一種工業(yè)機車(chē)通信DPSK解調器設計

摘要：車(chē)地通信系統在工業(yè)機車(chē)自動(dòng)化中發(fā)揮重要作用，是列車(chē)安全可靠運行的關(guān)鍵。文中分析了感應無(wú)線(xiàn)通信原理，設計了一種基于感應無(wú)線(xiàn)技術(shù)與TMS320F28335 DSP芯片的DPSK車(chē)地通信用解調器，詳細闡述了系統的硬件組成和電路設計技術(shù)問(wèn)題，給出系統軟件流程圖。該系統經(jīng)過(guò)測試，具有良好的穩定性和可靠性，滿(mǎn)足工業(yè)機車(chē)車(chē)地通信要求。

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，要實(shí)現大型移動(dòng)機車(chē)位置實(shí)時(shí)檢測與自動(dòng)化控制，車(chē)地通信裝置性能具有非常重要的意義。感應無(wú)線(xiàn)技術(shù)是一項針對工業(yè)生產(chǎn)中大型移動(dòng)機車(chē)自動(dòng)化而研制的工業(yè)應用技術(shù)，主要包括基于感應無(wú)線(xiàn)的機車(chē)位置檢測技術(shù)和車(chē)地數據通信技術(shù)。感應無(wú)線(xiàn)數據通信是通過(guò)安裝在機車(chē)底部的天線(xiàn)箱與敷設在地面軌道旁的編碼電纜間的電磁耦合實(shí)現信息傳遞，由于通信距離較短，通信的質(zhì)量較高。感應無(wú)線(xiàn)技術(shù)在工業(yè)機車(chē)自動(dòng)化和軌道交通領(lǐng)域有廣泛的應用前景。文中提出了一種基于感應無(wú)線(xiàn)技術(shù)的車(chē)地通信調制解調器設計方案，以TMS320F28335芯片為核心設計了一種DPSK解調器實(shí)現車(chē)地通信。

1 感應無(wú)線(xiàn)數據通信原理

圖1給出了感應無(wú)線(xiàn)數據通信系統的結構框圖。系統主要由中央控制室的調制解調器、編碼電纜、機車(chē)上的天線(xiàn)箱和調制解調器構成。天線(xiàn)箱由接收線(xiàn)圈和發(fā)送線(xiàn)圈構成，編碼電纜中具有通信用傳輸對線(xiàn)。編碼電纜安裝在機車(chē)軌道旁邊，在機車(chē)行走過(guò)程中，安裝在機車(chē)上底部的天線(xiàn)箱跟隨機車(chē)移動(dòng)，并始終與編碼電纜保持 5-20cm距離，數據通信就是通過(guò)安裝在移動(dòng)機車(chē)上的天線(xiàn)箱中線(xiàn)圈與敷設在地面軌道旁的編碼電纜中的通信傳輸對線(xiàn)之間近距離電磁耦合傳遞信息，天線(xiàn)箱與編碼電纜之間形成了一個(gè)距離很短的無(wú)線(xiàn)通信信道，實(shí)現中央控制室與移動(dòng)機車(chē)之間的數據通信。

為了抑制干擾，特別是抑制同頻干擾噪聲(機車(chē)上的變頻調速裝置產(chǎn)生的且與感應無(wú)線(xiàn)數據通信載波頻率相同或相近的諧波)，編碼電纜通信傳輸對線(xiàn)和車(chē)上接收天線(xiàn)均采用交叉結構，衰減干擾噪聲，天線(xiàn)箱線(xiàn)圈與編碼電纜中通信傳輸對線(xiàn)結構如圖2所示。

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

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

2 硬件設計

從硬件角度而言，整個(gè)系統包括主要包括TMS320F28335 DSP、CPLD控制模塊(DPSK調制模塊)、信號調理電路、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所示為系統的硬件設計框圖。其中S0、S1是無(wú)線(xiàn)感應信號，是已調信號。

由于調制部分相對容易，下面重點(diǎn)闡述解調部分硬件電路和軟件設計設計。

2.1 主控模塊

該車(chē)地通信系統的主控模塊選用的是32位的高性能DSC芯片TMS320F28335，主頻達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，片上外圍設備資源豐富。

在該系統中，TMS320F28335 DSP主要工作有：在解調時(shí)，控制其片上12bit ADC進(jìn)行采樣，根據ADC采樣的信號控制程控放大器(PGA)將感應信號調理到適合的幅度，對采樣后信號進(jìn)行數字處理與軟件解調，解調后的信號通過(guò) RS-485總線(xiàn)送給上位機。在調制時(shí)，DSP通過(guò)中斷方式接收RTS以及每幀數據的起始位，產(chǎn)生控制信號控制CPLD構成的調制模塊輸出DPSK脈沖信號，用戶(hù)可以通過(guò)按鍵、顯示器等人機交互設備完成通信參數的配置。

2.2 感應信號放大模塊

兩路經(jīng)過(guò)天線(xiàn)箱線(xiàn)圈或者編碼電纜感應接收信號inL1與inL0經(jīng)過(guò)運放U1和U2構成的反相放大電路完成阻抗匹配和放大后，經(jīng)由U3構成的反相加法電路實(shí)現inL1和inL0兩路信號的矢量合成，且經(jīng)D1，D2，D3，D4，C5，L1構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)現場(chǎng)環(huán)境復雜，干擾較多，因此在模擬前端設計了基于開(kāi)關(guān)電容濾波芯片MAX275的4階帶通濾波器，如圖5所示。該帶通濾波器設計指標為：中心頻率約為79k Hz，品質(zhì)因數Q約為10，增益約為1.31。

2. 4 程控放大模塊

由于軌道機車(chē)在運動(dòng)中天線(xiàn)箱和編碼電纜之間的相對位置是變化的，感應信號幅度不穩定，因此在信號調理模塊中使用了程控放大器，使感應信號幅度保持相對穩定。程控放大模塊采用了D/A轉換器AD7524與運放LM318構成，如圖6所示。

假定DSP提供給AD7524的當前控制量為，當前的ADC對信號幅度平均采樣值為，PGACon_Now，ADCSamp_Now假設需要將信號幅度(即ADC采樣值)控制在A(yíng)DCSamp_Max和ADCSamp_ Min之間，其中值為ADCSamp_Med，滿(mǎn)足：

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

當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 電平轉換模塊

由于帶通濾波器的輸出是雙極性交流信號，而TMS320F28335片上ADC要求的輸入是單極性信號，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)行電平轉換才能送ADC。圖7所示為電平轉換電路，將交流信號電平提升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 軟件設計

系統軟件主要包括上電后系統與外設初始化、檢測按鍵狀態(tài)完成對通信參數的配置、中斷配置以及解調算法模塊等。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構成的DPSK調制電路控制時(shí)序。解調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。系統軟件流程圖如圖8所示。

為了提高系統的可靠性與抗干擾能力，應用了TMS320F28335片上看門(mén)狗，在軟件中安排喂狗指令，若系統出現死機等，定時(shí)周期內沒(méi)有喂狗，看門(mén)狗復位系統，避免系統出現一直處于死機狀態(tài)。

4 總結

該系統設計在軟硬件設計上均采用了抗干擾設計，提高了系統的穩定性與抗干擾能力。設計中采用TI公司TMS320F28335 DSP芯片為核心，通過(guò)軟件無(wú)線(xiàn)電方式實(shí)現DPSK解調，實(shí)現工業(yè)機車(chē)與控制中心的實(shí)時(shí)數據通信，系統升級只是軟件的升級，對工業(yè)機車(chē)自動(dòng)化具有重要意義。目前，該系統經(jīng)過(guò)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(lèi)產(chǎn)品。