基于TMS320F2812的通用式機(jī)車信號主機(jī)

摘 要：采用TMS320F2812 DSP芯片設(shè)計了通用式機(jī)車信號車載系統(tǒng)的主機(jī)，給出了系統(tǒng)組成和軟件工作原理。針對鐵路軌道極頻信號、交流計數(shù)（25周、50周）、國內(nèi)移頻信號、ZPW2000等制式進(jìn)行信息采集和譯碼，并最終輸出譯碼結(jié)果幫助司機(jī)進(jìn)行行車時的速度控制。機(jī)車信號的研制有效地保證了行車安全，提高了運(yùn)行效率，也改善了司機(jī)的工作條件。經(jīng)過大量的計算機(jī)仿真和實(shí)際道路試驗(yàn)，證明該主機(jī)具有集成度高、實(shí)時性好、抗干擾能力強(qiáng)以及高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：機(jī)車信號；DSP；采樣；譯碼

1 概述

機(jī)車信號是保證列車安全運(yùn)行的重要手段之一，隨著鐵路跨越式飛速發(fā)展和鐵路裝備的現(xiàn)代化技術(shù)日益成熟，機(jī)車信號設(shè)備技術(shù)的研制也在不斷改進(jìn)和完善。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調(diào)制方式，它具有數(shù)字通信的諸多優(yōu)點(diǎn)，也有非線性調(diào)制的特點(diǎn)，借助數(shù)字信號處理技術(shù)及DSP芯片對FSK信號進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化譯碼，具有很高的實(shí)時性和可靠性，非常適合于鐵路信號的分析和處理。基于TMS320F2812的通用式機(jī)車信號主機(jī)采用“二取二”的容錯安全結(jié)構(gòu)，32位DSP數(shù)字信號處理，時域、頻域相結(jié)合的分析方式，雙線圈感應(yīng)器接收，以及一體化大容量機(jī)車信號記錄器等，有效的保證軟硬件的安全性結(jié)合，為機(jī)車信號一體化提供了基礎(chǔ)保障。文章介紹了基于TMS320F2812的通用式機(jī)車信號主機(jī)的軟件組成及軟件基本譯碼原理，對移頻和UM71的譯碼算法進(jìn)行了簡略的描述，并分析了機(jī)車信號主機(jī)在運(yùn)行時可能產(chǎn)生的故障和解決措施。

2 主機(jī)板軟件組成

基于TMS320F2812的通用式機(jī)車信號主機(jī)由A、B兩個主機(jī)及一個記錄板組成，如圖1所示。A、B兩個主機(jī)分別接收線圈1和2傳來的信號，作為譯碼的依據(jù)，并且形成雙機(jī)熱備。當(dāng)班主機(jī)把最終譯碼結(jié)果送個監(jiān)控設(shè)備LKJ作為行車監(jiān)控的依據(jù)，并向記錄板輸出譯碼結(jié)果用來記錄故障、分析原因。主機(jī)板把點(diǎn)燈信息輸出給雙面八顯示信號機(jī)，即圖中的顯示機(jī)構(gòu)，八種信號燈具有不同的含義，控制著列車的速度等級、進(jìn)站、出站、停車等信息。

A、B兩個主機(jī)板內(nèi)部，分別有4個DSP進(jìn)行譯碼和輸出控制，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。從線圈接收到的信號通過隔離放大器分別進(jìn)入兩個譯碼DSP，針對不同制式進(jìn)行譯碼，并通過雙口RAM分別將譯碼結(jié)果送到兩個控制DSP。主控DSP對兩個譯碼DSP的結(jié)果進(jìn)行雙路對比，雙路對比一致，則輸出最終結(jié)果。

3 主機(jī)板軟件的工作流程和譯碼原理

3.1 工作流程

每次開機(jī)后由動態(tài)電路輸出信號對DSP進(jìn)行復(fù)位，然后自動進(jìn)入自檢工作狀態(tài)。自檢過程主要包括對雙口RAM、SRAM、信號繼電器等的檢查，歷時大約1s。自檢后亮白色燈，代表自檢成功。DSP屬于被動接收狀態(tài)，A/D采樣芯片通過中斷使DSP啟動工作。在每次采樣的間隙，DSP進(jìn)行譯碼和控制輸出等工作。每次采樣中斷后，DSP需要執(zhí)行一次譯碼程序和控制輸出程序，然后接著等待下一次中斷。處理過程包括濾波、譯碼、輸入輸出控制、反饋檢測等。反饋電路隨時檢查燈反饋是否正確，確保譯碼結(jié)果能被順利的反應(yīng)到燈機(jī)構(gòu)上。每次需要變換燈色時，DSP芯片先通過光電開關(guān)切斷繼電器節(jié)點(diǎn)上的50V點(diǎn)燈電源，然后動作繼電器，最后控制光電開關(guān)導(dǎo)通接上50V點(diǎn)燈電源，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)無電轉(zhuǎn)換。

3.2 譯碼原理

極頻信號和交流計數(shù)均屬于時域信號，處理起來相對簡單，這里主要敘述國內(nèi)移頻率和ZPW2000的譯碼原理。

3.2.1 國內(nèi)移頻信號譯碼原理。國內(nèi)移頻信息的譯碼可以分為濾波、信號解調(diào)、低頻譯碼三部分。（1）濾波。A/D采樣的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過50Hz陷波器和帶通濾波器進(jìn)行濾波，這樣，50Hz工頻干擾被濾除，并且得到了通帶內(nèi)的信號。（2）信號解調(diào)。對帶通濾波器的輸出信號進(jìn)行FFT變換，使其變成頻域信號，然后對上邊頻、下邊頻進(jìn)行低通濾波，得到低頻包絡(luò)信號，這就是比較規(guī)整的能量分布信號。FSK信號的頻譜是離散的，它以載頻為中心，以調(diào)制頻率為等差級數(shù)向兩邊分布。根據(jù)這個特點(diǎn)，對此包絡(luò)信號進(jìn)行幅度和相位的檢查，滿足一定比例的情況認(rèn)為得到了正確的低頻方波，不滿足則認(rèn)為是鄰線干擾等造成的，不會得到正確的低頻方波。（3）低頻譯碼。由于A/D中斷的時間很短，所以如果在一個周期內(nèi)斷定低頻方波是不科學(xué)的。根據(jù)響應(yīng)時間的要求，在響應(yīng)時間內(nèi)的幾個中斷周期譯碼結(jié)果一致，則認(rèn)為此結(jié)果可靠。這樣，DSP可以連續(xù)的實(shí)時的輸出譯碼結(jié)果。

3.2.2 ZPW2000信號譯碼原理。ZPW2000的譯碼過程同樣分為濾波、信號調(diào)制、低頻譯碼三個部分。只是針對不同的輸入信號，帶通濾波器的設(shè)計和參數(shù)略有不同。解調(diào)過程包括制式的選擇、低通整形、幅度檢查，最后提取方波。低頻譯碼同樣是周期性譯碼，只是根據(jù)各種頻率對響應(yīng)時間的要求，周期上會有些差異。

4 故障分析及處理

機(jī)車信號是對安全性和實(shí)時性要求非常高的產(chǎn)品，所以對于故障的檢查和處理必須要做到“故障——安全”的要求，使系統(tǒng)形成多個閉環(huán)回路。因此，基于TMS320F2812的通用式機(jī)車信號主機(jī)對可能產(chǎn)生的故障做出分析，并提出相應(yīng)的解決方案。（1）雙路通信故障。與SCI通信故障超過800ms，進(jìn)行SCI軟復(fù)位，超過2s，認(rèn)為出現(xiàn)通信故障，進(jìn)行切機(jī)處理。（2）線圈故障。在2s之內(nèi)的所有周期始終譯為無碼，并且上燈為白燈或者紅燈的情況下，認(rèn)為產(chǎn)生了線圈故障，強(qiáng)行進(jìn)行切機(jī)處理。（3）運(yùn)算數(shù)據(jù)故障（雙口RAM通信故障）。超過2s，始終無法發(fā)送或者接收雙口RAM的數(shù)據(jù)時，認(rèn)為產(chǎn)生了雙口RAM通信故障，進(jìn)行切機(jī)處理。（4）燈反饋故障。在1.2s之內(nèi)沒有得到燈反饋信息，認(rèn)為產(chǎn)生了燈反饋故障，進(jìn)行切機(jī)處理。（5）降級顯示故障。在2.5s內(nèi)始終，兩個DSP譯碼始終不一致，則按照降級顯示處理。（6）無碼切機(jī)故障。在2.5s內(nèi)，本板始終無碼，認(rèn)為產(chǎn)生無碼切機(jī)故障。進(jìn)行切機(jī)處理。

5 結(jié)束語

通過以上敘述，可以看出基于TMS320F2812的通用式機(jī)車信號主機(jī)具有高度的可靠性、實(shí)時性、具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓收戏治龊驮\斷功能，經(jīng)過大量的計算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)，此設(shè)備符合鐵路交通安全準(zhǔn)則，可以對列車的運(yùn)行起到指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

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