基于TMS320LF2407A的通用式機車信號檢測

1 軌道信號

　　FSK信號是利用數字信號對載波頻率進行鍵控調制的信號。鐵路上采用的FSK信號主要有兩種:國產移頻信號及法國UM-71移頻信號。國產移頻信號的中心頻率f₀有四種,分別是下行550Hz、750Hz及上行650Hz和850Hz,頻偏Δf為55Hz,低頻調制頻率f_L為從7Hz每間隔0.5Hz至26Hz共18種信息。法國UM-71移頻信號的中心頻率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。機車信號檢測的目的就是解調出上邊頻頻率f_0H=f₀+Δf及下邊頻頻率f_0L=f₀-Δf以確定中心頻率f₀,解調出低頻調制頻率f_L以確定點燈信息。

　　參考文獻[2]指出,移頻信號的頻譜是以新出現的頻率f₀為中心頻率,以f_L為等差級數向兩邊展開的。

2 測試系統(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。機車傳感器感應鐵軌移頻信號,經傳感器及信號調理通道電路處理后,送入DSP的模擬信號輸入端,由DSP內部A/D轉換器按算法設計規(guī)定的采樣速率采集規(guī)定的點數,依FFT算法分別檢測出FSK信號的中心頻率f₀及低頻調制頻率f_L,按狀態(tài)控制開關規(guī)定的上下行、區(qū)段、靈敏度等級輸出相應色燈控制信號,驅動繼電器動作使八色燈顯示機相應色燈點亮,并通過繼電器動作確認電路的反饋信號以確認點燈是否正確。若發(fā)生中心頻率f₀改變,便發(fā)出過節(jié)信號。最后,用基于PWM的數字合成語音報出相應色燈。然后進入下一輪信號采集和檢測。在信號分析的同時,還要對信號進行離散有效值計算,一方面用于程控增益放大器的增益控制,另一方面用于檢測靈敏度控制,使信號檢測符合鐵道部頒發(fā)的靈敏度要求。系統(tǒng)信號檢測及控制等所有功能僅由一個DSP芯片完成,與參考文獻[2]相比,具有很高的集成度。

　　整個系統(tǒng)置于金屬盒內,所有對外連線都有隔離措施,模擬量有隔離放大器;點燈輸出有繼電器;過節(jié)輸出、繼電器動作確認、語音輸出、狀態(tài)輸出有光隔;電源有DC/DC。μp監(jiān)控內建1.6S看門狗及低電壓檢測,上電及復位有嚴密的系統(tǒng)自檢。整個系統(tǒng)具有很強的抗干擾能力和很高的可靠性。

3 系統(tǒng)設計

3.1 傳感器及信號調理通道電路設計

　　傳感器為JYJ型移頻機車信號接收線圈,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的移頻機車信號。機車的Ⅰ端及Ⅱ端車輪前各安裝一對,每對線圈平行置于兩側軌道上方距軌道13～15cm處,按同名端串聯后由帶屏蔽兩芯電纜接至裝置,再由雙刀雙置開關選擇向前的一端傳感器信號送入隔離放大器ISO124。

　　ISO124為BB公司采用新穎的滯回調制/解調技術所設計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,因為輸入部分和輸出部分的電路完全對稱,制造時又采用激光調整工藝使兩部分完全匹配,因此使輸出端能高精度復現輸入信號。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隔離電容傳輸的不是模擬信號,而是通過滯回調制/解調技術產生的500kHz數字調制信號。隔離元件的特性不會影響信號的完整性,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5V DC/DC模塊提供隔離電源,不用任何外部元件,傳輸系數為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,通過數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動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相加,送入DSP的模/數轉換器輸入端供DSP采樣。

　　傳感器及信號調理通道電路如圖2所示。

3.2 八色燈顯示驅動及確認電路設計

　　八色燈顯示機為八個24V燈泡,由七個雙刀雙置繼電器控制其亮滅,還有一個電子開關控制燈泡24V電源的開關。八個色燈按安全級別順序由繼電器接成互鎖邏輯,每個繼電器的兩對觸點取相反的邏輯經光耦反饋給DSP的I/O端口作為點燈確認信號。DSP依FFT解調的結果輸出某色燈點燈信號,然后讀取反饋的點燈確認信號來判斷點燈是否正確,以防不能正確點燈的事件發(fā)生。電子開關除能關閉所有色燈外,還在需要改變色燈時,它能先關斷24V燈泡電源,然后DSP再輸出點燈信號,使繼電器無電換檔,延長繼電器的使用壽命。

3.3 DSP系統(tǒng)電路設計

　　DSP為TMS320LF2407A,由于其I/O口有40個之多,故系統(tǒng)的所有輸入輸出開關量均由DSP的I/O口直接驅動,DSP內帶ADC子系統(tǒng),將處理后的移頻信號送入其Ain端,由定時器定時啟動。DSP內部程序FLASH空間有32K字,除一部分用于程序空間外,還可以存放八個色燈的語音?？紤]到DSP內部WDT的超時復位時間太短,選用MAX706S作μp監(jiān)控,它提供上電復位、手動復位、超時復位,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系。

3.4 最近鄰模式識別及車載FSK信號的檢測方法

　　最近鄰法是最重要的模式識別方法之一^[3]。最近鄰法決策規(guī)則為:對于n類問題,設類ω_i(i=1,2,…,n)有N_i個樣本x_j(i)(j=1,2,…,N_i)。針對一個待識模式x,分別計算它與個已知類別的樣本x_j(i)的距離,將它判為距離最近的那個樣本所屬的類ω_i。

　　FSK信號的模式識別檢測方法分為采樣、識別和判決三個步驟。將已知類別不同模式的FSK信號選取一定的采樣頻率和采樣點數,分別對其取樣后進行FFT變換,并選取各種情況下中心載頻附近的若干值構成各已知類別的樣本。對于實際待測FSK信號,以相同采樣頻率和采樣點數取樣,并作FFT變換處理,選取中心載頻附近若干值作為待識模式。根據模式識別的最近鄰法決策規(guī)則,將待識模式與各已知類別的樣本分別進行比較,計算其與各樣本的距離,最后將待識模式判為與其距離最近的那個樣本所屬的類。進行模式識別時應保證相比較的頻譜具有相同的頻譜分辨率,即對FSK信號取樣時應選擇相同的采樣頻率和采樣點數。

　　經過大量的計算機仿真和實時實驗得出:對國產移頻,選取采樣頻率為4500Hz,采樣點數為1024點,均選取中心載頻附近的21個頻譜模值作為樣本值;對法國UM71移頻,選取采樣頻率為15000Hz,采樣點數為1024點,均選取中心載頻附近的21個頻譜模值作為樣本值。采用最近鄰模式識別檢測法可以準確識別信噪比低于-12dB的信號。

　　依照這樣的方法,對全部國產移頻信號及法國UM-71移頻信號的各4種中心頻率和18種低頻調制頻率的FSK信號在不同初始相位時進行了實測,均取得了滿意的結果。采用最近鄰模式識別檢測法解調FSK信號可以有效地克服欠采樣所帶來的采樣時間過長的弊端,能夠準確快速地識別各低頻調制頻率。

4 程序設計及實驗結果

　　程序流程圖如圖3所示。

　　該系統(tǒng)已設計完成并安裝試運行。對全部國產移頻信號及法國UM-71移頻信號的各4種中心頻率和18種低頻調制頻率進行了實測,不僅檢測結果正確,實時性亦滿足鐵路部頒標準。系統(tǒng)信號檢測及控制等所有功能僅由一個DSP芯片完成,并配有完備的軟硬件抗干擾設計,保證了所設計的系統(tǒng)具有集成度高、實時性好、電路簡單、可靠性高等優(yōu)點。

參考文獻

1 王世一.數字信號處理(修訂版).北京：北京理工大學出版社,1997

2 魏學業(yè),汪希時,丁正庭.基于DSP的電務試驗車自動測試系統(tǒng).電子測量與儀器學報,1997(11)

3 孫即祥.現代模式識別.長沙?押國防科技大學出版社,2002

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