??? 摘? 要: 為了在線檢測移頻軌道信號參數,設計了基于TMS320F2812專用數字信號處理器的移頻軌道信號測試儀,有效地提高了數據處理能力和處理速度。采用欠采樣" title="欠采樣">欠采樣技術和快速傅立葉變換(FFT)解調算法,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。設計通過試驗,達到了預定的設計研究目標。?
??? 關鍵詞: TMS320F2812; 移頻; 欠采樣?
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??? 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設備,它將列車運行與信號顯示等聯系起來,用來監督線路的占用情況,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字信號處理器為核心,對移頻軌道電路信號參數進行測量的設備。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展迅速,但相應的測試技術和儀器發展相對緩慢。隨著2006年7月1日新的《鐵路信號維護規則》實施和2007年4月我國骨干鐵路的第六次大提速,已有的測試設備在測量精度上已難以滿足新的技術要求和實際應用。為保證列車的行車安全,必須開發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進行在線測量。本文采用TI公司的新一代32位定點數字信號處理器TMS320F2812[1-2]設計了一種專用數字信號處理器移頻軌道信號測試儀。?
1 設計方案?
??? 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。可以測量并數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)數據庫功能。對一定測量次數內的數據根據選擇進行存儲,方便離線分析。(4)通信功能。實現儀器與上位機的數據交換。?
為了實現測試儀要求的功能,采用320×240圖形點陣式液晶顯示器(LCD),完成對移頻信號參數測量結果的數字顯示或圖形顯示;設置鍵盤,可通過相應的按鍵操作,完成菜單選擇或所選菜單的參數測量;為實現存儲所測量的數據構建測量數據庫,設置了EEPROM;通過串行接口實現與上位機的通信。移頻軌道電路測試儀的主要原理框圖如圖1所示。
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??? 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理電路。調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模塊把模擬信號轉換成數字信號,由TMS320F2812進行存儲、計算,然后調用顯示程序,在LCD上顯示所測量參數的結果。通過鍵盤操作,可以由菜單選擇要測量的信號參數或顯示測量結果的圖形等。測試儀將一定測量次數的結果根據選擇存入EEPROM,方便離線查詢。通過通信接口測試儀與上位計算機實現通信,將測量結果導入計算機備份或進行更詳細的分析。充電電池組經電源產生電路產生為整個儀器和傳感器提供所需的+5V、±5V、+3.3V、+1.9V電源,以保證儀器能夠穩定地工作。?
2 測試儀的軟硬件設計?
2.1 硬件設計?
??? 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構,具有分離的程序總線和數據總線,使用四級流水線作業,每秒可執行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進行復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,可以通過寄存器設置作為普通的GPIO口使用,可方便地與外部設備連接;內部外設的集成度高,有利于提高信號處理過程中的抗干擾能力,也方便了系統的升級和優化。其電路原理圖如圖2所示。?
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??? TMS320F2812芯片內置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換[3]。其電路原理圖如圖3所示。?
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??? 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,失調誤差一般在2%以內。為了提高ADC轉換準確度,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),利用讀取相應結果寄存器的轉換值,得出ADC的校正增益和校正失調,然后由這兩個值對采樣通道的轉換數據進行補償,由此提高了ADC轉換的準確度。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,用于檢測數據的存儲。液晶通過TMS320F2812的總線連接,用于顯示檢測數據的數字或圖形。鍵盤采用直接的GPIO口連接,中斷觸發,通過按鍵選擇LCD上顯示的菜單,完成待檢測參數的配置、測量及結果顯示。由于TMS320F2812的總線和GPIO都為3.3V供電,因此與5V系統接口時需要進行電平轉換。?
2.2 軟件設計?
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的關鍵。測試儀主要完成的任務有:(1)A/D轉換器的配置、啟動和數據讀取;(2)數據的存儲、計算;(3)數據的液晶顯示;(4)按鍵管理;(5)通信。?
??? 根據上述任務,結合硬件電路特點,軟件的結構設計如下:主程序是一個循環體,在循環中等待按鍵中斷,當接收到按鍵中斷信號時,系統進入按鍵中斷程序,根據判斷的鍵值和當前儀器的狀態,調用相應的處理子程序。菜單選擇功能,數據采集、存儲、計算和顯示功能,通信功能等都在相應的子程序中實現。主要程序流程如圖4所示。?
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2.2.2? 解調算法選取?
??? 移頻信號解調算法采用經典的快速傅立葉變換(FFT)算法[4]。工程中應用的FFT主要有復數傅立葉變換(CFFT)算法、實數傅立葉變換(RFFT)算法等。CFFT算法,在計算前對采樣的數據進行連續的復數存儲,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,這樣每個數據的存儲需要4個字的數據空間,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存儲,位反轉后調用CFFT變換;計算后,對變換的結果按奇、偶分兩組排列,進行幅度平方計算,這樣每個數據的存儲只需要2個字的數據空間,因此,選用RFFT算法,節約了資源。兼顧存儲資源和計算的時間,本軟件設計其信號的采樣數為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移頻和UM71系列。其中,國內移頻信號的載頻為550Hz、650Hz、750Hz、850Hz,頻偏為±55Hz,調制頻率為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,調制頻率為10.3Hz～29Hz,每隔1.1Hz產生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定采樣頻率fs,則要求fs不小于信號最高頻率fh的2倍,即fs≥2fh,所以理論的最低采樣頻率fs≥5 222Hz。如果要求頻率的分辨率Δf≤1Hz,就必須采集5 222個以上的數據,這就需要很大的數據存儲空間。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=fs/N可得,在采樣點數不變的情況下,降低采樣頻率,可以提高頻率分辨率。?
??? 根據欠采樣定理:?
??? 頻率范圍為f∈[fl,fh]的帶通信號,f(t)的采樣頻率fs的選取由下式決定:?
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??? 式中,K=0,1,2,…,R?
??? R的最大值為:?
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??? 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果,信號的幅度不會發生變化。設采樣后的頻率值為fb′,實際頻率值為fb,搬移次數為K。當K為偶數時,經過偶數次搬移,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系;當K為奇數時,原頻譜以fs/2為周期向低頻進行奇數次搬移, 奇數次搬移將使原始信號頻點越過采樣頻譜上界后向回折疊。所以奇數次搬移后的帶通采樣信號頻點與偶數次搬移后的頻點成互補關系,它們之間滿足下面的關系:?
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??? 根據上述定理,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≤fs≤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≤fs≤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。具體程序實現為:通過外部測量按鍵給INT2_ADCSOC引腳一個脈沖來啟動一個連續模式的A/D轉換,由之前選定的測量類型確定欠采樣周期,完成對ADC的數字濾波器、中斷標志等參數配置,此時開始采樣,程序對采樣結果進行存儲和計數。當存儲的采樣點計數N達到設定值時,停止采樣并調用數據處理和顯示程序。數據處理程序對存儲的采樣值先進行實際值轉換,然后由公式:
(式中,N為采樣點數,Vm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。最后對采樣的數據進行RFFT算法變換,解調出信號的載頻和調頻,將其結果存儲并數字顯示。當本次采集、轉換、解調、顯示結束后,程序將等待再次啟動A/D進行再次測量。?
3 實驗及結果分析?
??? 移頻信號其移頻指數由下式決定:?
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式中:Δf為頻偏,F為調制頻率。?
??? 由式(3)可得,國內移頻信號的移頻指數都大于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,所以經過FFT解調后信號的頻譜表現為雙峰,且峰值處的能量相等。而UM-71系列移頻信號的移頻指數都小于2,信號的能量向中心載頻靠近,信號的頻譜表現為單峰。?
??? 選用國內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6,欠采樣頻率440Hz。將測試儀采樣的數據和計算結果用TI公司提供的軟件開發環境CCS3.1(Code Composer Studio 3.1)進行分析,通過調用TMS320F2812存儲單元的內容,其圖形顯示采樣和計算結果如圖5所示。?
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??? 通過上述方法設計的移頻信號測試儀,實現了移頻信號的準確解調,解調后的頻率分辨率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,這些因素使測量結果有一些失真,出現雙峰值能量不相等的現象。?
??? 本文以現代數字信號處理器TMS320F2812為核心,進行了移頻軌道電路測試儀設計,充分利用DSP作為數字信號處理的特點,使設計結構簡潔、性能可靠。同時,在信號采集時,采用欠采樣技術,有效地提高了測量分辨率,充分實現了預定的設計目標。?
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原理與應用[M]. 北京:北京航空航天大學出版社,2006.?
[3] 趙宇萍,謝拴勤,郭曉康.TMS320C28X模數轉換器的精度校正[J].單片機與嵌入式系統應用,2005,(8):75-77.?
[4] 徐巖.移頻鍵控信號解調方法[J]. 蘭州鐵道學院學報,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].長沙鐵道學院學報,2003,21(1):71-73.?