基于TMS320LF2407A的通用式機(jī)車信號(hào)檢測(cè)

鐵路機(jī)車信號(hào)檢測(cè)是保證列車安全運(yùn)行的三大重要因素之一。目前,我國(guó)鐵路機(jī)車信號(hào)主要采用相位連續(xù)的頻移鍵控FSK(Frequency-Shift Keying)調(diào)制方式。它雖然具有數(shù)字通信的諸多優(yōu)點(diǎn),但也有非線性調(diào)制的特點(diǎn),從而使其實(shí)時(shí)高精度檢測(cè)具有很大的困難。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及DSP器件的發(fā)展,在實(shí)用中摒棄了傳統(tǒng)的利用單片機(jī)對(duì)FSK信號(hào)進(jìn)行測(cè)周的時(shí)標(biāo)方式,而采用新型DSP芯片TMS320LF2407設(shè)計(jì)機(jī)車信號(hào)檢測(cè)裝置。該裝置充分利用了DSP器件的資源,在算法上運(yùn)用了非常實(shí)用的基于最近鄰模式識(shí)別法的FFT分析方法,使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有集成度高、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

1 軌道信號(hào)

　　FSK信號(hào)是利用數(shù)字信號(hào)對(duì)載波頻率進(jìn)行鍵控調(diào)制的信號(hào)。鐵路上采用的FSK信號(hào)主要有兩種:國(guó)產(chǎn)移頻信號(hào)及法國(guó)UM-71移頻信號(hào)。國(guó)產(chǎn)移頻信號(hào)的中心頻率f₀有四種,分別是下行550Hz、750Hz及上行650Hz和850Hz,頻偏Δf為55Hz,低頻調(diào)制頻率f_L為從7Hz每間隔0.5Hz至26Hz共18種信息。法國(guó)UM-71移頻信號(hào)的中心頻率f₀也有四種,分別是下行1700Hz、2300Hz及上行2000Hz、2600Hz,頻偏Δf為11Hz,低頻調(diào)制頻率fL為從10.3Hz每間隔1.1Hz至29Hz共18種(只用到其中14種)信息。機(jī)車信號(hào)檢測(cè)的目的就是解調(diào)出上邊頻頻率f_0H=f₀+Δf及下邊頻頻率f_0L=f₀-Δf以確定中心頻率f₀,解調(diào)出低頻調(diào)制頻率f_L以確定點(diǎn)燈信息。

　　參考文獻(xiàn)[2]指出,移頻信號(hào)的頻譜是以新出現(xiàn)的頻率f₀為中心頻率,以f_L為等差級(jí)數(shù)向兩邊展開(kāi)的。

2 測(cè)試系統(tǒng)組成原理

　　該系統(tǒng)以TMS320LF2407DSP為核心,其組成原理框圖如圖1所示。機(jī)車傳感器感應(yīng)鐵軌移頻信號(hào),經(jīng)傳感器及信號(hào)調(diào)理通道電路處理后,送入DSP的模擬信號(hào)輸入端,由DSP內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器按算法設(shè)計(jì)規(guī)定的采樣速率采集規(guī)定的點(diǎn)數(shù),依FFT算法分別檢測(cè)出FSK信號(hào)的中心頻率f₀及低頻調(diào)制頻率f_L,按狀態(tài)控制開(kāi)關(guān)規(guī)定的上下行、區(qū)段、靈敏度等級(jí)輸出相應(yīng)色燈控制信號(hào),驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作使八色燈顯示機(jī)相應(yīng)色燈點(diǎn)亮,并通過(guò)繼電器動(dòng)作確認(rèn)電路的反饋信號(hào)以確認(rèn)點(diǎn)燈是否正確。若發(fā)生中心頻率f₀改變,便發(fā)出過(guò)節(jié)信號(hào)。最后,用基于PWM的數(shù)字合成語(yǔ)音報(bào)出相應(yīng)色燈。然后進(jìn)入下一輪信號(hào)采集和檢測(cè)。在信號(hào)分析的同時(shí),還要對(duì)信號(hào)進(jìn)行離散有效值計(jì)算,一方面用于程控增益放大器的增益控制,另一方面用于檢測(cè)靈敏度控制,使信號(hào)檢測(cè)符合鐵道部頒發(fā)的靈敏度要求。系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)及控制等所有功能僅由一個(gè)DSP芯片完成,與參考文獻(xiàn)[2]相比,具有很高的集成度。

 

　　整個(gè)系統(tǒng)置于金屬盒內(nèi),所有對(duì)外連線都有隔離措施,模擬量有隔離放大器;點(diǎn)燈輸出有繼電器;過(guò)節(jié)輸出、繼電器動(dòng)作確認(rèn)、語(yǔ)音輸出、狀態(tài)輸出有光隔;電源有DC/DC。μp監(jiān)控內(nèi)建1.6S看門狗及低電壓檢測(cè),上電及復(fù)位有嚴(yán)密的系統(tǒng)自檢。整個(gè)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力和很高的可靠性。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 傳感器及信號(hào)調(diào)理通道電路設(shè)計(jì)

　　傳感器為JY·J型移頻機(jī)車信號(hào)接收線圈,它適用于非電化區(qū)段、電化區(qū)段及地鐵,用于接收地面軌道傳輸?shù)囊祁l機(jī)車信號(hào)。機(jī)車的Ⅰ端及Ⅱ端車輪前各安裝一對(duì),每對(duì)線圈平行置于兩側(cè)軌道上方距軌道13～15cm處,按同名端串聯(lián)后由帶屏蔽兩芯電纜接至裝置,再由雙刀雙置開(kāi)關(guān)選擇向前的一端傳感器信號(hào)送入隔離放大器ISO124。

　　ISO124為BB公司采用新穎的滯回調(diào)制/解調(diào)技術(shù)所設(shè)計(jì)的低成本精密電容隔離放大器。它由分別放置在殼體兩邊的輸入部分和輸出部分組成,因?yàn)檩斎氩糠趾洼敵霾糠值碾娐吠耆珜?duì)稱,制造時(shí)又采用激光調(diào)整工藝使兩部分完全匹配,因此使輸出端能高精度復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)。這種電路與光隔離放大器、變壓器耦合隔離放大器的不同之處在于通過(guò)隔離電容傳輸?shù)牟皇悄M信號(hào),而是通過(guò)滯回調(diào)制/解調(diào)技術(shù)產(chǎn)生的500kHz數(shù)字調(diào)制信號(hào)。隔離元件的特性不會(huì)影響信號(hào)的完整性,而且具有較好的高頻暫態(tài)性能。在器件的輸入和輸出部分分別由兩個(gè)±5V DC/DC模塊提供隔離電源,不用任何外部元件,傳輸系數(shù)為1:1,其增益誤差小于±0.5%。

　　程控放大器選用的是PGA103U,為單端輸入通用儀用放大器,通過(guò)數(shù)字電平直接選擇的基本編程增益為1、10、100。增益選擇由DSP芯片TMS320LF2407的I/O口控制。在該系統(tǒng)中,PGA103的工作電壓為±5V,而DSP的工作電壓為3.3V,由于3.3V邏輯電平可以直接驅(qū)動(dòng)5V CMOS邏輯電平,故直接將PGA103的增益控制端A0及A1接到DSP的I/O端。

　　低通濾波器及直流偏置由TL062和LM236-2.5組成。將LM236-2.5提供的2.5V基準(zhǔn)電壓衰減一半后所得1.25V直流電壓與有源濾波器輸出的純交流信號(hào)相加,送入DSP的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入端供DSP采樣。

　　傳感器及信號(hào)調(diào)理通道電路如圖2所示。

 

3.2 八色燈顯示驅(qū)動(dòng)及確認(rèn)電路設(shè)計(jì)

　　八色燈顯示機(jī)為八個(gè)24V燈泡,由七個(gè)雙刀雙置繼電器控制其亮滅,還有一個(gè)電子開(kāi)關(guān)控制燈泡24V電源的開(kāi)關(guān)。八個(gè)色燈按安全級(jí)別順序由繼電器接成互鎖邏輯,每個(gè)繼電器的兩對(duì)觸點(diǎn)取相反的邏輯經(jīng)光耦反饋給DSP的I/O端口作為點(diǎn)燈確認(rèn)信號(hào)。DSP依FFT解調(diào)的結(jié)果輸出某色燈點(diǎn)燈信號(hào),然后讀取反饋的點(diǎn)燈確認(rèn)信號(hào)來(lái)判斷點(diǎn)燈是否正確,以防不能正確點(diǎn)燈的事件發(fā)生。電子開(kāi)關(guān)除能關(guān)閉所有色燈外,還在需要改變色燈時(shí),它能先關(guān)斷24V燈泡電源,然后DSP再輸出點(diǎn)燈信號(hào),使繼電器無(wú)電換檔,延長(zhǎng)繼電器的使用壽命。

3.3 DSP系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

　　DSP為TMS320LF2407A,由于其I/O口有40個(gè)之多,故系統(tǒng)的所有輸入輸出開(kāi)關(guān)量均由DSP的I/O口直接驅(qū)動(dòng),DSP內(nèi)帶ADC子系統(tǒng),將處理后的移頻信號(hào)送入其Ain端,由定時(shí)器定時(shí)啟動(dòng)。DSP內(nèi)部程序FLASH空間有32K字,除一部分用于程序空間外,還可以存放八個(gè)色燈的語(yǔ)音。考慮到DSP內(nèi)部WDT的超時(shí)復(fù)位時(shí)間太短,選用MAX706S作μp監(jiān)控,它提供上電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位、超時(shí)復(fù)位,DSP的電源為由TPS76733提供的3.3V電源。由于篇幅所限,DSP系統(tǒng)電路原理圖略去。讀者感興趣可與作者聯(lián)系。

3.4 最近鄰模式識(shí)別及車載FSK信號(hào)的檢測(cè)方法

　　最近鄰法是最重要的模式識(shí)別方法之一^[3]。最近鄰法決策規(guī)則為:對(duì)于n類問(wèn)題,設(shè)類ω_i(i=1,2,…,n)有N_i個(gè)樣本x_j(i)(j=1,2,…,N_i)。針對(duì)一個(gè)待識(shí)模式x,分別計(jì)算它與個(gè)已知類別的樣本x_j(i)的距離,將它判為距離最近的那個(gè)樣本所屬的類ω_i。

　　FSK信號(hào)的模式識(shí)別檢測(cè)方法分為采樣、識(shí)別和判決三個(gè)步驟。將已知類別不同模式的FSK信號(hào)選取一定的采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù),分別對(duì)其取樣后進(jìn)行FFT變換,并選取各種情況下中心載頻附近的若干值構(gòu)成各已知類別的樣本。對(duì)于實(shí)際待測(cè)FSK信號(hào),以相同采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)取樣,并作FFT變換處理,選取中心載頻附近若干值作為待識(shí)模式。根據(jù)模式識(shí)別的最近鄰法決策規(guī)則,將待識(shí)模式與各已知類別的樣本分別進(jìn)行比較,計(jì)算其與各樣本的距離,最后將待識(shí)模式判為與其距離最近的那個(gè)樣本所屬的類。進(jìn)行模式識(shí)別時(shí)應(yīng)保證相比較的頻譜具有相同的頻譜分辨率,即對(duì)FSK信號(hào)取樣時(shí)應(yīng)選擇相同的采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。

　　經(jīng)過(guò)大量的計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)得出:對(duì)國(guó)產(chǎn)移頻,選取采樣頻率為4500Hz,采樣點(diǎn)數(shù)為1024點(diǎn),均選取中心載頻附近的21個(gè)頻譜模值作為樣本值;對(duì)法國(guó)UM71移頻,選取采樣頻率為15000Hz,采樣點(diǎn)數(shù)為1024點(diǎn),均選取中心載頻附近的21個(gè)頻譜模值作為樣本值。采用最近鄰模式識(shí)別檢測(cè)法可以準(zhǔn)確識(shí)別信噪比低于-12dB的信號(hào)。

　　依照這樣的方法,對(duì)全部國(guó)產(chǎn)移頻信號(hào)及法國(guó)UM-71移頻信號(hào)的各4種中心頻率和18種低頻調(diào)制頻率的FSK信號(hào)在不同初始相位時(shí)進(jìn)行了實(shí)測(cè),均取得了滿意的結(jié)果。采用最近鄰模式識(shí)別檢測(cè)法解調(diào)FSK信號(hào)可以有效地克服欠采樣所帶來(lái)的采樣時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的弊端,能夠準(zhǔn)確快速地識(shí)別各低頻調(diào)制頻率。

4 程序設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　程序流程圖如圖3所示。

 

　　該系統(tǒng)已設(shè)計(jì)完成并安裝試運(yùn)行。對(duì)全部國(guó)產(chǎn)移頻信號(hào)及法國(guó)UM-71移頻信號(hào)的各4種中心頻率和18種低頻調(diào)制頻率進(jìn)行了實(shí)測(cè),不僅檢測(cè)結(jié)果正確,實(shí)時(shí)性亦滿足鐵路部頒標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)及控制等所有功能僅由一個(gè)DSP芯片完成,并配有完備的軟硬件抗干擾設(shè)計(jì),保證了所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有集成度高、實(shí)時(shí)性好、電路簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

 

參考文獻(xiàn)

1 王世一.數(shù)字信號(hào)處理(修訂版).北京：北京理工大學(xué)出版社,1997

2 魏學(xué)業(yè),汪希時(shí),丁正庭.基于DSP的電務(wù)試驗(yàn)車自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng).電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),1997(11)

3 孫即祥.現(xiàn)代模式識(shí)別.長(zhǎng)沙?押國(guó)防科技大學(xué)出版社,2002

4 TMS320LF/LC240xA DSP Controllers Reference Guide-System and Peripherals.Texas Instruments Incorporated,De-cember 2001