（交通信息工程及控制专业论文）机车信号记录器的研究.pdf

舫掀娜做 f 3 4 f 1 6 , 0 摘要 摘要 随着铁路向”高速重载”的方向发展，机车信号重要性在不断提 高，对它的要求也不断提高，机车信号已从纯粹的辅助信号提升为 准主体信号。 无论是为了机车信号、地面设备的日常维护，还是发生事故后 的分析，都需要对机车信号运行中的动态信息进行记录存档。为 此，本论文设计了基于d s p 处理器( t m s 3 2 0 f 2 0 6 ) 的专用机车信 号记录器，完成对机车信号灯位，速度等级等输出信息以及机车接 受线圈接收的轨道电路信号等输入信号进行处理记录。 ，论文提供了记录器的原理框图，包括结合数字化机车信号的特 点遗行了a d 采样及适配电路、灯位转换电路、s p i 接口时序电 路、s d r a m 控制器电路的设计，并进行了相关问题的讨论。其中 s d r a m 控制器电路的设计最为详尽。 由于原始信息量过大，必须进行必要的预处理。论文重点讨 论了信号的特征信息提取，即解调问题。为此论文推导得到常见轨 道电路各制式信号f 本文选取应用最为广泛的2 5 h z 交流计数、四 信息移频、u m 7 1 ) 频谱数据，并对其频谱分布的特点进行了分 析。 鉴于最近几年兴起的频域的特征谱线分析法，本文运用 m a t i , a a 软件模拟了轨道电路信号处于变化及在调幅干扰信号 条件卞，通过f f t 运算得到相应的频谱图，指出了谱线分析法的 + 局限性： 记录器采用传统非相干解调方案对低频信息进行提取并记 录。因此方案中应用到多个滤波器，论文在分析各制式信号的频 谱特点的基础上，提出了各解调方案中的滤波器指标。 论文最后讨沦了记录器没计中尚需解决的问题，并对围内的 十八信息无绝缘轨道电路信号及国外的报文式数字无绝缘轨道 电路信号进行了分析介绍。 北方交通大学硕士论文摘要 记录器硬件设计工作主要集中在方案的研究上。信号处理部 分的各制式信号解调方案及相关的数字滤波器设计均通过 t m s 3 2 0 开发板进行编程设计并通过验证，信号来源为现场采集 的信号实录磁带资料。札 关键字：机车信号记录器数字信号处理滤波器 动态弛址终制器 ! ! 立窒兰查兰堡圭篁圣 垒! ：! 竺呈 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n h e a d i n go nh i g hs p e e da n d h e a v yl o a d ，t h et r a i ns a f e t yb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h ec a b s i g n a l ，ab a s i so ft r a i nc o n t r o ls y s t e me n s u r i n gt h et r a i ns a f e t y ，b e c o m e s m o r ea n dm o r ei m p o r t a n ta c c o r d i n g l y n o w ，t h ec a bs i g n a li st a k e na sa q u a s i m a i ns i g n a lo t h e r t h a na na i d e ds i g n a l n om a t t e rf o rt h ed a i l ym a i n t e n a n c eo f c a bs i g n a l ，o rf o ra n a l y s i sa f t e r t h ep r o b a b l et r a i nr u n n i n ga c c i d e n c e ，t h es t a t u so fc a bs i g n a ls h o u l db e r e c o r d e da n da n a l y z e d as p e c i a lc a bs i g n a lr e c o r d e rb a s i n go nd s p p r o c e s s o r ( t m s 3 2 0 f 2 0 6 ) h a s b e e nd e s i g n e di nt h i sp a p e r ，w h i c hc a nd e a l w i t ha n dr e c o r dt h ec a bs i g n a ll a m p v o l t a g eo u t p u t ，s p e e dl e v e lo u r p u ta n d o r i g i n a ls i g n a lo f t r a c k c i r c u i tr e c e i v e da tc a bs i g n a li n d u c t o r t h es c h e m a t i cs h e e to ft h er e c o r d e rc i r c u i ti s p r o v i d e d ，w h i c h i n c l u d e st h ed e s i g no fa ds a m p l i n ga n dr e l a t e da d a p t e rc i r c u i t ，s p i i n t e r f a c et i m e s e q u e n t i a lc i r c u i t ，s d r a m c o n t r o l l e r s o m er e l a t e d q u e s t i o n sa r ea l s od i s c u s s e d t h es d r a m c o n t r o l l e ri sd e s i g n e di nd e t a i l b e c a u s eo ft h el a r g ev o l u m e so fs i g n a ls h o u l db er e c o r d e d ，t h e o r i g i n a ls i g n a lr e c e i v e db yt h el o c o m o t i v ei n d u c t o rm u s tb er e c o r d e d a f t e rb e i n gp r e p r o c e s s e d t h ep i c k i n gu po fc h a r a c t e ro fs i g n a l ，i e t h e d e m o d u l a t i o no fs i g n a l i sd i s c u s s e d e m p h a t i c a l l y t h ef r e q u e n c y s p e c t r u m d a t ao ft h es o m eg e n e r a lk i n d so ft r a c kc i r c u i ts i g n a l ( t h e w i d e l yu s e d2 5 h za cc o u n t i n gc o d e ，4 - i n f o r m a t i o nf r e q u e n c y s h i f t ， u m 一7 1 ) a r c c a l c u l a t e d a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e ma r ea l s o a n a l y z e d i na c c o r d a n c ew i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c f r e q u e n c y l i n e a n a l y s i s m e t h o dd e v e l o p e di nt h ep a s tf e wy e a r s ，m a t l a bs o f t w a r ei sa d o p t e d t oc a l c u l a t et h er e l a t e d s p e c t r u mb yt h ef f ta l g o r i t h mo ft h et r a c k c i r c u i ts i g n a lw h e nt r a n s f e r r i n gf r o mo n ek i n do fs i g n a lt oa n o t h e r ，o r t h e r eb e i n gp r o b a b l ea m p l i t u d e m o d u l a t e di n t e r f e r e n c e b yc o n t r a s t i n g t h er e l a t e ds p e c t r u md a t a ，t h es h o r t a g ei ns p e c t r u ma n a l y s i sm e t h o di s 北方交通大学硕l 论立 a b s t r a c t l n d i c a t e d t h et r a d i t i o n a l i n c o h e r e n td e m o d u l a t i o nm e t h o di sa d o p t e di nt h i s r e c o r d e rt op i c ku pa n dr e c o r dt h el o wf r e q u e n c yi n f o r m a t i o n s os o m e d i g i t a l f i l t e r sa r en e e d e dt o p e r f o r mt h ed e m o d u l a t i o n b a s i n g o n a n a l y z i n gt h ef r e q u e n c ys p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i c so f a l lk i n d so fs i g n a l ， t h i s p a p e rg i v e s t h ef i l t e ri n d i c e so ft h ef i l t e r si na l lk i n d so f d e m o d u l a t i o ns c h e m e s a tl a s t ，t h er e m a i n i n g p r o b l e m si nt h er e c o r d e rd e s i g na r ed i s c u s s e d a n dt h es i g n a lo fn a t i o n a ll8 - i n f o r m a t i o n j o i n t l e s st r a c kc i r c u i ta n dt h e s i g n a l o f f o r e i g nd i g i t a lj o i n t l e s s t r a c kc i r c u i ta r ei n t r o d u c e da n d a n a l y z e d t h er e c o r d e rh a r d w a r ed e s i g nw o r ki sm a i n l yc o n c e n t r a t e do n p l a n r e s e a r c h f o rt h e p a r t o f s i g n a l p r o c e s s i n g ，a l l k i n d so f s i g n a l d e m o d u l a t i o ns c h e m e sa n dr e l a t e dd i g i t a lf i l t e rd e s i g na r et e s t e do nt h e t m s 3 2 0 d e v e l o p m e n t b o a r da n d p a s st h r o u g h t h e v e r i f y i n g t h e a d o p t e dt e s t i n gd a t aa r ef r o m t h es i g n a lr e c o r d e da ts i t e k e y w o r d ：c a bs i g n a l i n g ；r e c o r d e r ；d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ；f i l t e r ； d y n a m i cr a m c o n t r o l l e r 北方交通大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 机车信号面临的问题及记录器的设计原则 数字化通用式机车信号从1 9 9 1 年开始研制至今，已得到大面 积的推广应用，其应用范围覆盖全国各局，其应用区段的制式也由 当初的四信息移频及u m 7 1 双制式推广至十八信息移频， 2 5 5 0 7 5 h z 交流计数，极频等制式，囊括了我国现存所有的轨道电 路制式，其发展的速度相当迅速。 在这几年的发展中，我们也逐步发现了一些问题，集中体现在 以下的几个方面中： 一、机车信号地位及要求的变化 机车信号从发展伊始，定位为辅助信号，只是在机车弯道运 行、风雪大雾等情况下地面信号了望条件不佳时，才作为行车依 据。随着自停，尤其是近年机务监控装置的大量应用，对机车信号 的要求大大提高，机车信号译码显示已成为机车全程运行监控管理 的依据。各路局都已将“译码完好率”作为电务考核的重要指标。 从一定意义上说，当前机车信号已从纯粹的辅助信号提升为准主体 信号。 二、现存轨道电路不尽完善，尚达不到主体化要求 现存轨道电路的问题是多方面的：有制式本身的缺陷，如交 流计数的传输效率低下：有多制式复合应用产生的问题，如电化区 段的2 5 周交流计数与非电化区段5 0 周交流计数共存同一交路；有 信号发码设备维护不当产生的问题，如码型畸变；也有工程设计的 问题，如站内发码的脉动问题。情况繁杂，不一而足。这些问题客 观制约了机车信号的主体化。在一定条件下，会导致机车信号“掉 灯”或“灯位突变”。 i ! 童奎堡叁兰璺：! 篁兰 丝= 兰 。一一。! | | 竺一 三、当前电务领域尚无配合机车信号使用的、可全程记录其输 入输出信号的设备，对机车信号运行中的异常输出无法回放，因而 无法进行分析与侦测。 四、机车信号管理维护的落后 现有的机车信号维护管理以静态为主，已无法适应现在的形 势。如何构成机车信号的动态管理己日显重要。这个系统的关键是 如何用较低成本实现对机车信号的运行中动态变化信息予以采集 存储，然后才能与其他相应地面设备结合，实现机车信号管理体制 向动态化的科学管理转变。 目前，可以记录机车信号信息的装置主要有： 1 机务监控装置，记录灯位等信息。 2 电务的基于移动电脑的检测仪，记录机车接收线圈信息的 低频及灯位等。 机务监控装置只能记录机车信号的最后输出结果，对机车信号 异常的原因并不能提供更多信息；另外，由于种种原因，机务监控 装置所记录的结果并不完全准确；再者，机车信号输出异常原因之 中，有些就是机务监控装置的故障引起的，因此机务监控装置远满 足不了机车信号信息记录的要求。 近年来，电务部门研制了基于移动电脑的检测仪，框图1 1 1 如下： 接口盒 。n 灯位等信息 1 耄 l a p t o pc o m p u t e r 图1 1 1 基于移动电脑的检测仪 ! ! 立奎堡盔兰堡! ：篁兰墨= ! 竺鎏 接口盒输入为机车接收线圈信息与灯位信号，机车接收线圈信 息通过盒内解调芯片提取低频特征，与灯位等信息通过连线接入移 动电脑予以记录。 这种方案有如下问题：首先，只能记录信号低频，载频及带 内干扰信息被丢失；其次，记录需人工参与，决定了其捕捉异常信 号能力有限；最后，性价比不高。因此，这种检测仪也不能满足需 要。 一个较完备的机车信号记录仪的设计，须满足如下要求： 记录信息的完备性，记录器需记录的信息分为三类 1 记录机车信号的输入信息：机车接收线圈信息及上下行信 息。 2 记录机车信号的输出信息：八个灯位输出及绝缘节；制式 选择；速度等级开关量。 3 预留今后新型机车信号主机状态信息输入接口。 记录信息的准确性，具有如下含义： 1 机车接收线圈信息是最重要的信息，引起机车信号译码输 出变化的机车接收线圈信息需用高精度a d 精确采样记录，载频 及干扰等信息皆应包含，不能丢失；信号记录长度不能太短，应能 充分机车信号灯位变化前的信号变化；机车接收线圈信息在进行信 号解调后的低频频率应有较高精度。 2 八个灯位输出及绝缘节、制式选择、速度等级开关量的采 集应充分考虑现有数字化机车信号的输出信号波形特点，从输入接 口及相应软件设计上保证这些信号采集的准确性。 信息采集的安全性，指各信号的采集不应影响机车信号主机的 f 常工作，具体讲： ! ! 查奎翌查兰堡! ：丝兰 篓= 耋 竺：兰一 1 机车接收线圈信信息的采集接口应为高阻，对原信号应基 本无影响。 2 灯位输出及绝缘节等采集所需电流应很小，以免影响机车 信号的反馈检查。 较高的性能价格比：指如何用尽量低的成本完成设计的功 能，其中最大的问题是如何对机车接收线圈信息进行存储，这是提 高性价比的关键，也是记录器是否能真正进入实际应用的重要方 面，因此本设计采用动态i m m 作为机车接收线圈信息的存储芯 片。 强大的信号处理能力与高可靠、小型化设计：由于轨道电路传 输的要求，从交流计数到u m 7 1 的低频信息都需经调幅或调频后 才能传输。记录器必须拥有强大的处理能力，从各制式信号中提取 低频及其他信息，记录器只有采用高性能的数字信号处理芯片 ( d s p ) 才能满足进行大量实时滤波、精确比较判别等处理的要 求，才能满足高可靠、小型化的设计要求。 1 2 数字信号处理技术的应用现状 随着超大规模集成电路的发展，数字信号处理器件性能越来 越强，售价逐渐降低，数字信号处理器件的发展，使得现代的数 字信号处理技术在各种场合迅速走向实用化。数字信号处理技术 较传统的模拟信号处理技术有许多不可比拟的优越性，因此数字 信号处理技术应用的领域越来越广，如语音处理、滤波、雷达和 声纳处理、无线通信、调制解调、仪器仪表、高速控制等。 近年来数字信号处理器件中单片通用数字信号处理器发展 惊人。数字信号处理单片机是由运算器、程序存贮器、数据存贮 器、1 1 0 接口、程序计数器、程序状态字寄存器、条件分支逻辑、 中断逻辑和定时器t i , - t - 数器以及时钟发生器等部分组成的。它的 工作原理与微型计算机相同，而其信号处理功能却大大超过微 4 北方交通大学硕士论文 第一章 绪论 机。数字信号处理单片机采用流水线结构和改进型哈佛结构构造 芯片内部结构，所谓改进型哈佛结构是指程序与数据分居两个地 址空间，并且可以进行相互数据传送。数字信号处理单片机将微 型计算机的灵活控制能力与阵列处理器的数据处理能力结合起 来了，在一个指令周期内用硬件完成各种算术和逻辑运算，数字 信号处理单片机由于集成度高，又配有可靠的软件模拟系统，开 发容易，使用方便，设计规则，从而大大简化了数字信号处理系 统硬件，缩短了研制时间，降低了成本。数字信号处理单片机的 发展异常迅速，在短短的几年中，已有几代产品问世。虽然数字 信号处理单片机种类很多，但t i 公司的t m 3 2 0 系列性能全面， 发展最快，应用最广。t m s 3 2 0 系列的典型应用如表1 2 1 所示。 表1 2 1 通用数字信号图形图象测量分析无线电通讯 处理 数字滤波三维旋转频谱分析回声抵消 相关机器人视觉函数产生a d p c j i 代码转换机 希尔伯特变换图象传输压缩模式匹配数字增音机 加窗模式识别地震信号处理通道多路转换 快速傅里叶变图象增强调制解调器 换d t m f 自适应滤波 f a x 波形产生单位电话 话音语音控制铁路信号扩音电话 话邮业务磁盘控制数字化通用式机数字语音内插 语音编码伺服控制车信号 ( d s i ) 语音识别机器人控制1 8 信息移频地面x 2 5 脉冲群切换 语音增强激光打印机控设备 语音数据压缩 制 公司的d s p 分为三大系列：多处理器d s p ，3 2 位浮点d s p ， 1 6 位定点d s p 。三个系列中，以3 2 位浮点d s p 和1 6 位定点d s p 应用最为广泛。 根据实际设计要求，论文从c 2 x x 系列1 6 位定点d s p 中选择 f 2 0 6 作为d s p 处理芯片。c 2 x x 中还有c 2 0 3 、2 0 4 、2 0 9 几款芯 5 北方交通大学颤上论文第膏绪论 片，其处理内核是一样的，但在数据及程序存储器设雹上各有不同 e ，如下表1 2 2 所示： 表l _ 2 2 m e m o r yt y p e c 2 0 3c 2 0 4f 2 0 6c 2 0 9 r o m ( w o r d s ) 一 4 k 一 4 k f l a s hm e m o r y ( w o r d s ) 一 一 3 2 k 一 d a r 脚( w o r d s )5 4 45 4 45 4 45 4 4 d a t a ( w o r d s )2 8 82 8 82 8 82 8 8 d a t a p r o g r a ( w o r d 2 5 62 5 62 5 62 5 6 s ) 一 4 k4 k s a r a m ( w o r d s ) 选择f 2 0 6 的主要原因是它内部集成3 2 kf l a s h 作程序存储 器，这样在进行记录器设计时可免去外部程序存储器，系统较为简 单：另外f 2 0 6 是目前主流应用的d s p 芯片，性价比较高。 它还有如下特点： 处理速度： 5 0 纳秒指令周期时间 2 0 m i p s 指令兼容性： 源代码向下兼容c i x 和c 2 x 源代码向上兼容c 5 x 中央处理器： 3 2 位a l u 和累加器 1 6 * 1 6 b i t 并行乘法，3 2 b i t 输出 三个移位寄存器 八个用于蒯接寻址的1 6 b i t 辅助寄存器 程序控制： 6 ! ! 童奎丝盔耋堡! ：篁兰 墨= 兰 丝尘 四级流水线操作 八级硬件堆栈 用户可屏蔽中断线 指令设置： 单周期乘加指令 单周期重复操作 为f f t 算法设计的位翻转指令 用于数据程序管理的块传送 片内集成外设： 可编程定时器 可编程等待生成器 晶振可实现x 2 、x 4 和2 操作 可编程控制时钟同步输出 同步和异步串行接口 c l k o u t 输出 供电： 5 v 3 3 vc y o s 技术 具备省电模式 北方交通人学硕卜论文第二章 机车信呼记录器的硬件敬计 第二章机车信号记录器的硬件设计 2 1 机车信号记录器的硬件组成 机车信号记录器的功能设计与数字化通用式机车信号( 简称机 车信号) 的特点是直接相关的。从结构上划分，记录器由四块组成： 1 输入部分：由信号适配及a i c 电路、光电隔离输入、机车 信号通信接口、功能选择键( 框图未画) 组成。 2 输出部分：由i c 卡读写器电路、d ，a 输出组成。 3 d s p 处理计算控制及存储器部分：由d s p 处理芯片( v 2 0 6 ) 、 s d r a m 控制器、s d 鼬墙i 存储芯片组、n v s r a m 存储芯 片、实时时钟芯片、监督复位电路组成。 4 电源转换部分：电源变换部分、各电及失电检测。 图2 1 机车信号记录器的原理框图 8 北方交通大学硕士论文 第二常机车信导记录器的硬件设计 图2 1 是记录器原理框图，以下结合框图进一步介绍各部分的 硬件构成及功能。 2 1 1 输入部分的电路设计 ( 1 ) 信号适配电路及a i c 电路 信号适配电路的主要作用是设定灿c 中a d 接口的输入阻 抗。记录器的采样不能影响机车信号对机感信号的接收，因此信号 适配电路的输入应为高阻，设计上考虑对机感信号的影响应低于百 分之一，因此电路中设定输入阻抗最少为2 0 0 k q ，同时，考虑为防 止信号动态范围过大，根据实际情况信号适配电路应对机感信号有 2 ：1 的衰减，有利于提高a d 的精度。具体电路如图2 1 1 所示。 l41 5 j ； 5 i i ! | l i，： 【tl l 。；。li ，：l l i ；4i。，oi l i i kj l ll fi ，：一1l。i 1 l 2 ，l ；。 j ： 1t ，llll i f ! i- f， 一。fl r f fff + 惜f ：ffj | ；f li 曼董。l ，1 _ ； ，lill ：， l 辫錾擎攀彝崩。辫。茎。# 嚓“，鞘霉骥鞫 fi ，s ，i ，一 ffi ； if，j 1 ， ：i 5 ：i l i t li i ；jl ，s a ；l 1 2；i l o j1 1 kl ：l ：ll il l 1 jll ：tc 。 。 r 一i j l ；l l il ；- ，；| l。 。：； l 1t ，ll 1l1 ， ，、。：- ；il ；i ，。，1 一 i lfi2 ， i l h i ：i 。、 ，lii l 1 ：1 j - l ，jjt ：j r ； 。 一，jjjj+ | j ， 图2 1 1 信号采集适配电路 所谓a i c 是a n a l o gi n t e r f a c ec i r c u i t 的缩写， 它与一般a d ，d a 芯片的区别在于其芯片内集成了可编程电压基 准、抗混迭开关电容滤波器等电路，使外围电路非常简单。本设计 选用t l c 3 2 0 4 4 ，具有如下特点： 1 1 4 位a d 及d a ，差分输入输出。 2 最大1 9 2 k s p s ，采样率可编程改变。 3 串行数据传输，与ti 系列d s p 芯片s s p ( s y n c h r o n o u s ! ! 銮奎望查兰堡圭至苎 篓三薹墨圭堡兰堡茎塑竺璧丝丝生 s e r i a l p o r t ) 接口简单方便，见图2 1 2 。 4 内置可编程电压基准。 5 内置可编程抗混迭滤波器( 本设计用带通3 6 k h z 的抗混迭 滤波器) 。 6 内置可编程计数器，提供串行中断。 1 。 i i 一 。i 一划d 差分，1 、 ； l j 叶_ b 蹲藿挣出 j i 。 ， r l：j h l li ，：； ! 。7 - il 4 。 图2 1 2t l c 3 2 0 4 4 与f 2 0 6s s p 串行 ( 2 ) 光电隔离输入 机车信号的灯位输出由八位构成，另有s d 、s d 2 、s d 3 、 z s 、s x 几个电压信号，都是5 0 v 电压信号，其含义如下所述： s d ：u m 一7 1 1 8 信息移频制式用，与信号灯位共同构成允许速 度例：郑武线u m 7 1 方案中，代码l c ，机车信号输出灯位l ，s d 为t ( 5 0 v + 高电平) ；代码1 2 0 8 0 a ，机车信号输出灯位l ，s d 为0 ( 5 0 v 低电平) 。 s d 2 ，s d 3 ：1 8 信息移频制式用，与s d 及信号灯位共同构成 输出信息例：京九1 8 信息移频制式中，代码l 1 ，机车信号输出灯 位l ，s d 、s d 2 、s d 3 为1 、1 、0 ；l 2 时，机车信号输出灯位l ， s d 、s d 2 、s d 3 为1 、0 、1 。 j y ：过绝缘信号，每过一区间，电平跳变一次，1 + 一，o ，供 后级监控距离校准用。 z s ：移频时为0 ，u m 一7 1 时为1 。 s x ：移频及u m 一7 1 时的上下行选择输入。 电路设汁考虑光祸隔离转换，将上述1 4 路信号由5 0 v 转为5 v 电平输入，设计考虑了预留，故实际为1 6 路。转换电路如图2 1 3 1 0 ! ! 窑窒兰当兰堡圭笙兰 笙三耋丝圭笪兰里垂堂塑堡竺些生 示。 ll j 1 il l- i l 莹二；赢砰萄善。耋喜；叶瞄癌螽扭= + “。4 一r - f ；t 2 l i 一 j 7， ji ；| ； ； ：。：。，l t r li illl 图2 1 3 灯位等信号电平转换 ( 3 ) 机车信号通信接口 机车信号通信接口是预留接口，考虑今后的新一代数字化机车 信号所增功能，记录器记录主机的以下两类信息： 1 主机状态信息，如双套转换信息、故障状态、复位等。 2 译码信息，如译码依据，制式选择等。 机车信号通信接口的读取时序与一般r a m 时序相同，各不同 信息以1 6 位编码区分表示。 ( 4 ) 功能选择键 为记录器转录提供简单的人工按键，预留其他的功能选择。 2 1 2 输出部分的电路设计 ( 1 ) i c 卡读写器 i c 卡的应用已非常广泛，i c 卡内部封装不同容量的串行接口 的f l a s h 或e e p r o m 。i c 卡接口的主要任务，1 。i 关键是设计好d s p 芯片与串行外围接口( s p i ) 存储器的接口时序。 北方交通大学项士论文 第二章机车信号记录器的硬件设计 数据传送有串行传送和并行传送两种方式，并行传送以其高速 度占领了数据传送领域很长一段时间，采用并行传送的集成电路、 外围设备可谓不计其数，从c p u 、r a m r o m 到打印机等；而串行 传送仅在远距离数据传输领域占有一席之地，随着集成电路制造工 艺的发展，器件的速度大为提高，串行传送的速度有了很大的提 高，已经可以达到数兆m b p s ，其应用已不再受传送速度的限制， 因此各半导体公司加大了串行接口芯片的开发力度，出现了大量带 有串行外围接口集成电路，这些芯片与并行接口芯片相比，具有引 出线少( 最少的只有8 个引脚) 、芯片体积小、接口线少( 仅3 4 ) 根线，从而可加光电隔离且便于实现多芯片连接) 等优点，其应用 必将越来越广。 串行外围接口s p i 是种同步串行通讯接口，这一通讯接口采 用单独的三根信号线( c l k 、d i 、d o ) 传送数据及同步时钟，可 以实现全双工通信；由c s 片选线实现多机通信或扩展多片s p i 芯 片。在启动一次传送时由主机( 或c p u ) 产生8 个脉冲传送给从机 ( 或接口芯片) 作为同步时钟，数据由d o 移出，d i 移入，典型时 序如图2 1 4 所示。其中，引起数据线变化及采样数据线时的c l k 边沿与芯片有关。 c s c l k d 帕d f ld 】 图2 1 4 同步串行通讯接d ( s p i ) 典型时序 d i d o 的数据同步于c l k 的上跳沿，c s 片选信号低电平有 效。 本设计中i c 存储器选择具有s p i 接口的f l a s h 芯片( a t m e l 公司a t 4 5 d 0 4 1 ) ，除上述c s 、c l k 、d i 、d o 四线，还有w p _ 一 写保护、r e s e t _ 一芯片复位、r d y 佃u s y _ 一空闲忙表示三条线， 操作简单。 对于具有s p i 接口的单片机( 如m c 6 8 h c 0 5 、m c 6 8 h c l l 系 1 2 i ! 垄窒塑查兰堡兰篁兰至三耋 ! ! 耋笪兰堡墨堡塑型丝竺生 列) 来讲，只要将信号线对应相连，并做适当的设置配以相应的软 件即可。对于不具备s p i 接口的单片机，可以采用软件s p i 接口来 实现与s p i 芯片的连接。设计中主芯片采用t m s 3 2 0 f 2 0 6 ，不具备 s p i 接口，采用了软硬结合的方法实现s p i 接口的时序。具体讲， 利用7 4 2 7 3 锁存来自t m s 3 2 0 f 2 0 6 数据总线的数据，用软件编程 操作t m s 3 2 0 f 2 0 6 数据总线，在7 4 2 7 3 上形成c s 片选及c l k 信 号。具体电路如图2 1 5 所示，图中7 4 1 3 8 三八译码器生成c p u 外 设口地址，i c 卡的口地址设为零。 睁陌立： ；鬻草图三 1 i l ! 巨一i ；i _i 。i ；k： ； f i 。二 ，一l ： i v l i i 引i li 一口 审卜卜槲l 1 。ha_ 糖谶一一 奠4 _ i - # 鬼 咄l ， l ll ； _ j l 一 一l l一 一l 幢t 十：“ ( 2 ) d a 输出 图2 1 5s p i 时序形成 在上面介绍a i ct l c 3 2 0 4 4 时已经知道，1 r i c 3 2 0 4 4 具有一路 d a 输出，精度1 4 位。 北方交通大学硕士论文第二章 机车信号记录器的硬件设计 2 1 3dsp 控制及存储器的接口电路设计 这部分由d s p 处理芯片( 1 m s 3 2 0 f 2 0 6 ) 、s d r a m 控制器、 s d r a m 存储芯片组、n v s r a m 存储芯片、实时时钟芯片和监督 复位电路组成。 记录器处理记录的信息中，机车接受线圈的信息量是最大的， 其中，机车信号的输出变化前八秒的机感信号将不经处理直接记 录，采用何种存储器将直接决定记录器的成本，本设计经多方考 虑，选择了同步动态随机存储器( s d r a m ) 最大限度地解决这一问 题。但是除少数高档d s p 外，一般芯片不提供同步动态随机存储 器接口，f 2 0 6 也不例外。因此必须设计s d r a m 控制器才能在系 统中应用s d r a m 。 n v s r a m 存储芯片是现今工业控制领域应用较广泛的掉电现 场数据保护存储器，它内部含u 电池，失电后数据不会丢失，可 靠性较好，本设计应用它存储如下信息： 1 灯位信息、s d 、j y 、s x 、z s 信息。 2 记录开始时刻的时间信息( 实时时钟) 。 3 s d r a m 的各个八秒记录的首尾地址索引。 4 经f 2 0 6 处理后运行全程的各制式的低频信息、机感信号的 幅度值。 由于系统无法取得速度、距离、区间设置等条件，为使记录器 信息具备一定可定位性，系统以实时时钟芯片作为记录器的时间基 准。 下面进一步介绍各部分特点，原理图见图2 1 6 。 ( 1 ) d s p 处理芯片( t m s 3 2 0 f 2 0 6 ) t m s 3 2 0 f 2 0 6 已在第一章介绍，t m s 3 2 0 f 2 0 6 的特点使系统设计 非常便利，对记录器来讲，有如下优点： 1 4 北方交通大学硕士论文 第二章机车信号记录器的硬件址计 1 处理能力强，大部分指令尤其是乘加为单周期指令( 5 0 纳 秒) ，对后续运用数字滤波器进行信号处理有利。 2 1 6 位数据总线不仅提供较好数据精度和数据较大动态范 围。 3 源代码良好的向上兼容性( 向上兼容c 5 x ) ，使今后的d s p 升级工作简化。 4 可编程时钟同步输出功能对f 2 0 6 通过s d p a m 控制器操作 s d r a m 非常有利。 j c m o s 工艺使芯片功耗低：5 v 3 3 v 使f 2 0 6 与s d r a m 连接免 除电平转换：省电模式使记录器在失电时能耗进一步降 低，有利于信息的保存。 6 可编程访问延迟等待适合不同速度外设相连而无须附加电 路。 7 c l k o u t 输出使设计动态r a m 控制器得以简化，详见2 2 节 ( 2 ) n v s i m l 存储芯片 n v s r a m ( n o n v o l a l r i l es r a m ) 通称“非易失r a m ”，掉 电不失的特性是因为内部封装了锂电备电和失电检测电路，达到保 护数据的目的，特点如下： 1 失电过程中数据自动保护，失电后数据可长期保持。 2 与同容量八位、十六位r a m 管脚及操作时序兼容，操作简 单。 3 可无限次读写。 4 c m o s 低功耗工艺。 5 数据保持时间大于十年。 6 访问延迟时间可达7 0 纳秒。 7 各种不同容量及电气特性产品可选，最大单片容量已达 6 4 m b i t 。 本设计中采用的具体芯片容董将在2 4 节中讨论。 ( 3 ) 实时时钟芯片 实时时钟芯片的选择面很宽，现有型号很多，操作上育串行接 北方交通人学顽上论文 第二章机车信号记录嚣的硬件设计 d ( s p i ) ，如d s l 3 0 5 ，也有并行接口，如d s l 2 8 4 ；有内置锂电、晶 振及n v s r a m ，如d s l 2 8 8 7 ，也有需外接电源晶振工作的，如 d s l 3 0 6 ，记录器选用d s l 2 8 8 7 ，d s l 2 8 8 7 有如下特点： 1 内置晶振，锂电及附属电路。 2 受电端小于3 v ，进入写保护。 3 失电后可正常工作十年。 4 用户可用1 1 4 b y r e n v r a m 。 5 提供秒分时日月年计时，有效至2 1 0 0 年。 上述特点适合记录器的应用：内置晶振，锂电及附属电路， 失电后可正常工作十年，使外围电路设计相对d s l 3 0 51 3 0 6 简化， 提高了可靠性；受电端不供电，则进入写保护，不允许外部操作， 解决了在系统非正常状态下时钟数据易被改写的问题；1 1 4 b y t e n v r a m 可与软件设计配合用作记录器状态，如异常复位的记录。 ( 4 ) 监督复位电路 监督复位电路是为了解决系统软件运行异常、死机时的复位和 电源电压过低时检测问题。记录器不是故障安全设备，为简化设 计，只设计了一路动态监督输出。监督复位芯片繁多，功能繁简不 一。记录器设计选用m a x 8 2 3 s ，它的特点如下： 1 对3 3 v 检测，产生复位信号门槛2 9 3 v ，f 2 0 6 主芯片将它 作中断输入，进入失电模式的中断处理程序。 2 看门狗定时器在输入动态信号电平为长时间，即大于1 6 秒的固零固一时产生对主芯片的复位信号，这样可防止系统程序运 行的飞逸或死机。 3 使用很简单，芯片只有五脚，能耗小，耗电流仅1 0 微安。 中断处理完成如下操作： 1 按图2 2 4 状念转移图选择最近路径使同步动态r a m 进入 i d l e 状态。 2 将这一状态写入图2 4 1 的信息管理区的开头第一个寄存 1 6 北方交通大学顾 ：论文第二章机车信号让录器的硬件垃计 器。 3 f 2 0 6 进入省电模式( i d l e ) 。 2 1 4电源转换部分及掉电保护 电源输入为5 0 v 1 0 v 。系统设计中涉及的芯片除t l c 3 2 0 4 4 及图1 2 信号适配电路需用5 v ，其余各输入输出及d s p 处理计 算控制及存储器部分的集成芯片均为3 3 v ，电源的主变换为 5 0 v 5 v ，5 v 及3 3 v 均由5 v 变换得到。 掉电保护指对3 3 v 的监控与保护，需要设计备电3 6 v 接入电 路，如图2 1 6 所示。 图2 1 6 系统备电保护 2 2 同步动态r a m 控制器设计 如何用尽量低的成本完成设计的功能，其中最大的问题是用什 么存储器对机感信号采样值进行存储这是提高性价比的关键，也是 记录器是否能真正进入实际应用的重要方面。本设计经多方考虑， 选择了同步动态随机存储 器( s d r a m ) 解决这一问题，但是除少数高 档d s p 外，一般主芯片不提供同步动态随机存储器接口，f 2 0 6 也 不例外，因此必须设计s d r a m 控制器才能在系统中应用 s d r a m 。 1 7 苎銮茎翌查兰堡! ：兰兰 堡三兰! ! 三互：墨量竺竺筌兰墨生 d s p 芯片( t m s 3 2 0 f 2 0 6 ) 与同步动态r a m 接口时序设计， 经多方查阅咨询，这块内容无任何现成设计可供参考，故单列本节 详细论述。同步动态r a m ( s d r a m ) 目前主要产品由l g s 等少 数公司生产，主要应用于计算机内存，价格为1 2 元m b ， 相对 静态r a m 的7 0 元m b ，n v s r a m 的5 0 ：元m b 讲，具有优异的 性价比。 s d r a m 接口时序特性及内部结构均已形成标准，现对其典型 产品g m 7 2 v 1 6 8 2 1 作一介绍。g m 7 2 v 1 6 8 2 1 c t c l t 内部共计 1 6 m b i t 存储单元，以1 ，0 4 8 ，5 7 6w o r d s x8b i tx2 b a n k 方式组织， 操作以时钟上升沿作参照严格同步，内部寄存器允许预设数据延迟 周期。 芯片特点： 1 , 0 4 8 5 7 6 w o r dx8b i tx2 b a n k 结构 3 3 v + 一o 3 v 供电 最大时钟频率1 0 0 m h z l ，接d ( 3 3 v ) 支持1 ，2 ，4 ，8 ，5 1 2 突发读写操作，长度可编程 可编程数据一寻址延迟周期：1 2