铁路机车信号检测是保证列车安全运行的三大重要因素之一。目前,我国铁路机车信号主要采用相位连续的频移键控FSK(Frequency-Shift Keying)调制方式。
它虽然具有数字通信的诸多优点,但也有非线性调制的特点,从而使其实时高精度检测具有很大的困难。随着数字信号处理技术及DSP器件的发展,在实用中摒弃了传统的利用单片机对FSK信号进行测周的时标方式,而采用新型DSP芯片TMS320LF2407设计机车信号检测装置。该装置充分利用了DSP器件的资源,在算法上运用了非常实用的基于最近邻模式识别法的FFT分析方法,使所设计的系统具有集成度高、实时性好、抗干扰能力强、可靠性高等优点。
1 轨道信号
FSK信号是利用数字信号对载波频率进行键控调制的信号。铁路上采用的FSK信号主要有两种:国产移频信号及法国UM-71移频信号。国产移频信号的中心频率f0有四种,分别是下行550Hz、750Hz及上行650Hz和850Hz,频偏Δf为55Hz,低频调制频率fL为从7Hz每间隔0.5Hz至26Hz共18种信息。
法国UM-71移频信号的中心频率f0也有四种,分别是下行1700Hz、2300Hz及上行2000Hz、2600Hz,频偏Δf为11Hz,低频调制频率fL为从10.3Hz每间隔1.1Hz至29Hz共18种(只用到其中14种)信息。机车信号检测的目的就是解调出上边频频率f0H=f0+Δf及下边频频率f0L=f0-Δf以确定中心频率f0,解调出低频调制频率fL以确定点灯信息。
参考文献[2]指出,移频信号的频谱是以新出现的频率f0为中心频率,以fL为等差级数向两边展开的。
2 测试系统组成原理
该系统以TMS320LF2407DSP为核心,其组成原理框图如图1所示。机车传感器感应铁轨移频信号,经传感器及信号调理通道电路处理后,送入DSP的模拟信号输入端,由DSP内部A/D转换器按算法设计规定的采样速率采集规定的点数,依FFT算法分别检测出FSK信号的中心频率f0及低频调制频率fL,按状态控制开关规定的上下行、区段、灵敏度等级输出相应色灯控制信号,驱动继电器动作使八色灯显示机相应色灯点亮,并通过继电器动作确认电路的反馈信号以确认点灯是否正确。若发生中心频率f0改变,便发出过节信号。最后,用基于PWM的数字合成语音报出相应色灯。然后进入下一轮信号采集和检测。在信号分析的同时,还要对信号进行离散有效值计算,一方面用于程控增益放大器的增益控制,另一方面用于检测灵敏度控制,使信号检测符合铁道部颁发的灵敏度要求。系统信号检测及控制等所有功能仅由一个DSP芯片完成,与参考文献[2]相比,具有很高的集成度。
整个系统置于金属盒内,所有对外连线都有隔离措施,模拟量有隔离放大器;点灯输出有继电器;过节输出、继电器动作确认、语音输出、状态输出有光隔;电源有DC/DC。μp监控内建1.6S看门狗及低电压检测,上电及复位有严密的系统自检。整个系统具有很强的抗干扰能力和很高的可靠性。
3 系统设计
3.1 传感器及信号调理通道电路设计
传感器为JY·J型移频机车信号接收线圈,它适用于非电化区段、电化区段及地铁,用于接收地面轨道传输的移频机车信号。机车的Ⅰ端及Ⅱ端车轮前各安装一对,每对线圈平行置于两侧轨道上方距轨道13～15cm处,按同名端串联后由带屏蔽两芯电缆接至装置,再由双刀双置开关选择向前的一端传感器信号送入隔离放大器ISO124。
ISO124为BB公司采用新颖的滞回调制/解调技术所设计的低成本精密电容隔离放大器。它由分别放置在壳体两边的输入部分和输出部分组成,因为输入部分和输出部分的电路完全对称,制造时又采用激光调整工艺使两部分完全匹配,因此使输出端能高精度复现输入信号。这种电路与光隔离放大器、变压器耦合隔离放大器的不同之处在于通过隔离电容传输的不是模拟信号,而是通过滞回调制/解调技术产生的500kHz数字调制信号。隔离元件的特性不会影响信号的完整性,而且具有较好的高频暂态性能。在器件的输入和输出部分分别由两个±5V DC/DC模块提供隔离电源,不用任何外部元件,传输系数为1:1,其增益误差小于±0.5%。
程控放大器选用的是PGA103U,为单端输入通用仪用放大器,通过数字电平直接选择的基本编程增益为1、10、100。增益选择由DSP芯片TMS320LF2407的I/O口控制。在该系统中,PGA103的工作电压为±5V,而DSP的工作电压为3.3V,由于3.3V逻辑电平可以直接驱动5V CMOS逻辑电平,故直接将PGA103的增益控制端A0及A1接到DSP的I/O端。
低通滤波器及直流偏置由TL062和LM236-2.5组成。将LM236-2.5提供的2.5V基准电压衰减一半后所得1.25V直流电压与有源滤波器输出的纯交流信号相加,送入DSP的模/数转换器输入端供DSP采样。
传感器及信号调理通道电路如图2所示。
3.2 八色灯显示驱动及确认电路设计
八色灯显示机为八个24V灯泡,由七个双刀双置继电器控制其亮灭,还有一个电子开关控制灯泡24V电源的开关。八个色灯按安全级别顺序由继电器接成互锁逻辑,每个继电器的两对触点取相反的逻辑经光耦反馈给DSP的I/O端口作为点灯确认信号。DSP依FFT解调的结果输出某色灯点灯信号,然后读取反馈的点灯确认信号来判断点灯是否正确,以防不能正确点灯的事件发生。电子开关除能关闭所有色灯外,还在需要改变色灯时,它能先关断24V灯泡电源,然后DSP再输出点灯信号,使继电器无电换档,延长继电器的使用寿命。
3.3 DSP系统电路设计
DSP为TMS320LF2407A,由于其I/O口有40个之多,故系统的所有输入输出开关量均由DSP的I/O口直接驱动,DSP内带ADC子系统,将处理后的移频信号送入其Ain端,由定时器定时启动。DSP内部程序FLASH空间有32K字,除一部分用于程序空间外,还可以存放八个色灯的语音。考虑到DSP内部WDT的超时复位时间太短,选用MAX706S作μp监控,它提供上电复位、手动复位、超时复位,DSP的电源为由TPS76733提供的3.3V电源。由于篇幅所限,DSP系统电路原理图略去。读者感兴趣可与作者联系。
3.4 最近邻模式识别及车载FSK信号的检测方法
最近邻法是最重要的模式识别方法之一[3]。最近邻法决策规则为:对于n类问题,设类ωi(i=1,2,…,n)有Ni个样本xj(i)(j=1,2,…,Ni)。针对一个待识模式x,分别计算它与
个已知类别的样本xj(i)的距离,将它判为距离最近的那个样本所属的类ωi。
FSK信号的模式识别检测方法分为采样、识别和判决三个步骤。将已知类别不同模式的FSK信号选取一定的采样频率和采样点数,分别对其取样后进行FFT变换,并选取各种情况下中心载频附近的若干值构成各已知类别的样本。对于实际待测FSK信号,以相同采样频率和采样点数取样,并作FFT变换处理,选取中心载频附近若干值作为待识模式。根据模式识别的最近邻法决策规则,将待识模式与各已知类别的样本分别进行比较,计算其与各样本的距离,最后将待识模式判为与其距离最近的那个样本所属的类。进行模式识别时应保证相比较的频谱具有相同的频谱分辨率,即对FSK信号取样时应选择相同的采样频率和采样点数。
经过大量的计算机仿真和实时实验得出:对国产移频,选取采样频率为4500Hz,采样点数为1024点,均选取中心载频附近的21个频谱模值作为样本值;对法国UM71移频,选取采样频率为15000Hz,采样点数为1024点,均选取中心载频附近的21个频谱模值作为样本值。采用最近邻模式识别检测法可以准确识别信噪比低于-12dB的信号。
依照这样的方法,对全部国产移频信号及法国UM-71移频信号的各4种中心频率和18种低频调制频率的FSK信号在不同初始相位时进行了实测,均取得了满意的结果。采用最近邻模式识别检测法解调FSK信号可以有效地克服欠采样所带来的采样时间过长的弊端,能够准确快速地识别各低频调制频率。
4 程序设计及实验结果
程序流程图如图3所示。
该系统已设计完成并安装试运行。对全部国产移频信号及法国UM-71移频信号的各4种中心频率和18种低频调制频率进行了实测,不仅检测结果正确,实时性亦满足铁路部颁标准。系统信号检测及控制等所有功能仅由一个DSP芯片完成,并配有完备的软硬件抗干扰设计,保证了所设计的系统具有集成度高、实时性好、电路简单、可靠性高等优点。
参考文献
1 王世一.数字信号处理(修订版).北京：北京理工大学出版社,1997
2 魏学业,汪希时,丁正庭.基于DSP的电务试验车自动测试系统.电子测量与仪器学报,1997(11)
3 孙即祥.现代模式识别.长沙?押国防科技大学出版社,2002
4 TMS320LF/LC240xA DSP Controllers Reference Guide-System and Peripherals.Texas Instruments Incorporated,De-cember 2001
