一種單芯片的ZPW—2000A型鐵路移頻信號檢測系統研究

摘 要：近幾年來，隨著數字信號處理技術的飛速發展，對于鐵路移頻信號檢測的研究已逐步向抗干擾能力強的頻率分析法轉變，但該方法需要較大容量的處理器及存儲器，并對系統的可靠性及穩定性造成影響。因此，亟需一種新的鐵路移頻信號檢測系統。本文則提出一種基于單芯片的ZPW-2000A鐵路移頻信號檢測系統，以望對同仁提供參考借鑒。

關鍵詞：單芯片；ZPW-2000A型；鐵路移頻信號；檢測；

中圖分類號：U284 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3520（2014）-09-00-02

在我國社會經濟發展中鐵路是其重要組成部分，對國家的發展有著重要作用。然而，由于鐵路運輸具有較高效率、較低成本、節約能源，世界各國均對鐵路運輸技術給予研究，旨在促進鐵路運輸向高密度、高速度方向發展。長期以來，對鐵路移頻信號檢測的方法主要為傳統的時域分析法，該方法具有非線性及相位連續性。因此，逐步向頻率分析法轉變，但該方法對系統的可靠性有一定影響。為了有效解決這一問題，需要在單芯片上來對低頻信息及上下變頻進行檢測，具有較高的可靠性及集成度。

一、ZPW-2000A型移頻信號特征

自動閉塞是當前較為先進的行車閉塞法，是以移頻軌道電路為基礎的系統，通過利用固定的空間間隔來確保火車的行駛安全。長期以來，我國的鐵路自動閉塞主要適合應用三顯示制式。所謂三顯示制式，即綠燈、紅燈、黃燈。當綠燈亮時表明行車前方超過兩個分區空間，行車可正常行駛；紅燈亮時表明前方分區有車占用或者線路已發生故障損害，行車必須停止行駛，必須對其檢查給予綜合分析、處理；黃燈亮時則表示火車前方僅僅有一個分區空間，提示列車可小于正常行駛速度繼續行駛。

ZPW-2000A自動閉塞系統主要實現了對調諧單元斷線故障的檢查；減少了調諧區的分路死區；并實現了對拍頻干擾的有效防護；同時提高了機械絕緣節軌道電路的傳輸長度；可有效滿足我國長站間隔及低道碴電阻軌道電路的需求；可有效提高軌道列車的行使安全。整個系統是在UM71型的無絕緣軌道電路整體結構基礎之上而形成的，具有豐富的功能。

ZPW-2000A移頻信號結構如下圖1所示。在該圖中，低頻調制信號輸出高電位時，載頻f0則向上偏移，即f0+Δf，也就是fh，稱之為上邊頻；反之，低頻調制信號輸出低電位時，載頻f0則向下偏移，即f0-Δf，也就是f1，稱之為下邊頻。兩者頻率切換出的單位時間變化次數及低頻調制信號的頻率則是相等的。而ZPW-2000A移頻信號的頻譜則有以下特征：調制系數與頻譜中的載頻分量呈現反比關系，即調制系數較大時，頻譜中載頻分量降低；信號的抗干擾能力與載頻呈現正相關；頻譜中的峰值即信號的載頻。

二、單芯片的ZPW-2000A型鐵路移頻信號檢測系統設計

要想設計完整的移頻信號檢測系統則需要有完善的硬件系統及軟件系統，而硬件系統的設計應實現應用的目的，無論是哪一種系統，都應有較好的系統。下面就對硬件系統及軟件系統給予綜合分析。

1、硬件設計。移頻信號檢測系統的硬件主要包括存儲設備、帶觸摸屏，且存儲設備為SD卡，帶觸摸屏為LCD，且整個系統為USB設備，而PC為上位機，并擁有電池充電的能力。該系統功能圖如下圖2所示。該系統所采用的單芯片為S3C2440A處理器，可實現較多功能，加上擁有強大的計算能力，可完成所有的控制、計算功能。在這里主要闡述的是電源模塊，該模塊的設計主要是建立在手持設備的條件之上，并采用的是效率高功耗低的芯片。并在該系統中所需要的電壓有兩種，即供電電壓為1.2V，外部芯片電壓為3.3V。本次系統所需要的電源為鋰電池，且輸入電壓是3.7V。該電池擁有較長的使用壽命、較高的額定電壓及其較低的自放電率。此外，在本次硬件設計中不僅有模擬電路，而且還有其他典型的數模混合電路，包括微小的弱電信號、數字電路等。由于電路在設計過程中可能受到其他電壓的影響，使得對系統信號有著干擾性，有可能造成信號的錯誤性。為了有效解決這一問題，僅僅依靠設計圖是不可行的，還需要對電路的抗干擾性給予綜合性設計，包括元件、印制板、電源去耦及公共地線。

2、軟件設計。傳統的嵌入式產品較多都不需要操作系統，而本次鐵路移頻率信號檢測系統中則是采用較為簡單的循環控制系統，該系統具有重要作用。當前伴隨著系統越來越復雜，所利用的范圍也就越來越廣泛，并不是每一項所添加的新功能都能夠從頭進行設計。因此，這種設計僅僅能夠增加系統的復雜性。當前，嵌入式操作系統的引入有效解決長期存在的問題，所應用的程序也就越來越大，并對程序檔案的管理提供了較新的解決方法，有著較高的移植性，最終可有效提高知識的創新率。本次系統采用的源碼開放的免費嵌入式系統，有嵌入式系統的所有功能，且短小精悍，可獲得較高的執行率。在μC/OS-Ⅱ網站上找到較為全面的移植范例，當然，在實際應用中還需要對此進行相應的修改。其硬件及軟件結構下圖3所示。對于移頻信號數據的采集中較為重要的是移頻信號的計算，而計算中重要的為采樣，通過自帶的8通道10位而實現數據采集，該系統的采樣點即8192點，且采樣率為8192Hz，采樣率的實現方法主要有DMA、定時采樣及其輪詢，對這三種手段給予綜合比較，得到定時采樣是最為適用的方法。

三、結束語

總而言之，要想促進鐵路事業的全面發展，則應跟進時代潮流，充分利用數字信號處理技術。本文提出了單芯片的ZPW-2000A的移頻信號檢測方案，從硬件及軟件兩大方面給予設計，旨在為我國今后鐵路發展制定統一信號檢測系統，保證鐵路行車的安全性。為今后的一段時間內，應對鐵路移頻信號的檢測系統給予進一步研究，更新技術，研究出更可靠、安全的檢測系統，提高鐵路行駛的安全性。

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