為頻偏的上下兩個(gè)邊頻的位置擴(kuò)散,所以經(jīng)過(guò)FFT解調(diào)后信號(hào)的頻譜表現(xiàn)為雙峰,且峰值處的能量相等。而UM-71系列移頻信號(hào)的移頻指數(shù)都小于2,信號(hào)的能量向中心載頻靠近,信號(hào)的頻譜表現(xiàn)為單峰。?

??? 選用國(guó)內(nèi)移頻信號(hào)對(duì)本測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試信號(hào)為:載頻850Hz,頻偏±55Hz,基頻9Hz,幅值1.9V,移頻指數(shù)6,欠采樣頻率440Hz。將測(cè)試儀采樣的數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果用TI公司提供的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS3.1(Code Composer Studio 3.1)進(jìn)行分析,通過(guò)調(diào)用TMS320F2812存儲(chǔ)單元的內(nèi)容,其圖形顯示采樣和計(jì)算結(jié)果如圖5所示。?

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??? 通過(guò)上述方法設(shè)計(jì)的移頻信號(hào)測(cè)試儀,實(shí)現(xiàn)了移頻信號(hào)的準(zhǔn)確解調(diào),解調(diào)后的頻率分辨率Δf<0.3Hz,有效地提高了檢測(cè)的精確度。?

??? 欠采樣技術(shù)在提高測(cè)量分辨率的同時(shí),相對(duì)延長(zhǎng)了信號(hào)的采樣時(shí)間,使不定干擾增加,同時(shí)濾波器不能完全理想化,這些因素使測(cè)量結(jié)果有一些失真,出現(xiàn)雙峰值能量不相等的現(xiàn)象。?

??? 本文以現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812為核心,進(jìn)行了移頻軌道電路測(cè)試儀設(shè)計(jì),充分利用DSP作為數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn),使設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、性能可靠。同時(shí),在信號(hào)采集時(shí),采用欠采樣技術(shù),有效地提高了測(cè)量分辨率,充分實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。?

參考文獻(xiàn)?

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