基于LABVIEW的ZPW-2000A移頻信號測試仿真系統設計

涂玉淵 任桂麗 張長軍

1. 西南交通大學，交通運輸與物流學院，成都 610031

2. 北京鐵路局，天津電務段，天津 300140

0 引 言

在我國高速鐵路快速發展的大背景下，原鐵道部將ZPW-2000A無絕緣軌道電路確定為我國鐵路自動閉塞的技術發展方向。ZPW-2000A系統以高可靠和適應性廣等優良性能為實現機車信號主體化創造了必備條件，成為我國鐵路自動閉塞系統的首選。加大對軌道電路的研究力度，創造性地研發適合我國高速鐵路發展的軌道電路，對我國高速鐵路的建設、運營維護管理具有重要意義和經濟效益。

經過長期的應用實踐，ZPW-2000A軌道電路的技術成熟，高可靠地為高速列車安全運行提供技術保障。對軌道電路移頻信息的測試是向列車傳送安全、高可靠行車信息的重要作業內容。隨著鐵路信息化的快速發展，研究開發智能化的軌道電路信息測試系統對鐵路建設和運營維護管理具有重要作用。目前針對ZPW-2000A軌道電路的智能信息測試系統發展方興未艾，在此背景下，本文在虛擬儀器平臺上開發了相應的測試仿真系統，實現對其 18個低頻信號、8個載頻信號的各項指標仿真測試。

1 ZPW-2000A低頻信息分配方式

ZPW-2000A無絕緣軌道電路采用 1 700Hz、2 000Hz、2 300Hz、2 600Hz的標準載頻，另外采用了18種低頻調制信息，低頻信息按表1進行分配。對各種頻率信息的測試是保證軌道電路向高速列車傳送高可靠行車信息的重要作業內容，對保障鐵路行車安全及日常設備運營維護具有重要意義。

表1 18種低頻信息分配Tab.1 Distribution of 18 kinds of low frequency signal information

2 FSK信號解調算法

ZPW-2000A系統采用的是頻移鍵控信號，有多種載頻和低頻（調制頻率）。由于 FSK移頻信號具有非常明顯的窄帶信號特征，并且傅里葉變換的抗干擾能力強和可實現性好，鐵路移頻信號的檢測手段仍廣泛使用FFT頻率檢測方法[1]。

根據FSK信號的帶通特性，我們采用欠采樣技術對信號進行采樣。這樣不僅保證儀表檢測的實時性，并且保證在不增加采用點數的情況下，提高FSK信號的分辨率[2]。然后對采得的信號進行快速傅立葉變換（FFT），根據其頻譜特性，計算出 FSK信號的中心頻率、低頻調制信息，再利用中心頻率對應幅度值與n次邊頻對應幅度值的關系，確定頻偏和信號的幅值[3]。

2.1 FSK信號分析

ZPW-2000A移頻軌道電路采用的是相位連續的移頻鍵控(FSK)信號，其時域表達式為：

ZPW-2000A移頻軌道電路信號的頻偏Hz11=Δf，低頻調制頻率范圍為 10.3～29.0Hz，從信號的頻譜分析中可以得到的參數有：

① 信號的中心頻率。對ZPW-2000A移頻軌道電路而言，信號的中心頻率即為頻譜圖中峰值處的頻率[1]。

② 信號的低頻調制頻率。由頻譜分析可知，其諧波之間的間隔即為信號的調制頻率[1]。

2.2 采樣頻率的確定

為了使移頻軌道電路信號在頻域分析中不產生混疊現象，按照奈奎斯特采樣準則，采樣頻率必須大于或等于信號最高頻率的兩倍[1]。對于帶通信號采樣頻率sf只需滿足以下關系式：

式中， ]2/[lBfb= ，0hffB-= ；K為折疊次數；lf為下邊頻；hf為上邊頻；0f為中心頻率。

根據式（3）可分別求出相應中心頻率的FSK信號采樣頻率。

原信號頻譜與欠采樣信號的頻譜有如下關系：

根據系統對信號載頻的分辨率至少為0.3Hz的要求，只要在欠采樣的基礎上，通過DSP進行2048點的FFT運算，即可達到信號的頻率分辨率要求[4]。

3 系統設計

根據ZPW-2000A軌道電路低頻信息分配方式，系統應能夠測試18種低頻信號與8種載頻信號的任意調制信號，即應能夠進行18×8=144項低頻與載頻信息的測試。另外還應能測試各種載頻條件下的功放電壓。從測試方式來說，系統又應該具有自動測試（默認測試）和自定義測試（根據現場實際，有選擇地測試某些項）功能，以滿足鐵路現場實際的需求。對于一個智能的測試系統，還應該有自己的數據庫系統，用以存放測試數據，并且能夠根據測試所得數據結合歷史測試數據自動分析ZPW-2000A軌道電路的相關信息。

本文根據鐵路現場的實際，開發了基于LabVIEW平臺的測試仿真系統，對各測試項進行仿真。測試功能主要有：各種載頻條件下的低頻、載頻信息測試，各個功放電壓的測試；在測試方式上實現了默認測試和自定義測試。

3.1 系統總體方案設計

測試系統分三層設計：硬件層、應用軟件層、人機界面層（如圖1所示）。本文對數據采集卡的劃分在于硬件層與應用軟件層交匯處，是計算機層（應用軟件層、人機界面層）與硬件層的紐帶。

圖1 測試系統總體方案設計Fig.1 Overall plan design of the test system

（1）硬件層。發送盤各接線端子接線無誤后，將信號采集電路采集到的頻率信號及電壓信號進行放大、濾波等處理。處理后的信號送至數據采集卡。

（2）數據采集卡。數據采集卡是將硬件層傳送上來的模擬電信號轉換為計算機能夠識別的數字信號。

（3）應用軟件層。應用軟件層將數據采集卡采集的信號進行處理、測試、存儲等。

① 數據處理。數據處理模塊是將采得的數字信號進行量化、存儲等處理。將采集到的數字信號量化成計算機測試軟件能夠識別以及能夠進行相關操作的數據，并為之分配相應的存儲空間。

② 計算機測試軟件。計算機測試軟件是讀取數據處理模塊處理后的數據，按照人機界面層下達的測試命令，調取測試數據庫相關數據，對采集的數據進行測試分析。將測試結果的相關數據送入測試數據庫存儲，并將相關測試結果送至人機界面層。

③ 測試數據庫。測試數據庫存儲采集到的測試數據、測試結果，用于故障分析、測試數據回放、打印等。

（4）人機界面層。人機界面層負責向應用軟件層傳輸用戶下達的測試命令，并將下層傳送的測試結果相關信息顯示反饋給用戶，供相關人員分析。人機界面層是用戶對測試系統直接操作的層次。

本系統是 ZPW-2000A發送器測試器的仿真測試，對于硬件層、數據采集卡不再深入分析。對硬件層所采集的信息系統以LabVIEW強大的信號處理與數學分析工具給出模擬信號。因此本文重點分析測試軟件的結構和實現方式，主要包括應用層和人機界面層的設計與實現。

3.2 系統仿真軟件設計

測試系統采用三級雙層界面嵌套調用的方式，即測試主界面調用測試程序界面，測試程序內部調用測試子程序的方式。測試子程序通過對一些通用測試模塊的調用，實現測試分析功能。通過模塊化的設計思路，既使得設計思路清晰，又使得設計過程獨立，分散了故障發生的可能性。在測試主界面程序中，與測試程序進行數據通信，根據當前用戶操作，設置合理的界面動作。

第1級是主測試界面，對應于人機界面層；第2級和第3級屬于應用軟件層。底層是硬件層和數據采集卡，系統通過仿真獲得底層數據。

3.2.1 整體流程圖

圖2為主測試模塊流程圖，整個測試操作均在該模塊的運行界面進行，測試中不向第二級模塊直接操作。通過布爾按鈕值的選擇，用if選擇結構向全局變量Global賦值（Global值為1，自定義測試；Global值為0，默認測試）來選擇自定義測試或默認測試。對低頻、載頻、電壓測試模塊的選擇均在樹形控件中操作。在樹形控件中選中低頻、載頻或電壓測試模塊后，系統將調用相應的模塊，并進行相應的測試操作。

圖2 主測試模塊流程圖Fig.2 Process of the main test module

圖3為第二級模塊測試流程圖。整個流程主要由初始化、測試項選擇、數據讀取、計算分析和測試結果顯示等四部分組成。程序通過建立電子表格路徑，讀取相應的電子表格測試項數據并讀入測試項數組中；程序初始化時，在順序結構的第0幀中，向表格控件中第1列的各行值賦空字符串，以實現清除歷史測試記錄的功能。測試項選擇部分的程序，是在初始化結果的基礎上，選中要測試的項目，并通過事件結構向表格控件的相應坐標位置賦予相應的標志字符。在讀取仿真數據后，系統經過分析計算，通過表格控件的坐標計算將相應的測試結果在表格控件的相應位置中給予顯示出來。

圖3 低頻、載頻、電壓測試流程圖Fig.3 Test process of the low frequency, carrier frequency and voltage

3.2.2 系統軟件編程

在設計思路上，測試系統采用三級雙層界面嵌套調用的方式，主要模塊有：主測試模塊、低頻測試模塊、載頻測試模塊和功放電壓測試模塊。調用節點、調用方法、屬性節點的合理運用給程序設計帶來了極大的便利，模塊中均大量運用了這些控件。在選擇測試模塊或者讀取相關電子表格文件的時候均用到了當前模塊路徑、拆分路徑、創建路徑等模塊。使用當前模塊路徑控件的好處在于不論這個工程文件包位置如何移動，程序都能夠正常調用相應的模塊。

（1）低頻測試模塊

低頻測試部分主要由測試項初始化、測試項目選擇、數據讀入、數據分析和測試結果顯示等部分組成。

① 測試項初始化。測試項初始化包括測試項讀取、清除測試項歷史記錄兩部分。其中測試項讀取的過程是向預先存儲數據的電子表格讀取所有測試項目名稱至表格控件相應的位置，這里主要用到當前VI路徑、拆分路徑、創建路徑、讀取電子表格文件等控件完成。清除測試項歷史記錄主要用到了編程結構的 for循環（共循環 18×8=144次）、表格控件的屬性調用。主要程序如圖4和圖5所示。完成。測試項選擇程序如圖6所示。

圖4 測試項目的讀取程序Fig.4 Reader procedure of the test items

圖5 測試項目的存儲方式Fig.5 Storage ways of the test items

圖6 測試項目選擇程序Fig.6 Selection procedure of the test items

（2）載頻與功放電壓測試模塊

載頻測試模塊與低頻測試模塊的整體設計思路、編程方法基本相同，另外功放電壓測試模塊與低頻測試模塊設計思路與編程方法也是大同小異，這里不再贅述。載頻測試程序設計如圖8所示。

圖7 測試結果的顯示程序Fig.7 Display program of the test results

圖8 載頻測試程序Fig.8 Carrier frequency test procedure

4 系統仿真調試與分析

4.1 ZPW-2000A測試系統功能

測試系統的測試功能包括：低頻測試、載頻測試、發送器功放電壓測試。測試系統分默認測試和自定義測試兩部分。選默認測試，系統將自動依次全部測試低頻、載頻、功放電壓；選自定義測試，系統將根據用戶選擇的測試項目進行測試。主測試界面如圖9所示。

圖9 測試器主界面Fig.9 Main interface of the test device

4.2 測試仿真與分析

基于ZPW-2000A軌道電路對鐵路現場運營的重要性，要求電壓和頻率等必須具有高可靠性、高精度要求。測試結果表明系統滿足高精度、準確的要求。

（1）低頻信號測試仿真。系統在低頻信號測試仿真中以 0.03Hz為最大誤差允許范圍，測試仿真如圖10所示。低頻誤差在0.03Hz內測試結果均為“正?！?，誤差在 0.03Hz外，測試結果為“誤差太大”。系統測試仿真達到了低頻測試指標的基本要求，這也是實際測試系統所必須達到的要求。

圖10 低頻測試仿真Fig.10 Low frequency test simulation

（2）載頻測試仿真。各載頻信號的誤差均應該控制在 0.15Hz范圍內，在本測試系統仿真測試過程中以0.15Hz為最大誤差允許范圍，仿真測試如圖11所示。各載頻誤差在0.15Hz內測試結果均為“正?！?，誤差大于0.15Hz，則測試結果為“誤差太大”。系統仿真測試達到了載頻測試指標的基本要求。

圖11 載頻測試仿真Fig.11 Carrier frequency test simulation

（3）功放電壓測試仿真。功放電壓對應于不同的載頻，相應的電壓范圍也不同。在系統仿真測試時，測試了各個載頻的電壓，如圖12所示。

圖12 功放電壓測試仿真Fig.12 Power amplifier test simulation of the voltage

5 結 論

在ZPW-2000A信號頻率測試中，低頻信息誤差控制范圍只有0.03Hz，一般的測試器難以達到這樣的精度?；谔摂M儀器的測試系統具有高分辨率、高精度，能夠很好地實現測試要求。此外，LabVIEW 強大的信號處理、數學分析工具，以及強大的數據庫接口功能、遠程訪問和交互式操作，能夠很好實現測試系統的升級、故障自動分析、遠程測試等。基于虛擬儀器的測試系統能夠很好的滿足今后測試系統智能化的發展要求，是今后測試系統的發展方向。

[1] 王 安，張芳芳，羅曉斌. 一種軌道移頻信號解調的新方法[J]. 測控技術，2008，05: 45-47.

[2] 焦瑋琦，陳特放. 基于局部頻譜細化的軌道移頻信號高精度檢測[J]. 機車電傳動，2009，02: 48-50，54.[3] 袁 薇，孫景峰，樊文俠. 欠采樣與ZFFT在移頻信號檢測中的應用[J/OL]. 西安: 電子科技，2010[2010-5-13].

[4] 薛凱凱. 基于 DSP的移頻參數檢測系統設計[D].西安：西安理工大學，2008.