基于TMS320LF2407A的通用式機車(chē)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(jìn)行鍵控調制的信號。鐵路上采用的FSK信號主要有兩種:國產(chǎn)移頻信號及法國UM-71移頻信號。國產(chǎn)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(chē)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(diǎn)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(kāi)的。

2 測試系統組成原理

　　該系統以TMS320LF2407DSP為核心,其組成原理框圖如圖1所示。機車(chē)傳感器感應鐵軌移頻信號,經(jīng)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定的采樣速率采集規定的點(diǎn)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(kāi)關(guān)規定的上下行、區段、靈敏度等級輸出相應色燈控制信號,驅動(dòng)繼電器動(dòng)作使八色燈顯示機相應色燈點(diǎn)亮,并通過(guò)繼電器動(dòng)作確認電路的反饋信號以確認點(diǎn)燈是否正確。若發(fā)生中心頻率f₀改變,便發(fā)出過(guò)節信號。最后,用基于PWM的數字合成語(yǔ)音報出相應色燈。然后進(jìn)入下一輪信號采集和檢測。在信號分析的同時(shí),還要對信號進(jìn)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。系統信號檢測及控制等所有功能僅由一個(gè)DSP芯片完成,與參考文獻[2]相比,具有很高的集成度。

　　整個(gè)系統置于金屬盒內,所有對外連線(xiàn)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)節輸出、繼電器動(dòng)作確認、語(yǔ)音輸出、狀態(tài)輸出有光隔;電源有DC/DC。μp監控內建1.6S看門(mén)狗及低電壓檢測,上電及復位有嚴密的系統自檢。整個(gè)系統具有很強的抗干擾能力和很高的可靠性。

3 系統設計

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(chē)信號接收線(xiàn)圈,它適用于非電化區段、電化區段及地鐵,用于接收地面軌道傳輸的移頻機車(chē)信號。機車(chē)的Ⅰ端及Ⅱ端車(chē)輪前各安裝一對,每對線(xiàn)圈平行置于兩側軌道上方距軌道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(shù)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(chēng),制造時(shí)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(guò)隔離電容傳輸的不是模擬信號,而是通過(guò)滯回調制/解調技術(shù)產(chǎn)生的500kHz數字調制信號。隔離元件的特性不會(huì )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(gè)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(guò)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(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(dòng)及確認電路設計

　　八色燈顯示機為八個(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)色燈按安全級別順序由繼電器接成互鎖邏輯,每個(gè)繼電器的兩對觸點(diǎn)取相反的邏輯經(jīng)光耦反饋給DSP的I/O端口作為點(diǎn)燈確認信號。DSP依FFT解調的結果輸出某色燈點(diǎn)燈信號,然后讀取反饋的點(diǎn)燈確認信號來(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,使繼電器無(wú)電換檔,延長(cháng)繼電器的使用壽命。

3.3 DSP系統電路設計

　　DSP為TMS320LF2407A,由于其I/O口有40個(gè)之多,故系統的所有輸入輸出開(kāi)關(guān)量均由DSP的I/O口直接驅動(dòng),DSP內帶ADC子系統,將處理后的移頻信號送入其Ain端,由定時(shí)器定時(shí)啟動(dòng)。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(gè)色燈的語(yǔ)音?？紤]到DSP內部WDT的超時(shí)復位時(shí)間太短,選用MAX706S作μp監控,它提供上電復位、手動(dòng)復位、超時(shí)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 最近鄰模式識別及車(chē)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]。最近鄰法決策規則為:對于n類(lèi)問(wèn)題,設類(lèi)ω_i(i=1,2,…,n)有N_i個(gè)樣本x_j(i)(j=1,2,…,N_i)。針對一個(gè)待識模式x,分別計算它與個(gè)已知類(lèi)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(lèi)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(gè)步驟。將已知類(lèi)別不同模式的FSK信號選取一定的采樣頻率和采樣點(diǎn)數,分別對其取樣后進(jìn)行FFT變換,并選取各種情況下中心載頻附近的若干值構成各已知類(lèi)別的樣本。對于實(shí)際待測FSK信號,以相同采樣頻率和采樣點(diǎn)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則,將待識模式與各已知類(lèi)別的樣本分別進(jìn)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(gè)樣本所屬的類(lèi)。進(jìn)行模式識別時(shí)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(shí)應選擇相同的采樣頻率和采樣點(diǎn)數。

　　經(jīng)過(guò)大量的計算機仿真和實(shí)時(shí)實(shí)驗得出:對國產(chǎn)移頻,選取采樣頻率為4500Hz,采樣點(diǎn)數為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;對法國UM71移頻,選取采樣頻率為15000Hz,采樣點(diǎn)數為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(chǎn)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(shí)進(jìn)行了實(shí)測,均取得了滿(mǎn)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(lái)的采樣時(shí)間過(guò)長(cháng)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(shí)驗結果

　　程序流程圖如圖3所示。

　　該系統已設計完成并安裝試運行。對全部國產(chǎn)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(jìn)行了實(shí)測,不僅檢測結果正確,實(shí)時(shí)性亦滿(mǎn)足鐵路部頒標準。系統信號檢測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計,保證了所設計的系統具有集成度高、實(shí)時(shí)性好、電路簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻

1 王世一.數字信號處理(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)試驗車(chē)自動(dòng)測試系統.電子測量與儀器學(xué)報,1997(11)

3 孫即祥.現代模式識別.長(cháng)沙?押國防科技大學(xué)出版社,2002

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