《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于TMS320C6722的高速鐵路軌道信號(hào)發(fā)送與接收模擬系統(tǒng)
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2010年第10期
張西峰,杜普選
北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,北京100044
摘要: 介紹一套高速鐵路軌道信號(hào)模擬系統(tǒng),討論了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)以TMS320C6722浮點(diǎn)DSP為數(shù)據(jù)處理核心,ARM協(xié)處理器為控制核心,能夠模擬自主開發(fā)的、適合中國(guó)高速鐵路的改進(jìn)型數(shù)字編碼和正交化FSK軌道信號(hào)的發(fā)送和解調(diào)過程。
中圖分類號(hào): TN911.72
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2010)10-0025-04
A transmitting and receiving simulation system of high-speed railway track signals based on TMS320C6722
ZHANG Xi Feng,DU Pu Xuan
School of Electronics and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044,China
Abstract: The design develops a simulation system of track signals. This paper analyzes the design method of the system's hardware and software. TMS320C6722 Floating-point DSP is applied as data processing core,ARM is applied as control core, and the system simulates the transmission and demodulation of improved digital coding and orthogonal FSK track signals,which is developed independently and suitable for Chinese high-speed railway.
Key words : high-speed railway signals;floating-point DSP;transmission;demodulation

    鐵路信號(hào)的主要任務(wù)是保證行車安全,提高運(yùn)輸效率。隨著鐵路運(yùn)輸向重載、高速、高密度方向發(fā)展,對(duì)直接指揮和控制列車運(yùn)行的鐵路信號(hào)提出了更高的要求。各國(guó)鐵路,特別是發(fā)達(dá)國(guó)家鐵路積極引進(jìn)和采用新技術(shù),加大研發(fā)力度,推動(dòng)高速鐵路信號(hào)的發(fā)展[1]。
    我國(guó)目前運(yùn)用的軌道信號(hào)主要是交流計(jì)數(shù)信號(hào)(解調(diào)時(shí)間大于4 s,且抗干擾性能很弱)﹑移頻信號(hào)(頻點(diǎn)設(shè)置不合理,不滿足正交條件,占用頻帶寬,抗干擾能力弱,大部分頻率解調(diào)難度大,解調(diào)時(shí)間長(zhǎng),存在倍頻信號(hào)的隱患)、UM71信號(hào)、ZPW2000A信號(hào)(頻點(diǎn)不滿足正交條件,16.9 Hz以下的調(diào)制頻率的調(diào)制系數(shù)大,對(duì)上下邊頻的漂移敏感,存在倍頻的隱患)、數(shù)字編碼信號(hào)(設(shè)備復(fù)雜昂貴,解調(diào)時(shí)間2.5 s-3.0 s)。但這些軌道信號(hào)存在的缺點(diǎn),導(dǎo)致其完全不能適應(yīng)當(dāng)前國(guó)內(nèi)高速鐵路的需要,因此急需研制新型國(guó)產(chǎn)軌道信號(hào)系統(tǒng)。新型軌道信號(hào)必須適應(yīng)列車提高運(yùn)行速度和運(yùn)行密度的需要,適應(yīng)重載運(yùn)輸?shù)男枰?,適應(yīng)電氣化鐵路發(fā)展的需要。同時(shí)還不能脫離現(xiàn)有的基礎(chǔ),要盡量利用現(xiàn)有的軌道電路信道,即在現(xiàn)有軌道電路的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)新型軌道信號(hào)。為此本文討論了自主開發(fā)的適應(yīng)于高速鐵路的改進(jìn)型數(shù)字編碼信號(hào)和正交化FSK信號(hào),并研究了一套能夠模擬以上兩種高速鐵路信號(hào)發(fā)送和解調(diào)過程的硬件平臺(tái)。
1 系統(tǒng)分析
    通過對(duì)原有的鐵路軌道信號(hào)進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化改進(jìn),提出了適合中國(guó)高速鐵路的改進(jìn)型數(shù)字編碼和正交化FSK信號(hào),并開發(fā)了以TMS320C6722浮點(diǎn)DSP為數(shù)據(jù)處理核心的高速鐵路信號(hào)的發(fā)送與接收模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)為通用型系統(tǒng),不但可以實(shí)現(xiàn)改進(jìn)型數(shù)字編碼和正交化FSK信號(hào)的發(fā)送和解調(diào),而且預(yù)留了更多的擴(kuò)展接口,可以應(yīng)用于研究創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。
    本系統(tǒng)按其主要功能分為信號(hào)發(fā)送和信號(hào)解調(diào)兩部分,系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.1 信號(hào)發(fā)送單元
    信號(hào)發(fā)送單元主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的產(chǎn)生和發(fā)送,同時(shí)還可在信號(hào)中混入噪聲,進(jìn)行實(shí)際軌道信號(hào)的模擬。信號(hào)發(fā)送由上位機(jī)控制,上位機(jī)選擇發(fā)送信號(hào)的幅度、載頻、調(diào)制頻率等參數(shù),并選擇是否添加噪聲,然后通過USB傳輸?shù)接布到y(tǒng)控制DDS發(fā)碼單元發(fā)送相關(guān)制式鐵路信號(hào)。在發(fā)送過程中,上位機(jī)界面可以實(shí)時(shí)顯示信號(hào)的發(fā)送參數(shù)和相應(yīng)波形。
1.2 信號(hào)解調(diào)單元
    信號(hào)解調(diào)單元負(fù)責(zé)接收信號(hào),對(duì)其進(jìn)行時(shí)域和頻域分析。通過對(duì)載頻信息的檢測(cè)完成對(duì)各種制式的確定,然后按照不同制式的解調(diào)算法進(jìn)行解調(diào)。信號(hào)解調(diào)過程首先由A/D采集DDS發(fā)送的軌道信號(hào),然后采集數(shù)據(jù)送入DSP處理器,DSP判斷信號(hào)制式進(jìn)行相應(yīng)解調(diào),解調(diào)后的數(shù)據(jù)通過雙口RAM送入ARM協(xié)處理器,ARM控制液晶顯示信號(hào)制式、載頻、調(diào)制頻率等,并通過USB傳輸解調(diào)信息到上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示。
2 系統(tǒng)硬件分析
    系統(tǒng)的硬件整體框架圖如圖2所示[2]。

2.1 雙CPU單元
    采用TI公司的浮點(diǎn)DSP處理器TMS320C6722作為整個(gè)系統(tǒng)的核心,應(yīng)用其出色的運(yùn)算能力和數(shù)據(jù)處理速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn),完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理任務(wù)??刂茊卧捎肅ORTEX-M3為內(nèi)核的ARM芯片STM32F103ZET6作為核心,其強(qiáng)大的控制能力,滿足了整個(gè)系統(tǒng)的控制要求;其豐富的外設(shè)配置,為系統(tǒng)的擴(kuò)展和升級(jí)提供了很大的空間[3,4]。
2.2 主要外圍電路單元
    DDS發(fā)送單元以AD9831為核心,配合相應(yīng)算法及程序發(fā)送正交化FSK信號(hào)和數(shù)字編碼信號(hào)。由于AD9831頻率寄存器切換選擇線(FSELECT)需由定時(shí)器的輸出脈沖控制,以實(shí)現(xiàn)多頻之間切換,而DSP芯片定時(shí)器未設(shè)置定時(shí)器的外部引腳,故DDS的控制由協(xié)處理器STM32F103ZET完成。
    信號(hào)采集單元以MAX1322為核心,通過并行數(shù)據(jù)線與TMS320C6722相連,AD_EOC#連接C6722的外部中斷引腳,讀寫及片選由CPLD邏輯譯碼產(chǎn)生。
2.3 通信單元
    系統(tǒng)中DSP和ARM之間采用雙口RAM(IDT70V24)通信。該芯片配有兩套完全獨(dú)立的數(shù)據(jù)線、地址線、讀/寫控制線,允許主從控制器對(duì)雙端口存儲(chǔ)器的同一單元進(jìn)行同時(shí)存取。兩套完全獨(dú)立的中斷邏輯用來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)CPU之間的握手控制信號(hào);兩套獨(dú)立的“忙”邏輯,保證兩個(gè)CPU同時(shí)對(duì)同一單元讀/寫操作的正確性;讀/寫時(shí)序與普通單端口存儲(chǔ)器完全一樣,存取速度完全適合高速、實(shí)時(shí)的通信系統(tǒng)。
    PC和ARM之間采用USB或RS-232串口通信。
2.4 CPLD模塊
    采用ATMEL公司的CPLD 芯片ATF1508AS完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)序控制和硬件接口邏輯。它可以把DSP芯片進(jìn)一步解放出來集中完成數(shù)據(jù)處理工作,提高DSP芯片的使用效率;它還實(shí)現(xiàn)復(fù)位控制、輸出時(shí)鐘的功能。
3 軌道信號(hào)的改進(jìn)方案
    如果以目前的軌道電路為基礎(chǔ)對(duì)現(xiàn)有鐵路軌道信號(hào)進(jìn)行改進(jìn),將大大降低改造成本,而且改造容易,可以迅速普及。以下提出的方案基于目前的軌道電路[5]。
3.1 正交化高速高可靠軌道信號(hào)
    FSK信號(hào)是用數(shù)字調(diào)制信號(hào)的正負(fù)來控制載波的頻率,即頻移鍵控信號(hào)。目前國(guó)內(nèi)使用的UM71軌道信號(hào),雖然有占用頻帶窄、不容易受到干擾、解調(diào)相對(duì)容易、反應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn),但是其調(diào)制頻率的設(shè)置仍不滿足正交條件,16.9 Hz以下調(diào)制頻率的調(diào)制系數(shù)偏大,對(duì)上下邊頻的漂移敏感,也存在倍頻信號(hào)的隱患,UM71頻譜集中在中心載頻附近,當(dāng)調(diào)制頻率較低時(shí),調(diào)制系數(shù)偏大,尤其是10.3 Hz時(shí),其能量分布除了在中心載頻處有最大值外,它的次高譜線、次次高譜線處的能量也較大,不利于解調(diào)的可靠性。針對(duì)這些缺點(diǎn),對(duì)其進(jìn)行正交化改造。
    根據(jù)最佳接收系統(tǒng)的條件,如果移頻鍵控信號(hào)FSK的兩個(gè)頻率f1和f2滿足相互正交,則該信號(hào)系統(tǒng)的接收檢測(cè)可以達(dá)到最佳,進(jìn)而保證系統(tǒng)的可靠接收,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過推導(dǎo)可證明FSK信號(hào)的正交條件為兩頻率之差是其調(diào)制頻率的整數(shù)倍。由FSK信號(hào)的頻譜可知,其譜結(jié)構(gòu)是以載頻為中心、以調(diào)制頻率為間隔的離散譜。因此調(diào)制頻率越小,譜線越集中,信號(hào)頻帶越窄。正交化軌道信號(hào)采用調(diào)制系數(shù)0.5,不僅可以得到較窄的帶寬,還有很好的功率譜結(jié)構(gòu),方便可靠解調(diào)。改造方案大體如下:
    (1)采用原ZPW2000A信道,載頻設(shè)置上行2 000 Hz、2 600 Hz,下行1 700 Hz、2 300 Hz。這樣可以利用原軌道電路。
    (2)調(diào)制頻率設(shè)置滿足正交性,且正交系數(shù)為1,調(diào)制系數(shù)0.5。
    (3)不同的調(diào)制頻率對(duì)應(yīng)不同的頻偏,形成自適應(yīng)頻偏體系。
    (4)特征譜一次邊頻分量的相對(duì)幅度為1/3。
    (5)避開了50 Hz的諧波干擾。頻帶控制在正負(fù)40 Hz以內(nèi)。
    (6)調(diào)制頻率的選擇避免倍頻的可能。
    (7)解調(diào)速度提高到0.4 s~0.6 s。
    所以將調(diào)制頻率設(shè)計(jì)為從16.4 Hz~31.6 Hz,間隔為0.8 Hz遞增,避開了倍頻的可能,從而可以增加到20個(gè)調(diào)制信號(hào)。
3.2 新型數(shù)字編碼信號(hào)
    TVM430數(shù)字編碼信號(hào)有27個(gè)信息位,信息量遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)原有軌道信號(hào)。但是其最大缺陷在于信號(hào)解調(diào)周期長(zhǎng),信號(hào)可靠確定時(shí)間長(zhǎng),大大超過國(guó)產(chǎn)移頻信號(hào)和UM71信號(hào)。此外該軌道信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行成本昂貴,性價(jià)比低,且應(yīng)用中信息位存在冗余,理論上若信息位降低,解調(diào)周期必定會(huì)減少。針對(duì)以上問題,對(duì)TVM430信號(hào)進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化技術(shù)改造,在保證信息量的同時(shí)降低信息位,使之成為一種具有較高信息傳送能力、解調(diào)周期短、適合中國(guó)國(guó)情的數(shù)字軌道信號(hào)系統(tǒng)。
    經(jīng)過對(duì)鐵路現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)研和分析,提出了改進(jìn)方案。改進(jìn)的TVM430數(shù)字編碼信號(hào)被命名為新型數(shù)字編碼信號(hào)。新型數(shù)字編碼信號(hào)在滿足我國(guó)鐵路的實(shí)際情況的前提下,相比于原信號(hào)減少了低于4.08 Hz的低頻信息,從而提高了信號(hào)的抗干擾能力和解調(diào)速度。新型數(shù)字編碼信號(hào)去掉了路網(wǎng)碼,信息位共20 bit,其中坡度碼3 bit、閉塞分區(qū)長(zhǎng)度碼4 bit、速度碼5 bit、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼6 bit、奇偶監(jiān)督碼1 bit、占用碼1 bit。1 bit奇偶監(jiān)督碼專門用于速度碼的檢測(cè)。為了提高解調(diào)速度,在不同的信息碼之間添加0碼,即不同信息碼連接處的頻率間隔為1.28 Hz。載頻沿用TVM430信號(hào)的1 700 Hz、2 000 Hz、2 300 Hz、2 600 Hz四個(gè)載頻。
4 系統(tǒng)主要軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括:系統(tǒng)的整體控制、正交化FSK信號(hào)的發(fā)送和解調(diào)、數(shù)字編碼信號(hào)的發(fā)送和解調(diào)。鐵路軌道信號(hào)發(fā)送和解調(diào)過程主流程圖如圖3、圖4所示。

4.1 正交化FSK信號(hào)發(fā)送與解調(diào)
4.1.1 信號(hào)的發(fā)送

    上位機(jī)控制界面選擇要發(fā)送信號(hào)的各項(xiàng)參數(shù),包括制式、載頻、調(diào)制頻率、頻偏等,通過USB傳輸信號(hào)信息發(fā)送到ARM,ARM根據(jù)信號(hào)信息設(shè)置定時(shí)器參數(shù),發(fā)送DDS頻率參數(shù),完成FSK信號(hào)的發(fā)送。
4.1.2 信號(hào)的解調(diào)
    正交化FSK信號(hào)的解調(diào)過程中,采用了頻域解調(diào)方法。頻譜識(shí)別法能準(zhǔn)確直觀地找到特征功率譜,從而得出載頻和調(diào)制頻率。在正交化FSK信號(hào)中,調(diào)制頻率和頻偏存在倍數(shù)關(guān)系,可通過載頻和調(diào)頻計(jì)算出上下邊頻,即上下邊頻=載頻+調(diào)頻/2。
4.2 新型數(shù)字編碼信號(hào)發(fā)送與解調(diào)
4.2.1 信號(hào)的發(fā)送
    新型數(shù)字編碼信號(hào)碼字共19 bit,該信號(hào)是由多個(gè)低頻信號(hào)疊加形成的多音頻調(diào)制信號(hào),信號(hào)頻譜中有很多的交叉調(diào)制項(xiàng),通過DDS發(fā)送時(shí),采用調(diào)相的方式實(shí)現(xiàn)。首先根據(jù)數(shù)字編碼信號(hào)的特點(diǎn)建立相位表,然后初始化ARM的定時(shí)器,設(shè)置ARM定時(shí)器的中斷頻率為16 384 Hz。當(dāng)每次中斷發(fā)生時(shí)查表將相位表中的一個(gè)值寫入AD9831的相位偏移寄存器,重復(fù)發(fā)送相位表的值即可完成信號(hào)的發(fā)送。
4.2.2 信號(hào)的解調(diào)
    解調(diào)方法采用脈沖解調(diào)原理。根據(jù)數(shù)字編碼信號(hào)的特點(diǎn),其頻譜以載頻為對(duì)稱軸,載頻兩側(cè)有兩條占用碼形成的對(duì)稱的譜線,這三條譜線在頻譜中幅值較大。根據(jù)這一特征,對(duì)采樣信號(hào)求功率譜,找出其中的五條幅值較大的譜線按頻率排序,然后按照相應(yīng)規(guī)則判斷載頻是否存在。如果存在則繼續(xù)解調(diào),否則重新采樣。原信號(hào)通過高通濾波器后量化處理,在幅值正過零處形成脈沖序列,低通濾波后得到調(diào)制信號(hào)。對(duì)調(diào)制信號(hào)加Hamming窗截?cái)嗪筮M(jìn)行FFT變換,就得到了調(diào)制信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)。新型數(shù)字編碼信號(hào)的調(diào)制頻率的間隔為0.64 Hz。為了能準(zhǔn)確地識(shí)別出不同的調(diào)制頻率,采用了ZFFT技術(shù)得到0.031 25 Hz的頻譜觀察分辨率。得到的低頻信息還需進(jìn)行CRC校驗(yàn)以檢測(cè)解碼的正確性。CRC校驗(yàn)的優(yōu)先權(quán)高于奇偶校驗(yàn),若CRC校驗(yàn)不通過,再對(duì)速度碼進(jìn)行奇偶校驗(yàn),如果速度碼正確,則對(duì)信息碼循環(huán)糾錯(cuò),直到通過CRC校驗(yàn),解碼結(jié)束[6]。
4.3 USB通信設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)的USB通信部分實(shí)現(xiàn)ARM和上位機(jī)之間的通信。系統(tǒng)采用全速USB2.0標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行批量數(shù)據(jù)傳輸。STM32F103ZET自帶USB2.0全速設(shè)備外設(shè)固件接口,即USB固件庫(kù)。可以用此庫(kù)進(jìn)行USB宏單元簡(jiǎn)化開發(fā)。通過USB的高、低優(yōu)先權(quán)中斷處理函數(shù)USB_HPI()與USB_
LPI(),響應(yīng)相關(guān)的批量傳輸中斷。
4.4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
    由于所發(fā)送信號(hào)參數(shù)復(fù)雜,如果用硬件實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)送控制,必將造成面板設(shè)計(jì)復(fù)雜,而且顯示的信息量也不多,因此采用PC機(jī)作為主控制端,在PC上用Borland C++ Builder 6開發(fā)相關(guān)發(fā)送、接收界面。
    基于TMS320C6722 DSP浮點(diǎn)處理器的軌道信號(hào)模擬系統(tǒng),能夠模擬高速鐵路信號(hào)的發(fā)送和解調(diào)過程。該系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)軌道信號(hào)的實(shí)時(shí)發(fā)送過程中,能夠隨時(shí)添加單頻干擾或雙頻干擾。本系統(tǒng)經(jīng)過測(cè)試,性能穩(wěn)定,解調(diào)結(jié)果正確,各項(xiàng)指標(biāo)符合鐵道部要求,達(dá)到了預(yù)期的要求。該系統(tǒng)可為國(guó)內(nèi)高速鐵路信號(hào)系統(tǒng)提供可行的解決方案,也可為教學(xué)和實(shí)驗(yàn)提供演示,具有很好的應(yīng)用前景。
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