（电路与系统专业论文）基于ARM平台的轨道入口电流的测量[电路与系统专业优秀论文].pdf

北京交通大学硕士学位论文摘要 摘 面矿8 7 9 0 1 6 要 望驯洲上。 目前铁路列车控制系统的车、地传输系统大多采用轨道电路方式，钢轨 中传输的信号电流不但完成闭塞分区之问占用信息传递的任务，而且还承担 将地面指挥信息传给机车的任务，因此钢轨电流的强度和信息正确度直接影 响到运输的安全。 为了将轨道电路参数调整在最佳状态，模拟列车占用情形，目前都是在 区间的入口处，采用短路法直接测量短路电流，这个短路电流在国家标准中 被称为入口电流，并且制定了在不同信号制式下的最小值标准；采用这种方 法的优点是测试的准确度高，但缺点是需要停用区间，直接影响到运输效率。 可见需要寻求一种新的测试入口电流的方法，来克服短路法占用区间的 缺点。 本文提出了一种新的测量方法一三次测量法。此方法利用3 个不同阻 值的电阻连接轨道，测量不同阻值下的电压有效值，然后利用d s p 技术， 推算出入口电流的大小，克服了占用区间的缺点。 本文首先通过对实际轨道电路的分析，提出入口电流的等效电路模型； 其次在理论推导、m a 叮a b 仿真基础上讲述了此方法在实际中遇到的计算 问题和相应的解决方案；最后给出了此方法具体的计算流程、简化的计算公 式和构建了a r m + d s p 结构的硬件平台。 本设计在沈阳局吴葛二线进行现场测试，经实验验证达到现场使用的精 度要求。 关键词：入口电流三次测量a r md s p 北京交通大学硕士论文绪论 第一章绪论 1 1 轨道电路发展概况 轨道电路是铁路信号系统的重要蒸础设施，它是以铁路的两根钢轨作为 寻体，两端加以电气绝缘或电气分割，并接上送电设备和受电设备构成的电 路。利糟轨道电路可以自动监洞歹l j 车的位置、控制信号机显示，以及将地面 信息传递给机车，从而控制列车运行。 在轨道电路发展的初期，为了提高线路的通过能力，铁路技术人员开始 研究用钢轨为导体构成信号传递电路的可能性。1 8 4 8 年，英国出现了第一 个摘述用钢轨来传递信号电流的专利。1 8 5 3 年，m c s e 稻ge o r g cd u 舯o r c 和 g c o g ch 髓w a r d 明确指出可以掰钢轨作为导体来传递列车和车站信息，并因 此在英i 弱获得专年! | 。1 8 7 0 年，w 麟a m r o b i n s o n ( 1 8 柏1 9 2 1 ) 在纽约展出 了一种开路式轨道电路系统模型。1 8 7 2 年，他在法豳和美国先后获得轨道 电路专利。1 8 7 2 年他研制成功了闭路式轨道电路，于1 8 7 3 年首先在宾西法 尼甄铁路试孀，从此诞生了铁路自动信号。文献 2 中对轨道电路的发明做 出了很好的评价：在轨道运输发展的历程中，轨道电路对运输安全与调度做 出的贡献超过了任何一个单项的发明；仅轨通电路本身就奠定了今天各种复 杂闭塞系统发展的基础。 作为铁路信号的重要基础设备，轨道电路在我国的发展较为迅速。1 9 2 4 年，我国首先在大连金州问，沈阳苏家屯问建成自动闭塞，采用的是交流 5 0 k 二元三位式相敏轨道电路，这是我国最早采用的轨道电路。我国铁路 在建国前采用的轨道电路传输信息少，分布也极不平衡，从5 0 年代中期开 始，轨道电路技术有了长足的发展，不仅传输的信息量增加而且使用遍及全 北京交通大学硕士论文 绪论 国跃瞎各线，构成了我国铁路信号技术发展的基础。自6 0 年代中期以来， 在半彝动闭塞区段，采用了音频辘道电路、交流2 5 乜长孰道电路；在一些 自动闭塞区段，安装了极性频率脉冲轨道电路、不对称脉冲轨道电路、5 0 i z 或2 5 h z 交流计数电码轨道电路、移频轨道电路；在站内采用了j z x c 4 8 0 型交直流孰道电路；驻塔采惩了j z x c 2 3 型交壹流鞔道电路；些道翻采 用了阀式轨道电路【1 一。进入9 0 年代，我国对原有的轨道电路制式进行了改 革。为了防止在安装轨道电路的j 集中联锁车站错办进路，铁道部对五种新 隶式鞔道电路进行了鉴定：音频脉i 串式、瓣式脉冲式、窄脉冲式、嗣，x c 5 2 直流式和站内应答式轨道电路。为了增加传输信息量，满足自动闭塞或先进 列控系统的要求，研制了1 8 信息移频轨道电路，并从法国引进了u m 7 1 无 绝缘轨道电路，近鬻又遴行了1 8 信怠无绝缘轨遂电路班及高速铁路编码轨 道的研究和论证【3 l 。 在国外，随着高速铁路的发展和铁路信号技术的进步，轨道电路技术发 展非常迅速。近年来，轨道电路已从有绝缘发展为嚣绝缘多信息轨道电路； 所用的元器件也由分离元器件井级为中、大甚至超大规模集成元器件，并广 泛采用高速单片机、d s p 控制处理器。列车的速度得到惊人的提高，从法国 巴黎列量昂豹高速列车车速这3 0 0 公里夺日于，继丽又出现了时速5 1 5 3 公 里的世界实验最高纪录。最近突破“轮轨粘着方式运行的列车模式的超导磁 浮高速列车也在德阑、日本相继出现。 嗣本是畿界上萏先建成高速铁路的国家，1 9 7 3 年1 2 旁强本将l d 型地 面设备作为全日本新干线铁路嬲a t c 系统的均薤设螽标准，l d 型轨道电路 采用了电源同步单边带的信号调制方式。法国高速铁路采用u m 7 l 无绝缘 谐振隔离式轨道电路翔进行地面信息传输，其先进t 、，m 4 0 0 系列车控制系统 的轨道电路则采用了调频编码制式以满足列车控制系统对信崽量的需求 【4 5 ，6 一。意大利s a s i b 公司的数字轨道电路d 1 采用时序编码的方式，可 2 北京交通大学硕士论文绪论 传递倍怠量较大，胃英有车地双商通信功能。 离新技术在铁路中的廒用伎世界铁路进入了一个新的大发展时期，同时 也使铁路运输生产的三大技术基础之一的铁路信号技术发生了根本性的变 化。铁路信号系统最肇本的作用是保证列车运行安全；这种作用随翁科学技 术的发震己从最初只提供傣号显承，逐步发展到提供经过加工处理以实现列 车运行控制和调整的信息。在一些先进的铁路运输综合控制系统中，例如北 荚的 c s 系统、法豳的a s l m e e 系统、欧湘的e t c s 系统、日本的c a r a r 系统、澳大利疆熬a u s n 淑c 系统以及我国嚣蔻正在礤制豹移动囊动闭塞 系统m a s 等，铁路信号控制功能的延伸与控制范围的扩大，使原有的基于 轨道电路的自动闭塞方式已经不能满足系统的要求，无线数字通信、漏泄波 导逶僖等信惑传输方式正在使孰道电路在列车控剖系统孛传输重要信息豹 地位发生变化。 但是从我国实际和技术发展的角度来分析，轨道电路仍有其存在价值， 在狠多地方辕道电路的作用还不撬被替代，这主要体现在： ( 1 ) 些技术发达国家八十年代的信号技术在我国尚未得到充分发展， 诸如基于轨道电路的自动闭塞、调度集中、微机联锁、自动化驼峰等，由于 运戆紧张、资金短缺等原因，在我匡太豢发展这些按术更其有现实意义。 ( 2 ) 高速铁路是当代铁路发展的大趋势，但是很多国家发展铁路不能像 日本新干线那样自成系统的发展，而大多在既有铁路在线起步发展。我国派 准备修建京沪高速铁路就是毽为我国铁路运能紧张，技术水准较差，高中速 相容、与既有线联网也将是运营初期的一个重要运营特征。研制基于无绝缘 多信息轨道电路和点式查询应答设备的信号系统将怒高速铁路发展的前提 之一。 ( 3 ) 在我翻，站内道岔区段很多，调车作业频繁，用轨道电路来检查轨 道占用，并以此为基础构成的车站联锁系统，技术比较成熟。 北京交通大学硕士论文结论 1 2 轨道电路理论模型 对轨道电路基本理论的研究从轨道电路诞生之日起就开始了，五、六十 年代翦苏联在这方厦的论篆缀多，其它国家如美园、圈本等也进行了类似的 研究。我函在建国初期舔译出版了一些轨道电路分析与综合方面的书籍和资 料【8 ，随后又对各类有绝缘轨道电路和无绝缘轨道电路的理论分别进行了 研究1 1 m 9 j 。 轨道电路的理论模型现在一般使用线性西端网络模型，这个模望抱区间 起始处的信号发送设备看作理想的具有内阻的单频信号电压源，区间终止处 的接收设备是负载，区间内的钢软、道床及其附加彀路看成均匀传输线。 这个模型和实际的轨道电路项符合，健也存在误差。造成误差的主要原 因是理论上四端网络模型的参数是均匀分布的，而实际的轨道电路参数并不 是均匀分布。铡如菜一段线路的遘床含水比较多，雯l j 这段线路的一次参数将 明显改交。要把这种实际情况反映在理论模型中比较困难，不过并不能否定 四端网络模型的正确性。 由此可晃，只要测量出轨道电路的一次参数就可以通过圈端网络模型利 用这些参数判断出轨道电路相应的调整状态、分路状态、断轨状态楚否正确， 从而确保机车的安全运行。 1 3 入口电流 轨道电路不但承担判断闭塞分区状态的任务，同时通过钢轨中的信号电 滚也承担着将地面指挥信息传递给机车的任务。对于机车上的信号检测设备 来说，钢轨中信号电流的强度更具有实际的意义，电流越强贝习感应电压越大 从而信嗓比越高。 对于一个医阔来说，信号电流的强度在区闻终止的地方最小，所以为了 4 北京变通大学硕士论文绪论 将轨道电路参数调整在最佳状态，模拟列车占用情形，目前都是在区间的终 止的地方( 入口处) ，采用短路法赢接测量短路电流，这个短路电流在国家 标准中被称为入口电流，并且制定了在不同信号制式下的最小值标准，例如 在移频信号制式中入口电流不小于4 5 臁a ，在交流计数信号制式中不小于 1 2 a 。可见，入口电流就是信号电流在一个特殊地点产生的电流。 可以看到入口电流的大小不但与轮轨的短路电阻大小有关，还与轨道电 路的发送电流、轨道电路一次参数、是否有补偿电容、区问长度等都有关系。 目前入口电流大小的测量已经是铁路轨道电路日常维护工作的重要任 务之一。 1 - 4 选题背景及其实际意义 匿前获褥入口电流大夸的途径一是通过涮量轨道电路的线性疆端弼络 模型的一次、二次参数，然后利矮理论计算褥出结果，雨实际上这些参数豹 溅试是极其爨难的，因此通过瑗论计算没有住么实用价僮；二是通过短路线 模拟枫车占用情形，用钳形电流表现场实际溯试，使用这种方法具有可戳煮 观褥至i 结果，不用任何计算的优点，强藩日常维护工作就是使用魏方法。 一般短路线方法测量入口电流的步骧为： l 、首先申请封闭区溺，禁止剜车运行； 2 、利用短接线连接区闯入口处的两根钢鞔，用钳形毫流表测试。 由我可见这种方法的缺点为： 1 、传统钳形电流表不能嚣鄹崮噪声产生的入口嘏流和有阁信号产生的 入翻电流，因此噪声大将会产生虚假的有用入口电流以致造成重大错误，尤 其是电亿区段的5 0 k 电流及冀谐波的干扰； 2 、不能做到随时随地测试，因为测试时必然用短接线，从而要求封闭 区间，防止机车的冒进。这将妨碍机车的通过能力，减少机车的流量。这同 北京交通大学硕士论文 绪论 目前铁路运输要求的快速、大量的要求是矛盾的。 由弛可见，目前需要寻求一种能够替代传统铡量方式的新方法。这种新 方法要求可以克服上面所列的2 个缺点，这样既可以提高铁路运输能力又可 以减轻工人维护的强度，具有重要的现实意义。 本文提出了一种利用现有轨邀制式信号，通过用3 个不同阻值的电阻连 接轨道，测量其不同阻值上的电鹾有效值，然后利用d s p 技术，推算出入 口电流的新方法。该方法克服了目前所列的2 个缺点，尤其是占用区间这个 缺点。 1 5 论文成立的前提条件 本文成立的蘸提条件有藤令： l 、软道电路的线性特性。 本论文是在孰遵电路的线形四端蹦终基础上提出来的，嚣j 毙首先要求实 际的轨道电路是线性电路。 实骣豹轨道电路的一次、二次参数都是日寸交参数，毽在短对赫肉参数瓣 交化范围不大，因姥满足线性电路定义。 2 、铁路信号的尊频鲎缎特毪 如果铁路信号可以看侔几个荸频正弦信号豹叠船，由线性电路性质可 知，就司以分别求出每一个革频正弦信号产生的入口电流有效值，再用电路 的线性盏加殿理求出信号产生怂的入目电流有效值。 霹前我髫铁路信号主要是连续秘位豹f s k 锘5 式信号，包括国产移频信 号、u m 7 l 信号、z p w 2 0 信号。遥过理论分析证明这照铁路信号可以看 佟怒些单频正弦信号的叠加，医忿这个前提条件也是被满足的。 以上这两个条件，就是本文的綦础。本文所有的工作都是在这两个基础 上遴行的。 6 北寰交通大学硕士论文雏论 1 6 论文的主要工作 l 、介缁轨道电路工作原理及其种类，并具体描述无绝缘轨道电路系统 的工作原理洋日实际组成，说明条件1 的成立。 2 、提出入日电流的等效电路模型；具体测试方法，给出计算方法和公 式；本方法的前景展望。 在给出具体的计算方法时，认为条件2 是成立的，从而只用一个单频芷 弦信号避行讨论，使问题的讨论得到简化。 3 、从理论上分析了豳产移频、u 仃1 、z 、7 忡2 0 0 0 的信号频谱结构，并 用m 越l 墟进行仿真。验证条件2 的成立。 4 、搭建a 】t m + d s p 结构的硬件平台，完成软件实现。 7 北京交通大学硕士论文实际轨道电路的组成 第二章实际轨道电路的组成 2 1 实际轨道电路的构成概述 轨道电路不但能产生并传送轨道空闲与否、完整与否的信息，同时还是 信号祝之间以及她面与枕车设备之闰信息传输的通道，困鼗它是铁路信弩设 备中的一种基础设施。它的构成主要包括被作为导体用途的两根钢轨、发送 设备、接收设备和一些附加的电路、冗件。 射鸯日纛路为毫气绝缘节，用来在辕道电路中每鞭一定距离分裁轨道建立 区间，每两个电气绝缘节之间被称为一个区间。 附加元件为补偿电容。一般只用在u f 7 1 、z p w 2 0 0 0 型信号轨道电路 中，在钢轨之闯每l o o 米左右商1 个容值大约3 却f ( 5 靴f ) 的补偿电容， 用来减少轨道电路的衰减常数。 因此整个轨道电路由5 部分构成：1 、路堤上钢轨；2 、电气绝缘节；3 、 孝 偿毫容；4 、发送设备；5 、接收设备。 2 2 铁路路堤结构及等效模型 2 2 1 路堤断面示意图 图2 1 路基断面示誊图 8 北京交通大学硕士论文 吏际轨遒电路的组成 如图2 - l 掰示，铁路路堤结掏是由路基、遭床、钢轨、抗木、撵水沟等 组成。道床一般是用碎石铺垫而成，有的也用沙石铺垫。在道床上面铺设轨 杭；轨校一般鸯本质轨槐秘硷枕琵秘。在孰槐上架设钢孰，钢软的断面为“工” 字型。相邻两节钢轨的端部以及钢轨和轨枕之间，掰连接零件互相扣连。在 线路翱线路豹连接处，镀设道岔。在钢孰裙轨挽上，安装必爱的防飚设备。 路基两侧还有良好的排水沟道，这是为了雨天之后使路基能快速干燥， 麸焉增大潺泄电阻减小灞泄电流，为列车行驶过程中能有效接| | 曼机车安全彳亍 驶指令，确保机车的安全。 妇这些部分雏戒的一个整体，就是孰道。 2 2 2 路堤锯轨电路的等效模型 由图2 1 可知，路堤上静钢轨等效电路应该包括： 1 、钢轨感抗。由钢轨自身的电阻r ( 神和感抗仿l 构成。 电阻r ) 和感抗国l 的大小取决于信号频率、钢轨断巅形状、钢轨的电 阻阻率、导磁攀，但和遴过的电藤电流的强度无关，因此是线性元件的。 2 、泄漏导纳。包括钢轨闯的泄漏电导g 融) ； 珏分布电容 m a x l i l a x = f u d u ( n ) ： m a xf = n + 4 4 9 + d o t e n d i ff u d u ( h ) m i n m i n = f u d u ( n ) ： m i n p n + 4 4 9 + d o t ： e n d e n d c h a = m a x m i n m x o a x 2 8 2 9 记录最大的能量 3 0 记录能量最大的颓点位置 | 6 3 1 3 2 3 3 记录最小的能蓬 3 4 记录能鲎最小的频点位置 l j 6 3 5 3 6 | j 6 3 7 求出擐大能量和最小能量差值 3 8 m i n = m i n3 9 b e i s h u l = o 5 m a x4 0 求出修正系数l b i $ s h u 2 = 。5 m i n4 l 求出修正系数2 b e i s h u 3 = 0 5 ( ( a x + m i n ) 2 )4 2 求出平均修正系数 这个程序运行需簧比较长的时间，通过改变d o t 的数值( 5 行) 为0 0 、 氇l 、o 2 o 9 就可以求出每一类频点的修正系数。见表3 1 ：x 为整数， 范围是4 5 m 2 6 9 9 。 北京交通大学硕士论文 轨道电流模型与算法详细说明 压有效值的求法是相通的。下面回答3 4 节中的第四个问题，化简计算公式。 3 - 4 7 计算孰道电流公式的化篱 下面进行公式篙化的推导，先假设单一正弦信号单独作用电路，根据 3 4 6 节已经指出通过采样及利用频谱求电压有效值的方法，则口，晚时，的 有效傻就是融知的，设为u 1 、u 2 、u 3 ；r l 、r 2 、r 3 三个电阻也是已知的， 大小分别为1 0 q ，5 q ，2 _ 5 q 。未知的为口、，澎、坟，为筒化公式，设外接 电阻r ：0 ，求冀通过的电流有效值。己知3 1 节公式( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ，利用交流向 量计算方法商：下文的墨为，a 濯的模值 咖赤 睁雨鲁珥埘2魄+ r ) 2 + 群 睁面蒜坩2 所求为： 卜志引2 = 最磁+ z ； 群+ x ； 经过推导得出公式( 9 ) 为： ( 9 ) 这只是一个频点产生的等效轨道电流值，设为，：。；同理可以求出其它 愁渊霄习堕时 生、肛坠吨菖1 嫩霄l 堕时 如一、肛善| 嵋坠媲一呼 北京交通大学硕士论文轨道电流模型与算法详缨说明 频点的等效电流值j ：，刍，：。等等。 然后带入如下公式( 1 0 ) 就可得出信号总的等效轨道电流值了。 z 。属了百而 ( 1 0 ) 注意公式( 9 ) 是假定短路电阻为o 时准出的，霜前铁路上一般要求短 路电阻在o 1 5 q 以下，如果想带入这个数值，那么就只有求出u 、j n 、 这三个变量，然后再利用原始的公式一步一步计算。 至此就几乎已经完成了所有的工作了，求出轨道电流值已经是切实可行 的了，不但在理论上进行了探讨，而且把计算方法也进行了详实的探讨，下 面总结一下计算轨道电流的步骤。 3 5 计算轨道电流的步骤和影响误差的因素 计算辘遂电流的步骤： l 、在电黻r l - l gq 时得至采样信号a ，注意电路的哲态效疲； 2 、在电阻r 产5q 时得到采样倍号8 ，注意电路豹暂态效应； 3 、在电隰r 严2 5q 时得到采样信号c ，注意电路的暂态效应： 4 、按照3 4 6 节步骤求出信号a 的每个颓点的电征有效值，按照频率从 小到大排列，记为u 舞、u 是、u 二 5 、按照3 4 6 节步骤求出信号b 的每个频点的电压有效值，按照频率从 小到大排列，记为u 二、( ，磊、u 磊 6 、按照3 4 。6 节步骤求出傣号c 的每个频点的电压有效僮，按照频率从 小到大刳 列，记为uc l 、u c 2 、uc 3 7 、判断信号a 、b 、c 相应的频率位嚣是否一样，因为是对同一个信号源 采样，所以频率位谖应该是一样的，不一样说明不是同一个信号源， 北京交通大学硕士论文 轨道电流模型与算法详细说明 可见整个电路膏4 个未知数，需要的是知道补偿电容c 的数值，因此 通过4 次测量，可以得到4 个方程，从顽解出电容c 的数值。 可见只需要测试人员把采集信号的探针线接在电容两侧即可，可以大大 方便测试人员并简亿电路设计。 北京交通大学硕士论文实际轨道信号分析 谐波。 u m 7 1 自动 l l 塞豹低频信息在1 0 3 垃到2 9 毪之闻共穗个，低频闷隔 为1 1 h z ，其四种载频分别是1 7 0 0h z 、2 0 0 0 、2 3 0 0 h z 、2 6 0 0 h z ，频偏是 1 1 h z ，其频谱能量主要集中在中心频率附近。因为u m 7 1 选择的载频频 率较高，而盈调制后频谱能量也处于5 0 & 的偶次谐波附近，它抗电气化干 扰的能力很强，但在轨道上传输时衰耗较大，需在轨道上增加 b 偿电容采延 长传输距离。 4 2f s k 信号频谱的理论分析 上愿我们看到目前使用的信号都怒相位连续f s l ( 信号，下面在理论上对 这种信号进行频谱分析。 首先设键控信号为低频调制信号f ( t ) ，雨期为t ，瞬间表示式为 ，妊) 吨当一；t tt ； ，e ) 一，当；t t t 等 式中a _ _ 方渡的振幅。波影匿魏豳4 1 ( a ) 所示。 经f ( t ) 调制后，移频波的角频率w ：艇， 频率偏移量琴。芸 勰 式中k 系数，代表移频器的灵敏度，单位h z v 。 移频波的瞬时角频率变化为 w 0 ) =嘞一当一吾一三 幽当三一詈 其波形图如匿4 一l ( b ) 所示。 移频波的瞬时相位口( f ) 为 北京交透大学硕士论文实际轨道信号分析 s o ，= 等e 时n ( 等) c o s w + 磊c o s ( 等) t c o s 帆一鼯薹一誊一：嚣士妻鬟强 熏j 鐾| 雾蓁辩i 蘩一琵裂蜜n 醢* i 承；自讲塑i 彭? 塞隈i i 雾l l 一曩i 菇障黼! i ! 炯一l 彩一墓m 墓一叫囊蓑氢 塾嚣囊兰警醚善 ，募l 耋高i i 蠹鬟薹蠢：篓一鳓雾嚣篓焉纛鬻 i 重。 雾 筵门固赫黟露；霉i i 0 蔺壤齿愆瀚曦瑶鬻鐾强的酎形作比较，可以看出在时域采用 e 眦呲i n g 窗加窗 后该信号又可班清楚看出是2 个正弦信号的相加。同时和矩形窗比较，旁瓣 能量穗经大大减少，已经不会对楣邻的谱线的幅度产生明显影晌了，这就解 决了上面所说的由于频谱扩散丽互相干扰使电压有效值计算产生误差的问 题。 h a m m i n g 窗使信号的能量限霉8 在一个圈定的带宽走，不论是整珏z 和瞽 北京交通大学磺士论文实际孰道信号分析 图4 3 相位连续鹇移频渡的擐谱( f 隔定，f 1 臧小) 由以上分析可得结论： 1 相位连续的方波调制的移频信号有以载频为中心的两个边带，对应 的上、下边带的大小相等，奇次项上、下边频的相位相反，偶次项 上、下边频的相位相同。 2 移频信号没有保持原来方波信号的频谱结构，而出现新的频率分量， 因此移频信号是种非线性调制，不能看作方波信号的频谱在频率 轴上的搬移。 3 移频指数珂增加时，移频信号频谱中载频的幅度下降，边频幅度则 上升，即随羲m 的增加，信号功率便扩展到较宽的频带中。因此在 m 较大的情况下，为了不失真的传输移频信号，就要求占用轨道电 路较宽的通频带，才能使主要边频能量通过。 4 当f 固定，m 随f l 的增加而减小时，频谱中相邻边频的间隔增大， 另一方面m 的减小使较高次数的边频幅度下降，这些边频就显得不 重要了。如果在最低调制频率上瑚 】，则当调制频搴舞离时，一次边 北京交通大学硕士论文 实际轨道信号分析 荣频：m h z 调制播章：1 6 5 b z 嗡翌k 幅度1 = 1 v2 ：1 v3 a m4 n 柳5 05 1 州6 0 5 “ ，鹣a 囊赫一鼓删z 麓磐曼蒜j 图4 _ 6 载频5 5 洲2 调制信号1 6 5 h z 频偏5 姒z 频谱图 图4 7 载糖5 5 洲z 调制信号2 6 h z 频偏5 驯z 频谱图 图4 8 载频1 7 0 0 h z 调制信号1 0 3 h z 频偏1 1 h z 频谱图 北京交通大学硕士论文 实际轨道信号分析 圉4 - 9 载频1 7 0 0 h z 调制信号1 8 h z 额偏1 1 h z 频谱图 图4 1 0 载频”0 0 h z 调制信号2 9 h z 频偏1 州z 频谱图 黼4 - 4 ，图毒5 、，图4 6 、图4 一是圈产移频信号频谱。图4 8 ，图舢9 ， 图4 1 0 是u m 7 l 信号频落。 通过真实信号的仿真，可以清楚看出，对于国产移频信号来说，信号谱 线分成上下两个边频。无论诱制信号是7 h z 还是2 9 ，用6 根擎频信号的 叠加就可以代表原始信号了，但是对于轨道电流来说，可以通过隰4 4 ，圈 4 巧、图禾6 、图4 7 看到仅使用6 根最商的单频信号的叠加，会有很大的误 差。因此对于移频信号来说，应该多选几个单频信号进行叠加。 从图事8 ，图4 1 9 ，图4 1 0 可以看出对于u m 7 l 来说，3 根单频售号的 北京交通大学硕士论文实际轨道信号分析 叠加就可代表原始信号了，但是对于轨道电流来说，在图4 _ 5 中，可以看出， 当谲例频率比较低时，有5 根托较高的谱线，随着调弗l 频率的增加，t t 较高 的谱线逐渐减为3 根。因此当信号为u m 7 l ，其调制频率比较低时计算轨道 电流要选用5 根谱线计算。 4 4 本章小结 本章首先介绍在我国使用最广泛的信号制式，即连续相位的f s k 信号， 包括国产移频信号，u m 7 1 信号和z p w 2 0 0 0 信号。这些信号只是载频或者 调髓频率不同。在理论上推导了f s k 频谱特征，最熏要是说明f s k 信号确 实是一些单频正弦波的妻加。对于国产移频来说，可以看作6 个单频信号的 叠加，频谱之间的距离是调制信号频率，所以最小是7 i z ；对于u m 7 1 来说， 可叛焉作3 个单频信号的叠加，频谱之间豹题离最小是l o 3 k 。 嗣时通过m 朋：l a b 仿真，给出各种信号的频谱豳，说明在计算孰遴电 流时对单频信号条数的确定。 通过理论和仿真最主要的是验证本论文成立前提条件2 的成赢。 北京交通大学硕士论文通用a r m 平台及薹) s p 硬件设计 第五章通用删平台及d s p 硬件设计 前蘑暌牵逶邀理论分板，用m 甜l b 傍囊，以及对实际铁路轨道蠢路 组成的讨论，详细论证了轨道电流的测量和计算方浚，并给出了具体的计算 流程，本章给出轨道电流测试设备的硬件设计。 首先搭建了基于a r 9 l r 4 0 8 芯片的硬 牛平台，主要是雁来做手持设备 的通用开发平台，实现液晶显示、键擞控制、u s b 通信这些基本功能，目 的是通过更换不同的功能板，来实现多种用途。这个a r m 的软件实现很容 易，这里不再绘出其流程图。 其次实现了轨道电流检测功能板，使用的d s p 芯片是1 m s 3 2 0 v a 3 。 关于d s p 的程序流程在第三章已经详细给出，因此这里也不再介绍了。 5 1 硬件设计说明 硬件设计选用a r m + d s p 的结构，两者间的通信由双口r a m 完成。该 方案的选用主要基于以下原因： 其一，本算法霈要遂幸亍孵运算，这是d s p 芯片豹最显著优势，逸用 d s p 作为专用的运算部件，可以保证运算的速度和精度。 其二，本设备一般在野外使用，必须设计成手持使用电池的方式，这便 对设备的功耗提出了严格的要求。为尽可能豹减小功耗，决定d s p 部分只 在需要时启用，平时不工作。 其三，由于d s p 芯片的总线速度过高( 1 7 n s ) ，不适合控制控制键盘液 晶等微妙级豹外部设备，因此采用型号为a 鹞l r 4 0 8 的a r m 芯片来管理 键盘、液晶、u s b 通信口。这款a r m 芯片是总线速度分区可设的工业级芯 片，其温度范围宽，有利于野外使用。 北京交通大学硕士论文 通用a r m 平台及d s p 硬件设计 本方案的优势主要体现为： l 、功耗低。a 煳本身就是低功耗芯片，特剐适合骰手特设备。在非测 试情况下，用户可以馥番以前的测试数据而不至于消耗太多电能。 2 、扩展容易。利用a r m 芯片空问容量大的特点，可以在上面运行简 单的嵌入式操作系统口a o s 1 i ，这样可以筒化程穿开发、维护、扩充静难度。 3 、功能可变。由于d s p 和a r m 之闻通信由双口鼬w 完成，可通过 更换不同的d s p 功能板形成不同功能的设备。 北京交遥大学硕士论文 通用a r m 平台及d s p 硬件设诤 2 、关于a r m 芯片a t 9 l r 4 0 0 0 8 和d s p 芯片1 m s 3 2 0 v c 3 3 的特点可以在 它们的芯片手册中蠢到，这里不再详细说明它们的特点。 3 、液燕模块型号是l c m l 2 8 6 4 5 z k ，1 2 8 ；6 4 点阵、带汉字库。但字库怒 1 6 t 1 6 的，只能显示4 行。因此使用该模块的图形工作方式，设计了1 2 t 1 2 的字库，这样可显示5 行汉字，提高了显示的信感量。另外液晶模块的读霹 时序是m 6 8 0 0 方式的，和a r m 不滚容，需要遴过c p l d 把a r m 的控制时 序转换为m 6 8 0 0 方式。 4 、c p i d 的型号是) ( 2 c 1 2 8 ，功能除了负责液晶与a r m 之间的时序转换 之外，还与键盘的接霸相连接，这样可以筒亿软件豹设计，另外还做一些译 码电路的工作。 5 、寅时时钟采用d s l 3 3 8 ，连接在a r m 的致c 接口上。 6 、电池检测电路采用1 1 1 5 7 2 ，l o 位刖d 。当锂电泡满电时为8 4 v ，没 电时为7 2 v 左右 5 4 仿真口j t a g 的设计 目前大多数微处理器砉5 采用脚的仿真方式，a g 仿真方式是一种 为窜利电路板以及大援模集成电路芯片的测试丽发展起来的技术，被称为 “边界扫描测试”。这项技术在嵌入式系统开发中扮演着重要的角色。主要 体现在两个方面： 1 、映像文件豹下蔽。嵌入式系统的软孛 开发一般都需要在p c 枫上避 行，在p c 机上生成掰标系统的= 避制代码后必须有把二进制代码放到目标 系统上的手段，目前最主要是使用j 1 a g 接口下载。 2 、软件硬件的瀵试。强标系统的调试要在p c 机豹控卷l 下进行，而j 1 a g 接口为目标系统和p c 机之间的通信、控制提供了重要手段。 然谳对于应用而言，是无需了解j 1 1 a g 在芯片上的实现方法和工作原理 北京交通火学硕士论文 实验验证 第六章实验验证 前面几章已经把所有的问题都介绍完毕了。剩下的就是怎样验证以上所 说的结论。通过实验室验证和现场验_ l 正。 在验证前要先测试通道放大倍数。 6 1 实验室验证方案 通过信号源串接一个5 k 电阻，同时把1 0 n 、5 n 、2 s n 换成1 0 k 、5 k 、 2 5 k 电阻。 通过信号源发出有效值1 v 的正弦信号，改变有效值，看看测试结果是 否线往变纯。 信号源产生标准有效值l v 的f s k 信号，计算理论上的电流，但是由予 只取了凡条谱线，所以计算结果必然要小于理论结果，但是误差应该小于 1 0 。 在信号源串接的5 k 电阻上并联1 0 4 的电容，通过理论验证数据的结果。 通过以上的实验，证明了本设计原理及计算公式的正确。 6 2 现场验证记录 实际到轨道上去测试，应现场工作人员要求，测试仪表只要求测出信号 产生的电漉。 于2 0 0 6 年1 月在沈黧吴麓二线进露 怊蜹m s 3 2 0 v c 3 3 和棚译 囊霉蠡囊i 澎i j 垂i 精誊 商塑蒯小奄壤荫。国莲；霪：薹藿誉羹釜篓孽囊羹璧霪羹 北京交通大学硕士论文致谢 致谢 光阴似箭，日月如梭。转眼间已经面临毕业，当我的毕业论文付梓成册 时，我在北京交通大学两年多的研究生学习生活也进入尾声。在这过去的两 年多的时间里，我的导师杜普选副教授不但在学习上，孜孜不倦的教导我； 而且在生活上，时时刻刻关照我。从他那里，我不仅学到扎实的专业基础知 识，分析、解决问题的能力，而且更重要的是我还学到了对待生活的乐观态 度。在他身上我看不到悲观、失望，看到的永远都是勤勤恳恳工作、实事求 是、积极面对生活的作风。在此，向我的导师表示衷心地感谢! 在这段时间里，张树德老师、闻跃老师、张太生老师、养雪琴老师都给 予我悉心的指导，经常不厌其烦地为我讲解各类问题，从他们身上我也获益 匪浅，在此也向他们表示我的感谢和敬意! 在学习期间，实验室的徐晓飞、汪立伟、陈满堂、孙文勇、陈丽莉、苏 娟、马庆龙、崔欣等同学在很多方面都给予我无私的帮助，从他们那里也学 到很多，在此向他们表示诚挚的感谢! 最后还要感谢我的家人，他们虽然身在家乡，但他们时时刻刻给我支持 和鼓励。正是因为他们每时每刻的支持和鼓励，我的学业才能顺利完成，衷 心的感谢我的父母以及我的哥哥嫂子们! l e 纛交通大学碾士论文参考文黻 参考文献 【1 】中黼铁路信号史编辑委员会编著中国铁路信号史中国铁道出版 社，1 9 8 9 年 【2 】当代中国铁路信号编辑委员会编著当代中国铁路信号中国铁道出 版衽，1 9 9 3 年 【3 】i 洪多才等高速铁路基于轨道电路传输列控系统方寨及关键技术研究研 究报告摘要l e 寨全路透信信号研究设诗院，1 9