摘  要: 为了在线检测移频轨道信号参数,设计了基于TMS320F2812专用数字信号处理器的移频轨道信号测试仪,有效地提高了数据处理能力和处理速度。采用欠采样" title="欠采样">欠采样技术和快速傅立叶变换(FFT)解调算法,使仪器测量的频率分辨率" title="频率分辨率">频率分辨率有很大提高,保证了测量的精准度。设计通过试验,达到了预定的设计研究目标。 

    关键词: TMS320F2812; 移频; 欠采样 

    移频轨道电路" title="轨道电路">轨道电路是铁路信号的重要基础设备,它将列车运行与信号显示等联系起来,用来监督线路的占用情况,即通过移频轨道电路向列车传递行车信息。因此,准确的轨道信号是列车安全行车的保障。它的性能直接影响列车的行车安全和运输效率。移频信号测试仪是以微处理器或数字信号处理器为核心,对移频轨道电路信号参数进行测量的设备。目前,国外使用移频轨道电路比较成熟的国家都有相对先进的移频信号在线测试仪器。而在我国,尽管移频轨道电路发展迅速,但相应的测试技术和仪器发展相对缓慢。随着2006年7月1日新的《铁路信号维护规则》实施和2007年4月我国骨干铁路的第六次大提速,已有的测试设备在测量精度上已难以满足新的技术要求和实际应用。为保证列车的行车安全,必须开发和使用精准度更高的专用移频轨道电路测试仪对移频信号参数进行在线测量。本文采用TI公司的新一代32位定点数字信号处理器TMS320F2812^[1-2]设计了一种专用数字信号处理器移频轨道信号测试仪。 

1 设计方案 

    移频信号测试仪必须具备如下功能: 

    (1)频率计功能。可以测量并数字显示移频信号的上边频、下边频、中心频率、基频频率、单频信号的平均频率。(2)电压、电流表功能。可以测量并数字显示移频信号电压或电流的真有效值;单频信号电压或电流的真有效值;直流信号的电压值。(3)数据库功能。对一定测量次数内的数据根据选择进行存储,方便离线分析。(4)通信功能。实现仪器与上位机的数据交换。 

为了实现测试仪要求的功能,采用320×240图形点阵式液晶显示器(LCD),完成对移频信号参数测量结果的数字显示或图形显示;设置键盘,可通过相应的按键操作,完成菜单选择或所选菜单的参数测量;为实现存储所测量的数据构建测量数据库,设置了EEPROM;通过串行接口实现与上位机的通信。移频轨道电路测试仪的主要原理框图如图1所示。

    测试仪的工作原理如下: 

    电压或电流传感器在测量点采集信号后送前置调理电路。调理电路对输入的信号进行放大、整形和滤波后送A/D" title="A/D">A/D接口,A/D模块把模拟信号转换成数字信号,由TMS320F2812进行存储、计算,然后调用显示程序,在LCD上显示所测量参数的结果。通过键盘操作,可以由菜单选择要测量的信号参数或显示测量结果的图形等。测试仪将一定测量次数的结果根据选择存入EEPROM,方便离线查询。通过通信接口测试仪与上位计算机实现通信,将测量结果导入计算机备份或进行更详细的分析。充电电池组经电源产生电路产生为整个仪器和传感器提供所需的+5V、±5V、+3.3V、+1.9V电源,以保证仪器能够稳定地工作。 

2 测试仪的软硬件设计 

2.1 硬件设计 

    CPU选用TI公司的2000系列DSP芯片TMS320F2812[2]作为主处理器,该芯片采用改进的哈佛结构,具有分离的程序总线和数据总线,使用四级流水线作业,每秒可执行1.5亿次指令;具有单周期32位×32位的乘及累加操作功能,因而可以在更短的时间内进行复杂的滤波及频谱分析等运算;56个多功能口,在不作为第二功能口使用时,可以通过寄存器设置作为普通的GPIO口使用,可方便地与外部设备连接;内部外设的集成度高,有利于提高信号处理过程中的抗干扰能力,也方便了系统的升级和优化。其电路原理图如图2所示。 

    TMS320F2812芯片内置2个独立的8通道模块和采样保持的12位ADC核心^[2],0～3V的单极性模拟输入,每个输入模块可以通过多路开关选择其具有的8个通道中的任何一个。ADC可以通过软件、事件管理器、外部引脚等触发源启动。由于移频信号采集为双极性输入,而ADC为单极性输入,所以必须对输入的信号进行单极性转换^[3]。其电路原理图如图3所示。 

    通过对TMS320F2812芯片的ADC信号采集实验,可得ADC增益误差一般在5%以内,失调误差一般在2%以内。为了提高ADC转换准确度,选用ADC的ADCINA1和ADCINA2通道作为两个参考输入通道(两个通道电压不能相同),利用读取相应结果寄存器的转换值,得出ADC的校正增益和校正失调,然后由这两个值对采样通道的转换数据进行补偿,由此提高了ADC转换的准确度。其电路原理图可参考图2。 

    TMS320F2812芯片本身没有I²C总线,但通过TMS320F2812的GPIO接口可以模拟I²C总线。AT24C512是具有I2C总线接口的EEPROM,与模拟的I2C总线连接,用于检测数据的存储。液晶通过TMS320F2812的总线连接,用于显示检测数据的数字或图形。键盘采用直接的GPIO口连接,中断触发,通过按键选择LCD上显示的菜单,完成待检测参数的配置、测量及结果显示。由于TMS320F2812的总线和GPIO都为3.3V供电,因此与5V系统接口时需要进行电平转换。 

2.2 软件设计 

2.2.1 程序流程 

    软件是整个仪器的灵魂,它是算法和功能实现的关键。测试仪主要完成的任务有:(1)A/D转换器的配置、启动和数据读取;(2)数据的存储、计算;(3)数据的液晶显示;(4)按键管理;(5)通信。 

    根据上述任务,结合硬件电路特点,软件的结构设计如下:主程序是一个循环体,在循环中等待按键中断,当接收到按键中断信号时,系统进入按键中断程序,根据判断的键值和当前仪器的状态,调用相应的处理子程序。菜单选择功能,数据采集、存储、计算和显示功能,通信功能等都在相应的子程序中实现。主要程序流程如图4所示。 

2.2.2  解调算法选取 

    移频信号解调算法采用经典的快速傅立叶变换(FFT)算法^[4]。工程中应用的FFT主要有复数傅立叶变换(CFFT)算法、实数傅立叶变换(RFFT)算法等。CFFT算法,在计算前对采样的数据进行连续的复数存储,即实部为实际的采样值,虚部为零,然后采用时间抽取(DIT)基2FFT算法,这样每个数据的存储需要4个字的数据空间,增加了运算时间。RFFT算法,在计算前按实际情况对信号的采样值进行连续存储,位反转后调用CFFT变换;计算后,对变换的结果按奇、偶分两组排列,进行幅度平方计算,这样每个数据的存储只需要2个字的数据空间,因此,选用RFFT算法,节约了资源。兼顾存储资源和计算的时间,本软件设计其信号的采样数为2 048点。 

2.2.3 采样频率" title="采样频率">采样频率选取 

    我国使用的移频信号主要是国内移频和UM71系列。其中,国内移频信号的载频为550Hz、650Hz、750Hz、850Hz,频偏为±55Hz,调制频率为7Hz～26Hz之间确定的18个低频信息; UM71系列移频信号的载频为1 700Hz、2 000Hz、2 300Hz、2 600Hz,频偏为±11Hz,调制频率为10.3Hz～29Hz,每隔1.1Hz产生18个低频信息。 

    对移频信号进行采样,如果由奈奎斯特采样定理来设定采样频率f_s,则要求f_s不小于信号最高频率f_h的2倍,即f_s≥2f_h,所以理论的最低采样频率f_s≥5 222Hz。如果要求频率的分辨率Δf≤1Hz,就必须采集5 222个以上的数据,这就需要很大的数据存储空间。由于移频信号具有明显带通信号的特征,因此可以对移频信号进行欠采样^[5],即低于奈奎斯特采样频率进行采样,由频率分辨率Δf=f_s/N可得,在采样点数不变的情况下,降低采样频率,可以提高频率分辨率。 

    根据欠采样定理: 

    频率范围为f∈[f_l,f_h]的带通信号,f(t)的采样频率f_s的选取由下式决定: 

    式中,K=0,1,2,…,R 

    R的最大值为: 

    通过分析可得,FFT运算后得到的信号频谱是原始信号频谱搬移到低频部分的结果,信号的幅度不会发生变化。设采样后的频率值为f_b′,实际频率值为f_b,搬移次数为K。当K为偶数时,经过偶数次搬移,只把原始信号频谱平移到低频,不会改变原始信号的频谱关系;当K为奇数时,原频谱以f_s/2为周期向低频进行奇数次搬移, 奇数次搬移将使原始信号频点越过采样频谱上界后向回折叠。所以奇数次搬移后的带通采样信号频点与偶数次搬移后的频点成互补关系,它们之间满足下面的关系: 

    根据上述定理,信号载频为550Hz和750Hz(下行线)时,欠采样频率存在重叠部分402.5≤f_s≤463.3;在信号载频为650Hz和850Hz(上行线)时,欠采样频率也存在重叠部分470≤f_s≤530。所以上行线的欠采样频率可选择为 490Hz,下行线的欠采样频率可选择440Hz。对于 UM-71 系列无绝缘轨道电路,由欠采样定理得出四种载频信号的欠采样频率存在共同的部分,最佳欠采样频率可选择590Hz。具体程序实现为:通过外部测量按键给INT2_ADCSOC引脚一个脉冲来启动一个连续模式的A/D转换,由之前选定的测量类型确定欠采样周期,完成对ADC的数字滤波器、中断标志等参数配置,此时开始采样,程序对采样结果进行存储和计数。当存储的采样点计数N达到设定值时,停止采样并调用数据处理和显示程序。数据处理程序对存储的采样值先进行实际值转换,然后由公式:(式中,N为采样点数,V_m为第m次采样的电压瞬时值)计算电压的有效值,并将电压值显示。最后对采样的数据进行RFFT算法变换,解调出信号的载频和调频,将其结果存储并数字显示。当本次采集、转换、解调、显示结束后,程序将等待再次启动A/D进行再次测量。 

3 实验及结果分析 

    移频信号其移频指数由下式决定: 

式中:Δf为频偏,F为调制频率。 

    由式(3)可得,国内移频信号的移频指数都大于2,信号的能量会向以±Δf为频偏的上下两个边频的位置扩散,所以经过FFT解调后信号的频谱表现为双峰,且峰值处的能量相等。而UM-71系列移频信号的移频指数都小于2,信号的能量向中心载频靠近,信号的频谱表现为单峰。 

    选用国内移频信号对本测试仪进行测试,测试信号为:载频850Hz,频偏±55Hz,基频9Hz,幅值1.9V,移频指数6,欠采样频率440Hz。将测试仪采样的数据和计算结果用TI公司提供的软件开发环境CCS3.1(Code Composer Studio 3.1)进行分析,通过调用TMS320F2812存储单元的内容,其图形显示采样和计算结果如图5所示。 

    通过上述方法设计的移频信号测试仪,实现了移频信号的准确解调,解调后的频率分辨率Δf<0.3Hz,有效地提高了检测的精确度。 

    欠采样技术在提高测量分辨率的同时,相对延长了信号的采样时间,使不定干扰增加,同时滤波器不能完全理想化,这些因素使测量结果有一些失真,出现双峰值能量不相等的现象。 

    本文以现代数字信号处理器TMS320F2812为核心,进行了移频轨道电路测试仪设计,充分利用DSP作为数字信号处理的特点,使设计结构简洁、性能可靠。同时,在信号采集时,采用欠采样技术,有效地提高了测量分辨率,充分实现了预定的设计目标。 

参考文献 

[1] TI公司. TMS320C2812 digital signal processors data Manual[S]. 2004. 

[2] 徐科军,张瀚,陈志渊.TMS320X281X DSP原理与应用[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2006. 

[3] 赵宇萍,谢拴勤,郭晓康.TMS320C28X模数转换器的精度校正[J].单片机与嵌入式系统应用,2005,(8):75-77. 

[4] 徐岩.移频键控信号解调方法[J]. 兰州铁道学院学报,2000,19(1):60-62. 

[5] 肖大光,赵亚湘,王玮.周期信号欠采样理论研究[J].长沙铁道学院学报,2003,21(1):71-73.