通用式機(jī)車信號檢測

鐵路機(jī)車信號檢測是保證列車安全運(yùn)行的三大重要因素之一。目前，我國鐵路機(jī)車信號主要采用相位連續(xù)的頻移鍵控FSK（Frequency-Shift Keying）調(diào)制方式。
　　它雖然具有數(shù)字通信的諸多優(yōu)點(diǎn)，但也有非線性調(diào)制的特點(diǎn)，從而使其實(shí)時(shí)高精度檢測具有很大的困難。隨著數(shù)字信號處理技術(shù)及DSP器件的發(fā)展，在實(shí)用中摒棄了傳統(tǒng)的利用單片機(jī)對FSK信號進(jìn)行測周的時(shí)標(biāo)方式，而采用新型DSP芯片TMS320LF2407設(shè)計(jì)機(jī)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(yùn)用了非常實(shí)用的基于最近鄰模式識別法的FFT分析方法，使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有集成度高、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。
　　1 軌道信號
　　FSK信號是利用數(shù)字信號對載波頻率進(jìn)行鍵控調(diào)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(diào)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(diào)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(jī)車信號檢測的目的就是解調(diào)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(diào)出低頻調(diào)制頻率fL以確定點(diǎn)燈信息。
　　參考文獻(xiàn)［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(jī)車傳感器感應(yīng)鐵軌移頻信號，經(jīng)傳感器及信號調(diào)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(zhuǎn)換器按算法設(shè)計(jì)規(guī)定的采樣速率采集規(guī)定的點(diǎn)數(shù)，依FFT算法分別檢測出FSK信號的中心頻率f0及低頻調(diào)制頻率fL，按狀態(tài)控制開關(guān)規(guī)定的上下行、區(qū)段、靈敏度等級輸出相應(yīng)色燈控制信號，驅(qū)動繼電器動作使八色燈顯示機(jī)相應(yīng)色燈點(diǎn)亮，并通過繼電器動作確認(rèn)電路的反饋信號以確認(rèn)點(diǎn)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(bào)出相應(yīng)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(jì)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(gè)DSP芯片完成，與參考文獻(xiàn)［2］相比，具有很高的集成度。
　　
　　整個(gè)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(diǎn)燈輸出有繼電器;過節(jié)輸出、繼電器動作確認(rèn)、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(fù)位有嚴(yán)密的系統(tǒng)自檢。整個(gè)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力和很高的可靠性。
　　3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　3.1 傳感器及信號調(diào)理通道電路設(shè)計(jì)
　　傳感器為JY·J型移頻機(jī)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(jī)車信號。機(jī)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(cè)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(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(diào)制/解調(diào)技術(shù)所設(shè)計(jì)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?yàn)檩斎氩糠趾洼敵霾糠值碾娐吠耆珜ΨQ，制造時(shí)又采用激光調(diào)整工藝使兩部分完全匹配，因此使輸出端能高精度復(fù)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(diào)制/解調(diào)技術(shù)產(chǎn)生的500kHz數(shù)字調(diào)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(gè)±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(qū)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(zhǔn)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(zhuǎn)換器輸入端供DSP采樣。