一種工業(yè)機(jī)車通信DPSK解調(diào)器設(shè)計(jì)

摘要：車地通信系統(tǒng)在工業(yè)機(jī)車自動(dòng)化中發(fā)揮重要作用，是列車安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。文中分析了感應(yīng)無線通信原理，設(shè)計(jì)了一種基于感應(yīng)無線技術(shù)與TMS320F28335 DSP芯片的DPSK車地通信用解調(diào)器，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的硬件組成和電路設(shè)計(jì)技術(shù)問題，給出系統(tǒng)軟件流程圖。該系統(tǒng)經(jīng)過測試，具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，滿足工業(yè)機(jī)車車地通信要求。

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，要實(shí)現(xiàn)大型移動(dòng)機(jī)車位置實(shí)時(shí)檢測與自動(dòng)化控制，車地通信裝置性能具有非常重要的意義。感應(yīng)無線技術(shù)是一項(xiàng)針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中大型移動(dòng)機(jī)車自動(dòng)化而研制的工業(yè)應(yīng)用技術(shù)，主要包括基于感應(yīng)無線的機(jī)車位置檢測技術(shù)和車地?cái)?shù)據(jù)通信技術(shù)。感應(yīng)無線數(shù)據(jù)通信是通過安裝在機(jī)車底部的天線箱與敷設(shè)在地面軌道旁的編碼電纜間的電磁耦合實(shí)現(xiàn)信息傳遞，由于通信距離較短，通信的質(zhì)量較高。感應(yīng)無線技術(shù)在工業(yè)機(jī)車自動(dòng)化和軌道交通領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。文中提出了一種基于感應(yīng)無線技術(shù)的車地通信調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)方案，以TMS320F28335芯片為核心設(shè)計(jì)了一種DPSK解調(diào)器實(shí)現(xiàn)車地通信。

1 感應(yīng)無線數(shù)據(jù)通信原理

圖1給出了感應(yīng)無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)主要由中央控制室的調(diào)制解調(diào)器、編碼電纜、機(jī)車上的天線箱和調(diào)制解調(diào)器構(gòu)成。天線箱由接收線圈和發(fā)送線圈構(gòu)成，編碼電纜中具有通信用傳輸對(duì)線。編碼電纜安裝在機(jī)車軌道旁邊，在機(jī)車行走過程中，安裝在機(jī)車上底部的天線箱跟隨機(jī)車移動(dòng)，并始終與編碼電纜保持 5-20cm距離，數(shù)據(jù)通信就是通過安裝在移動(dòng)機(jī)車上的天線箱中線圈與敷設(shè)在地面軌道旁的編碼電纜中的通信傳輸對(duì)線之間近距離電磁耦合傳遞信息，天線箱與編碼電纜之間形成了一個(gè)距離很短的無線通信信道，實(shí)現(xiàn)中央控制室與移動(dòng)機(jī)車之間的數(shù)據(jù)通信。

為了抑制干擾，特別是抑制同頻干擾噪聲(機(jī)車上的變頻調(diào)速裝置產(chǎn)生的且與感應(yīng)無線數(shù)據(jù)通信載波頻率相同或相近的諧波)，編碼電纜通信傳輸對(duì)線和車上接收天線均采用交叉結(jié)構(gòu)，衰減干擾噪聲，天線箱線圈與編碼電纜中通信傳輸對(duì)線結(jié)構(gòu)如圖2所示。

假設(shè)每個(gè)天線線圈或者編碼電纜網(wǎng)孔寬度為，發(fā)送線圈中心偏離L0和L1的中心分別為，d0，d1。r=d0+d1由于天線箱線圈和編碼電纜之間距離短，可以把它們之間的磁場看成是均勻磁場。若發(fā)送線圈中激勵(lì)電流為i=Imsinωt，則L0和L1的合成感應(yīng)電動(dòng)勢e為：

其中Emax為發(fā)送線圈中心和L0或L1線圈網(wǎng)孔中心重合時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢達(dá)到的最大值。

2 硬件設(shè)計(jì)

從硬件角度而言，整個(gè)系統(tǒng)包括主要包括TMS320F28335 DSP、CPLD控制模塊(DPSK調(diào)制模塊)、信號(hào)調(diào)理電路、功率放大模塊、RS-485通信接口、輸入輸出模塊、JTAG接口以及電源管理模塊等。圖 3所示為系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖。其中S0、S1是無線感應(yīng)信號(hào)，是已調(diào)信號(hào)。

由于調(diào)制部分相對(duì)容易，下面重點(diǎn)闡述解調(diào)部分硬件電路和軟件設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)。

2.1 主控模塊

該車地通信系統(tǒng)的主控模塊選用的是32位的高性能DSC芯片TMS320F28335，主頻達(dá)150MHz，片上帶有256K字FLASH，34K字 SARAM，1K字OTPROM。片上集成了3個(gè)32位CPU定時(shí)器，16通道12位高速ADC，6通道的DMA控制器，以及UART、SPI、PWM、 GPIO等，片上外圍設(shè)備資源豐富。

在該系統(tǒng)中，TMS320F28335 DSP主要工作有：在解調(diào)時(shí)，控制其片上12bit ADC進(jìn)行采樣，根據(jù)ADC采樣的信號(hào)控制程控放大器(PGA)將感應(yīng)信號(hào)調(diào)理到適合的幅度，對(duì)采樣后信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理與軟件解調(diào)，解調(diào)后的信號(hào)通過 RS-485總線送給上位機(jī)。在調(diào)制時(shí)，DSP通過中斷方式接收RTS以及每幀數(shù)據(jù)的起始位，產(chǎn)生控制信號(hào)控制CPLD構(gòu)成的調(diào)制模塊輸出DPSK脈沖信號(hào)，用戶可以通過按鍵、顯示器等人機(jī)交互設(shè)備完成通信參數(shù)的配置。

2.2 感應(yīng)信號(hào)放大模塊

兩路經(jīng)過天線箱線圈或者編碼電纜感應(yīng)接收信號(hào)inL1與inL0經(jīng)過運(yùn)放U1和U2構(gòu)成的反相放大電路完成阻抗匹配和放大后，經(jīng)由U3構(gòu)成的反相加法電路實(shí)現(xiàn)inL1和inL0兩路信號(hào)的矢量合成，且經(jīng)D1，D2，D3，D4，C5，L1構(gòu)成雙向限幅電路與濾波。該基本放大電路輸出送PGA模塊進(jìn)一步放大。

2.3 有源帶通濾波電路

由于在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，干擾較多，因此在模擬前端設(shè)計(jì)了基于開關(guān)電容濾波芯片MAX275的4階帶通濾波器，如圖5所示。該帶通濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)為：中心頻率約為79k Hz，品質(zhì)因數(shù)Q約為10，增益約為1.31。

2. 4 程控放大模塊

由于軌道機(jī)車在運(yùn)動(dòng)中天線箱和編碼電纜之間的相對(duì)位置是變化的，感應(yīng)信號(hào)幅度不穩(wěn)定，因此在信號(hào)調(diào)理模塊中使用了程控放大器，使感應(yīng)信號(hào)幅度保持相對(duì)穩(wěn)定。程控放大模塊采用了D/A轉(zhuǎn)換器AD7524與運(yùn)放LM318構(gòu)成，如圖6所示。

假定DSP提供給AD7524的當(dāng)前控制量為，當(dāng)前的ADC對(duì)信號(hào)幅度平均采樣值為，PGACon_Now，ADCSamp_Now假設(shè)需要將信號(hào)幅度(即ADC采樣值)控制在ADCSamp_Max和ADCSamp_ Min之間，其中值為ADCSamp_Med，滿足：

ADCSamp_Med=(ADCSamp_Min+ADCSamp_Max)/2 (2)

當(dāng)采樣幅度超出其限度時(shí)，DSP產(chǎn)生新的控制量算法為：

2.5 電平轉(zhuǎn)換模塊

由于帶通濾波器的輸出是雙極性交流信號(hào)，而TMS320F28335片上ADC要求的輸入是單極性信號(hào)，且電壓范圍在0～3V，因此帶通濾波器的輸出不能直接作為ADC的輸入，需要將帶通濾波器的輸出進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換才能送ADC。圖7所示為電平轉(zhuǎn)換電路，將交流信號(hào)電平提升1.5V，使VAIN0符合ADC 輸入要求。是帶通濾波輸出，范圍在-1.5V～+1.5V。R 21，R22采用精密電阻，其中R22=1KΩ，R21=1.2KΩ。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括上電后系統(tǒng)與外設(shè)初始化、檢測按鍵狀態(tài)完成對(duì)通信參數(shù)的配置、中斷配置以及解調(diào)算法模塊等。其中中斷主要包括CPU定時(shí)器0和1中斷，外部中斷1和2中斷等，它們主要用于提供CPLD構(gòu)成的DPSK調(diào)制電路控制時(shí)序。解調(diào)算法主要包括確定空閑期、DCD確定、PGA控制、幀同步和位同步提取等算法。系統(tǒng)軟件流程圖如圖8所示。

為了提高系統(tǒng)的可靠性與抗干擾能力，應(yīng)用了TMS320F28335片上看門狗，在軟件中安排喂狗指令，若系統(tǒng)出現(xiàn)死機(jī)等，定時(shí)周期內(nèi)沒有喂狗，看門狗復(fù)位系統(tǒng)，避免系統(tǒng)出現(xiàn)一直處于死機(jī)狀態(tài)。

4 總結(jié)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)在軟硬件設(shè)計(jì)上均采用了抗干擾設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與抗干擾能力。設(shè)計(jì)中采用TI公司TMS320F28335 DSP芯片為核心，通過軟件無線電方式實(shí)現(xiàn)DPSK解調(diào)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)車與控制中心的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，系統(tǒng)升級(jí)只是軟件的升級(jí)，對(duì)工業(yè)機(jī)車自動(dòng)化具有重要意義。目前，該系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)際測試，具有三種通信速率(2400bps，4800 bps，9600bps)，自動(dòng)增益控制，誤碼率低于，完全兼容目前的同類產(chǎn)品。