鐵路機車信號檢測是保證列車安全運行的三大重要因素之一。目前,我國鐵路機車信號主要采用相位連續(xù)的頻移鍵控FSK(Frequency-Shift Keying)調制方式。

它雖然具有數(shù)字通信的諸多優(yōu)點,但也有非線性調制的特點,從而使其實時高精度檢測具有很大的困難。隨著數(shù)字信號處理技術及DSP器件的發(fā)展,在實用中摒棄了傳統(tǒng)的利用單片機對FSK信號進行測周的時標方式,而采用新型DSP芯片TMS320LF2407設計機車信號檢測裝置。該裝置充分利用了DSP器件的資源,在算法上運用了非常實用的基于最近鄰模式識別法的FFT分析方法,使所設計的系統(tǒng)具有集成度高、實時性好、抗干擾能力強、可靠性高等優(yōu)點。1 軌道信號FSK信號是利用數(shù)字信號對載波頻率進行鍵控調制的信號。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fL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。機車信號檢測的目的就是解調出上邊頻頻率f0H=f0+Δf及下邊頻頻率f0L=f0-Δf以確定中心頻率f0,解調出低頻調制頻率fL以確定點燈信息。參考文獻[2]指出,移頻信號的頻譜是以新出現(xiàn)的頻率f0為中心頻率,以fL為等差級數(shù)向兩邊展開的。2 測試系統(tǒng)組成原理該系統(tǒng)以TMS320LF2407DSP為核心,其組成原理框圖如圖1所示。機車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(nèi)部A/D轉換器按算法設計規(guī)定的采樣速率采集規(guī)定的點數(shù),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fL,按狀態(tài)控制開關規(guī)定的上下行、區(qū)段、靈敏度等級輸出相應色燈控制信號,驅動繼電器動作使八色燈顯示機相應色燈點亮,并通過繼電器動作確認電路的反饋信號以確認點燈是否正確。若發(fā)生中心頻率f0改變,便發(fā)出過節(jié)信號。最后,用基于PWM的數(shù)字合成語音報出相應色燈。然后進入下一輪信號采集和檢測。在信號分析的同時,還要對信號進行離散有效值計算,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(tǒng)信號檢測及控制等所有功能僅由一個DSP芯片完成,與參考文獻[2]相比,具有很高的集成度。整個系統(tǒng)置于金屬盒內(nèi),所有對外連線都有隔離措施,模擬量有隔離放大器;點燈輸出有繼電器;過節(jié)輸出、繼電器動作確認、語音輸出、狀態(tài)輸出有光隔;電源有DC/DC。μp監(jiān)控內(nèi)建1.6S看門狗及低電壓檢測,上電及復位有嚴密的系統(tǒng)自檢。整個系統(tǒng)具有很強的抗干擾能力和很高的可靠性。3 系統(tǒng)設計
3.1 傳感器及信號調理通道電路設計傳感器為JY·J型移頻機車信號接收線圈,它適用于非電化區(qū)段、電化區(qū)段及地鐵,用于接收地面軌道傳輸?shù)囊祁l機車信號。機車的Ⅰ端及Ⅱ端車輪前各安裝一對,每對線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,再由雙刀雙置開關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,制造時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(xiàn)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隔離電容傳輸?shù)牟皇悄M信號,而是通過滯回調制/解調技術產(chǎn)生的500kHz數(shù)字調制信號。隔離元件的特性不會影響信號的完整性,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±5V DC/DC模塊提供隔離電源,不用任何外部元件,傳輸系數(shù)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,通過數(shù)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(tǒng)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(shù)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 八色燈顯示驅動及確認電路設計八色燈顯示機為八個24V燈泡,由七個雙刀雙置繼電器控制其亮滅,還有一個電子開關控制燈泡24V電源的開關。八個色燈按安全級別順序由繼電器接成互鎖邏輯,每個繼電器的兩對觸點取相反的邏輯經(jīng)光耦反饋給DSP的I/O端口作為點燈確認信號。DSP依FFT解調的結果輸出某色燈點燈信號,然后讀取反饋的點燈確認信號來判斷點燈是否正確,以防不能正確點燈的事件發(fā)生。電子開關除能關閉所有色燈外,還在需要改變色燈時,它能先關斷24V燈泡電源,然后DSP再輸出點燈信號,使繼電器無電換檔,延長繼電器的使用壽命。3.3 DSP系統(tǒng)電路設計DSP為TMS320LF2407A,由于其I/O口有40個之多,故系統(tǒng)的所有輸入輸出開關量均由DSP的I/O口直接驅動,DSP內(nèi)帶ADC子系統(tǒng),將處理后的移頻信號送入其Ain端,由定時器定時啟動。DSP內(nèi)部程序FLASH空間有32K字,除一部分用于程序空間外,還可以存放八個色燈的語音?？紤]到DSP內(nèi)部WDT的超時復位時間太短,選用MAX706S作μp監(jiān)控,它提供上電復位、手動復位、超時復位,DSP的電源為由TPS76733提供的3.3V電源。由于篇幅所限,DSP系統(tǒng)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(guī)則為:對于n類問題,設類ωi(i=1,2,…,n)有Ni個樣本xj(i)(j=1,2,…,Ni)。針對一個待識模式x,分別計算它與個已知類別的樣本xj(i)的距離,將它判為距離最近的那個樣本所屬的類ωi。FSK信號的模式識別檢測方法分為采樣、識別和判決三個步驟。將已知類別不同模式的FSK信號選取一定的采樣頻率和采樣點數(shù),分別對其取樣后進行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別的樣本。對于實際待測FSK信號,以相同采樣頻率和采樣點數(shù)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(jù)模式識別的最近鄰法決策規(guī)則,將待識模式與各已知類別的樣本分別進行比較,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樣本所屬的類。進行模式識別時應保證相比較的頻譜具有相同的頻譜分辨率,即對FSK信號取樣時應選擇相同的采樣頻率和采樣點數(shù)。經(jīng)過大量的計算機仿真和實時實驗得出:對國產(chǎn)移頻,選取采樣頻率為4500Hz,采樣點數(shù)為1024點,均選取中心載頻附近的21個頻譜模值作為樣本值;對法國UM71移頻,選取采樣頻率為15000Hz,采樣點數(shù)為1024點,均選取中心載頻附近的21個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進行了實測,均取得了滿意的結果。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的采樣時間過長的弊端,能夠準確快速地識別各低頻調制頻率。4 程序設計及實驗結果程序流程圖如圖3所示。該系統(tǒng)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種低頻調制頻率進行了實測,不僅檢測結果正確,實時性亦滿足鐵路部頒標準。系統(tǒng)信號檢測及控制等所有功能僅由一個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(tǒng)具有集成度高、實時性好、電路簡單、可靠性高等優(yōu)點。