??? 摘? 要: 為了在線檢測移頻軌道信號參數(shù),設(shè)計了基于TMS320F2812專用數(shù)字信號處理器的移頻軌道信號測試儀,有效地提高了數(shù)據(jù)處理能力和處理速度。采用欠采樣" title="欠采樣">欠采樣技術(shù)和快速傅立葉變換(FFT)解調(diào)算法,使儀器測量的頻率分辨率" title="頻率分辨率">頻率分辨率有很大提高,保證了測量的精準度。設(shè)計通過試驗,達到了預(yù)定的設(shè)計研究目標。?

??? 關(guān)鍵詞: TMS320F2812; 移頻; 欠采樣?

?

??? 移頻軌道電路" title="軌道電路">軌道電路是鐵路信號的重要基礎(chǔ)設(shè)備,它將列車運行與信號顯示等聯(lián)系起來,用來監(jiān)督線路的占用情況,即通過移頻軌道電路向列車傳遞行車信息。因此,準確的軌道信號是列車安全行車的保障。它的性能直接影響列車的行車安全和運輸效率。移頻信號測試儀是以微處理器或數(shù)字信號處理器為核心,對移頻軌道電路信號參數(shù)進行測量的設(shè)備。目前,國外使用移頻軌道電路比較成熟的國家都有相對先進的移頻信號在線測試儀器。而在我國,盡管移頻軌道電路發(fā)展迅速,但相應(yīng)的測試技術(shù)和儀器發(fā)展相對緩慢。隨著2006年7月1日新的《鐵路信號維護規(guī)則》實施和2007年4月我國骨干鐵路的第六次大提速,已有的測試設(shè)備在測量精度上已難以滿足新的技術(shù)要求和實際應(yīng)用。為保證列車的行車安全,必須開發(fā)和使用精準度更高的專用移頻軌道電路測試儀對移頻信號參數(shù)進行在線測量。本文采用TI公司的新一代32位定點數(shù)字信號處理器TMS320F2812^[1-2]設(shè)計了一種專用數(shù)字信號處理器移頻軌道信號測試儀。?

1 設(shè)計方案?

??? 移頻信號測試儀必須具備如下功能:?

??? (1)頻率計功能。可以測量并數(shù)字顯示移頻信號的上邊頻、下邊頻、中心頻率、基頻頻率、單頻信號的平均頻率。(2)電壓、電流表功能?？梢詼y量并數(shù)字顯示移頻信號電壓或電流的真有效值;單頻信號電壓或電流的真有效值;直流信號的電壓值。(3)數(shù)據(jù)庫功能。對一定測量次數(shù)內(nèi)的數(shù)據(jù)根據(jù)選擇進行存儲,方便離線分析。(4)通信功能。實現(xiàn)儀器與上位機的數(shù)據(jù)交換。?

為了實現(xiàn)測試儀要求的功能,采用320×240圖形點陣式液晶顯示器(LCD),完成對移頻信號參數(shù)測量結(jié)果的數(shù)字顯示或圖形顯示;設(shè)置鍵盤,可通過相應(yīng)的按鍵操作,完成菜單選擇或所選菜單的參數(shù)測量;為實現(xiàn)存儲所測量的數(shù)據(jù)構(gòu)建測量數(shù)據(jù)庫,設(shè)置了EEPROM;通過串行接口實現(xiàn)與上位機的通信。移頻軌道電路測試儀的主要原理框圖如圖1所示。

?

?

??? 測試儀的工作原理如下:?

??? 電壓或電流傳感器在測量點采集信號后送前置調(diào)理電路。調(diào)理電路對輸入的信號進行放大、整形和濾波后送A/D" title="A/D">A/D接口,A/D模塊把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,由TMS320F2812進行存儲、計算,然后調(diào)用顯示程序,在LCD上顯示所測量參數(shù)的結(jié)果。通過鍵盤操作,可以由菜單選擇要測量的信號參數(shù)或顯示測量結(jié)果的圖形等。測試儀將一定測量次數(shù)的結(jié)果根據(jù)選擇存入EEPROM,方便離線查詢。通過通信接口測試儀與上位計算機實現(xiàn)通信,將測量結(jié)果導(dǎo)入計算機備份或進行更詳細的分析。充電電池組經(jīng)電源產(chǎn)生電路產(chǎn)生為整個儀器和傳感器提供所需的+5V、±5V、+3.3V、+1.9V電源,以保證儀器能夠穩(wěn)定地工作。?

2 測試儀的軟硬件設(shè)計?

2.1 硬件設(shè)計?

??? CPU選用TI公司的2000系列DSP芯片TMS320F2812[2]作為主處理器,該芯片采用改進的哈佛結(jié)構(gòu),具有分離的程序總線和數(shù)據(jù)總線,使用四級流水線作業(yè),每秒可執(zhí)行1.5億次指令;具有單周期32位×32位的乘及累加操作功能,因而可以在更短的時間內(nèi)進行復(fù)雜的濾波及頻譜分析等運算;56個多功能口,在不作為第二功能口使用時,可以通過寄存器設(shè)置作為普通的GPIO口使用,可方便地與外部設(shè)備連接;內(nèi)部外設(shè)的集成度高,有利于提高信號處理過程中的抗干擾能力,也方便了系統(tǒng)的升級和優(yōu)化。其電路原理圖如圖2所示。?

?

?

??? TMS320F2812芯片內(nèi)置2個獨立的8通道模塊和采樣保持的12位ADC核心^[2],0～3V的單極性模擬輸入,每個輸入模塊可以通過多路開關(guān)選擇其具有的8個通道中的任何一個。ADC可以通過軟件、事件管理器、外部引腳等觸發(fā)源啟動。由于移頻信號采集為雙極性輸入,而ADC為單極性輸入,所以必須對輸入的信號進行單極性轉(zhuǎn)換^[3]。其電路原理圖如圖3所示。?

?

?

??? 通過對TMS320F2812芯片的ADC信號采集實驗,可得ADC增益誤差一般在5%以內(nèi),失調(diào)誤差一般在2%以內(nèi)。為了提高ADC轉(zhuǎn)換準確度,選用ADC的ADCINA1和ADCINA2通道作為兩個參考輸入通道(兩個通道電壓不能相同),利用讀取相應(yīng)結(jié)果寄存器的轉(zhuǎn)換值,得出ADC的校正增益和校正失調(diào),然后由這兩個值對采樣通道的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進行補償,由此提高了ADC轉(zhuǎn)換的準確度。其電路原理圖可參考圖2。?

??? TMS320F2812芯片本身沒有I²C總線,但通過TMS320F2812的GPIO接口可以模擬I²C總線。AT24C512是具有I2C總線接口的EEPROM,與模擬的I2C總線連接,用于檢測數(shù)據(jù)的存儲。液晶通過TMS320F2812的總線連接,用于顯示檢測數(shù)據(jù)的數(shù)字或圖形。鍵盤采用直接的GPIO口連接,中斷觸發(fā),通過按鍵選擇LCD上顯示的菜單,完成待檢測參數(shù)的配置、測量及結(jié)果顯示。由于TMS320F2812的總線和GPIO都為3.3V供電,因此與5V系統(tǒng)接口時需要進行電平轉(zhuǎn)換。?

2.2 軟件設(shè)計?

2.2.1 程序流程?

??? 軟件是整個儀器的靈魂,它是算法和功能實現(xiàn)的關(guān)鍵。測試儀主要完成的任務(wù)有:(1)A/D轉(zhuǎn)換器的配置、啟動和數(shù)據(jù)讀取;(2)數(shù)據(jù)的存儲、計算;(3)數(shù)據(jù)的液晶顯示;(4)按鍵管理;(5)通信。?

??? 根據(jù)上述任務(wù),結(jié)合硬件電路特點,軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計如下:主程序是一個循環(huán)體,在循環(huán)中等待按鍵中斷,當(dāng)接收到按鍵中斷信號時,系統(tǒng)進入按鍵中斷程序,根據(jù)判斷的鍵值和當(dāng)前儀器的狀態(tài),調(diào)用相應(yīng)的處理子程序。菜單選擇功能,數(shù)據(jù)采集、存儲、計算和顯示功能,通信功能等都在相應(yīng)的子程序中實現(xiàn)。主要程序流程如圖4所示。?

?

?

2.2.2? 解調(diào)算法選取?

??? 移頻信號解調(diào)算法采用經(jīng)典的快速傅立葉變換(FFT)算法^[4]。工程中應(yīng)用的FFT主要有復(fù)數(shù)傅立葉變換(CFFT)算法、實數(shù)傅立葉變換(RFFT)算法等。CFFT算法,在計算前對采樣的數(shù)據(jù)進行連續(xù)的復(fù)數(shù)存儲,即實部為實際的采樣值,虛部為零,然后采用時間抽取(DIT)基2FFT算法,這樣每個數(shù)據(jù)的存儲需要4個字的數(shù)據(jù)空間,增加了運算時間。RFFT算法,在計算前按實際情況對信號的采樣值進行連續(xù)存儲,位反轉(zhuǎn)后調(diào)用CFFT變換;計算后,對變換的結(jié)果按奇、偶分兩組排列,進行幅度平方計算,這樣每個數(shù)據(jù)的存儲只需要2個字的數(shù)據(jù)空間,因此,選用RFFT算法,節(jié)約了資源。兼顧存儲資源和計算的時間,本軟件設(shè)計其信號的采樣數(shù)為2 048點。?

2.2.3 采樣頻率" title="采樣頻率">采樣頻率選取?

??? 我國使用的移頻信號主要是國內(nèi)移頻和UM71系列。其中,國內(nèi)移頻信號的載頻為550Hz、650Hz、750Hz、850Hz,頻偏為±55Hz,調(diào)制頻率為7Hz～26Hz之間確定的18個低頻信息; UM71系列移頻信號的載頻為1 700Hz、2 000Hz、2 300Hz、2 600Hz,頻偏為±11Hz,調(diào)制頻率為10.3Hz～29Hz,每隔1.1Hz產(chǎn)生18個低頻信息。?

??? 對移頻信號進行采樣,如果由奈奎斯特采樣定理來設(shè)定采樣頻率f_s,則要求f_s不小于信號最高頻率f_h的2倍,即f_s≥2f_h,所以理論的最低采樣頻率f_s≥5 222Hz。如果要求頻率的分辨率Δf≤1Hz,就必須采集5 222個以上的數(shù)據(jù),這就需要很大的數(shù)據(jù)存儲空間。由于移頻信號具有明顯帶通信號的特征,因此可以對移頻信號進行欠采樣^[5],即低于奈奎斯特采樣頻率進行采樣,由頻率分辨率Δf=f_s/N可得,在采樣點數(shù)不變的情況下,降低采樣頻率,可以提高頻率分辨率。?

??? 根據(jù)欠采樣定理:?

??? 頻率范圍為f∈[f_l,f_h]的帶通信號,f(t)的采樣頻率f_s的選取由下式?jīng)Q定:?

???????

??? 式中,K=0,1,2,…,R?

??? R的最大值為:?

?????

??? 通過分析可得,FFT運算后得到的信號頻譜是原始信號頻譜搬移到低頻部分的結(jié)果,信號的幅度不會發(fā)生變化。設(shè)采樣后的頻率值為f_b′,實際頻率值為f_b,搬移次數(shù)為K。當(dāng)K為偶數(shù)時,經(jīng)過偶數(shù)次搬移,只把原始信號頻譜平移到低頻,不會改變原始信號的頻譜關(guān)系;當(dāng)K為奇數(shù)時,原頻譜以f_s/2為周期向低頻進行奇數(shù)次搬移, 奇數(shù)次搬移將使原始信號頻點越過采樣頻譜上界后向回折疊。所以奇數(shù)次搬移后的帶通采樣信號頻點與偶數(shù)次搬移后的頻點成互補關(guān)系,它們之間滿足下面的關(guān)系:?

?????

??? 根據(jù)上述定理,信號載頻為550Hz和750Hz(下行線)時,欠采樣頻率存在重疊部分402.5≤f_s≤463.3;在信號載頻為650Hz和850Hz(上行線)時,欠采樣頻率也存在重疊部分470≤f_s≤530。所以上行線的欠采樣頻率可選擇為 490Hz,下行線的欠采樣頻率可選擇440Hz。對于 UM-71 系列無絕緣軌道電路,由欠采樣定理得出四種載頻信號的欠采樣頻率存在共同的部分,最佳欠采樣頻率可選擇590Hz。具體程序?qū)崿F(xiàn)為:通過外部測量按鍵給INT2_ADCSOC引腳一個脈沖來啟動一個連續(xù)模式的A/D轉(zhuǎn)換,由之前選定的測量類型確定欠采樣周期,完成對ADC的數(shù)字濾波器、中斷標志等參數(shù)配置,此時開始采樣,程序?qū)Σ蓸咏Y(jié)果進行存儲和計數(shù)。當(dāng)存儲的采樣點計數(shù)N達到設(shè)定值時,停止采樣并調(diào)用數(shù)據(jù)處理和顯示程序。數(shù)據(jù)處理程序?qū)Υ鎯Φ牟蓸又迪冗M行實際值轉(zhuǎn)換,然后由公式:(式中,N為采樣點數(shù),V_m為第m次采樣的電壓瞬時值)計算電壓的有效值,并將電壓值顯示。最后對采樣的數(shù)據(jù)進行RFFT算法變換,解調(diào)出信號的載頻和調(diào)頻,將其結(jié)果存儲并數(shù)字顯示。當(dāng)本次采集、轉(zhuǎn)換、解調(diào)、顯示結(jié)束后,程序?qū)⒌却俅螁覣/D進行再次測量。?

3 實驗及結(jié)果分析?

??? 移頻信號其移頻指數(shù)由下式?jīng)Q定:?

?????

式中:Δf為頻偏,F為調(diào)制頻率。?

??? 由式(3)可得,國內(nèi)移頻信號的移頻指數(shù)都大于2,信號的能量會向以±Δf為頻偏的上下兩個邊頻的位置擴散,所以經(jīng)過FFT解調(diào)后信號的頻譜表現(xiàn)為雙峰,且峰值處的能量相等。而UM-71系列移頻信號的移頻指數(shù)都小于2,信號的能量向中心載頻靠近,信號的頻譜表現(xiàn)為單峰。?

??? 選用國內(nèi)移頻信號對本測試儀進行測試,測試信號為:載頻850Hz,頻偏±55Hz,基頻9Hz,幅值1.9V,移頻指數(shù)6,欠采樣頻率440Hz。將測試儀采樣的數(shù)據(jù)和計算結(jié)果用TI公司提供的軟件開發(fā)環(huán)境CCS3.1(Code Composer Studio 3.1)進行分析,通過調(diào)用TMS320F2812存儲單元的內(nèi)容,其圖形顯示采樣和計算結(jié)果如圖5所示。?

?

?

??? 通過上述方法設(shè)計的移頻信號測試儀,實現(xiàn)了移頻信號的準確解調(diào),解調(diào)后的頻率分辨率Δf<0.3Hz,有效地提高了檢測的精確度。?

??? 欠采樣技術(shù)在提高測量分辨率的同時,相對延長了信號的采樣時間,使不定干擾增加,同時濾波器不能完全理想化,這些因素使測量結(jié)果有一些失真,出現(xiàn)雙峰值能量不相等的現(xiàn)象。?

??? 本文以現(xiàn)代數(shù)字信號處理器TMS320F2812為核心,進行了移頻軌道電路測試儀設(shè)計,充分利用DSP作為數(shù)字信號處理的特點,使設(shè)計結(jié)構(gòu)簡潔、性能可靠。同時,在信號采集時,采用欠采樣技術(shù),有效地提高了測量分辨率,充分實現(xiàn)了預(yù)定的設(shè)計目標。?

參考文獻?

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

[2] 徐科軍,張瀚,陳志淵.TMS320X281X DSP原理與應(yīng)用[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.?

[3] 趙宇萍,謝拴勤,郭曉康.TMS320C28X模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度校正[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2005,(8):75-77.?

[4] 徐巖.移頻鍵控信號解調(diào)方法[J]. 蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報,2000,19(1):60-62.?

[5]?肖大光,趙亞湘,王瑋.周期信號欠采樣理論研究[J].長沙鐵道學(xué)院學(xué)報,2003,21(1):71-73.?