（交通信息工程及控制专业论文）机车信号检测记录系统研究与设计.pdf

北京交通大学硕士学位论史 y 8 7 9 5 9 3 摘要 机车信号检测与【e 录仪是保证列车安全运行的蕈要设备。本文在研究嘲 内外车载龉测记录设备现状的基础e ，设计了由车载检铡记录仪和地面数掘 分析，f 台组成的机卞信号检测记录系统，它可以及时、准确的掌握机车信 主机及地面轨道遣路的运剧状态及时发现存存的阅题，排除早期故障，确 保机车信号处于安全的工作状态，对它的研究具有很大的经济效益和社会效 益。 本文研究了机车信号检测记录系统设计原则及丁作原理，并在此基础之 ，t 提了种m c u + d s p 的系统设计方案。在车载检测记录仪中采用多c 即 并行处理技术，充分利用了酝入式单片桃的硬件资源及d s p 强大的信号处理 能力，港足了系统的实时性要求。检测记录的数据包括轨道电路移频信号信 息、感应电压波形数据、机车信号机状态信息及机车送行位置信息，实现了 机车信号信息的全力位检测记录。为了满足系统大容量数据存储的要求并确 保关键信息不丢失，本文设计了一种存储方式，并采用大容量f l a s h 存储器 与铁电存储器的主从式结构实现。为了提高存储数据的准确性和可靠性，本 文对接收数据进行了纠错、容错处理。对数据的存储本文采用了分包、庀录技 术，以文件的格式记录交路数据，解决了大容量数据存储及下载的问题。为 _ ：提高系统的抗干扰性及安全性，设跨中采用了信号隔枣鼓术。 本文在研究轨道电路移频信号的基础上，设计了基于d s p 的移频信号检 测方案，采用欠采样技术有效降低了采样频率，提高了频率分辨奎。 本文最后对记录仪记录数据用地面数据分析平台进行了分析，实现了记 录数据的再现并对故障进行了报警。 关键词：记录仪、检测、记录、d s p 、单片桃、f l a s h 。 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec a bd e t e c t o ra 1 1 dr e c o r d e ri sv e f yi m p o r t a l l tt oe n s u r et 1 1 es a f e t yo ft h e t r a i n t h i sm e s i ss t u d i e sd o m e s t i ca n do v e r s e ac a bd e t e c t o ra n dr e c o r d e r ac a b d c t e c t i n ga 1 1 dr e c o m i n gs y s t e mi sd e s i g n e d ，w h i c h i sc o m p o s e do fm ec a bd e t e c t o r 柚dr e c o r d e ra n dt h ea n a l y s i sp l a t f o 础o ft h ef o u l l dd a t a t of l n da n dr e s 0 1 v et h e e x i s t i n gp r o b l e m ，a 1 1 dt oe n s u r e 恤es a f e t yo ft h ec a b ，t h es y s t 锄c a ng e tt 1 1 e o p e r a t i o ns t a t eo ft h ec a ba n dt h et r a c kc i r c u i tt i m e l ya n da c c u r a t e l yt h es t u d yo n i tc a nb r i n gg r e a te c o n o m i cb e n e 丘ta 1 1 ds o c i a lb e n e m t h i st h e s i ss t u d i e st h ed e s i g n i n ga n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ec a bd e t e c t i n g a n dr e c o r d i n gs ”t e m ，a n dp r e s e n t sas y s t e ms o l u t i o nb a s e do nm c u + d s p t h e c a bd e t e c t o ra n dr e c o r d e ra d 叩t st h em u n i c p up a r a l l e lp r o c e s s i n gt e c l l l l i q u e ， m a k e sf u l l yu s eo fm eh a r d w a r er e s o u r c e so fm c ua 1 1 dm es i g n a lp r o c e s s i n g c a p a b i l i t yo fd s p ，a i l d m e e t st h er e a l t i m er e q l l i r e m e n t t h ed e t e c t i n ga n d r e c o r d i n gd a t ai n c l u d e 证f o n n a t i o no ff r e q u e n c y s h i nt r a c kc i r c u i t ，w a v ed a t ao f i n d u c e dv o l t a g e ，i n f o n n a t i o no fc a bm a c h i n es t a t ea 1 1 di n f 0 h n a t i o no fl o c o m o t i v e 1 0 c a t i o n ，r e a l i z e sm ec o m p l e t ed e f e c t i o na n dr e c o r do fc a bs i g n a l si n f o m a t i o n i n o r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n to fs u p e rc a p a c i t yd a t as t o r a g e ，a n da s s u r et h e i n t e 乒a l i t yo fk e yi n f o 矾a t i o n ，t h i st h e s i sd e s i g n s as t o r a g em o d e ，a 1 1 dr e a l i z e si tb y u s i n gs u p e rc 印a c i t yf l a s ha 1 1 df ra m w i t hp r i n c i p a la n ds u b o r d i n a t et y p e h l o r d e rt oi m p r 0 v et h ev e r a c i t ya 1 1 dr e l i a b i l i t yo fs t o r i n gd “a ，t h i st h e s i sc a r r i e so u t m ef 撕1 tt 0 1 c r a n c ea n de r r o rc o r r e c t i o np r o c e s s i n gt om er e c e i v i n gd a t a i ta d o p t s t h ep a c k i n gt e c l l l l i q u et ot 1 1 ed a t as t o m g e ，r e c o r d st h el o c o m o t i v er o u t i n gb yt h e f b r n l a to ff i l e ，a n ds o l v e st h ep r o b l e mo fs u p e rc a p a c i t ys t o r a g ea i l dd o w n l o a da t t h es a m et i m e ，i no f d e rt oi m p r o v et h ea n t i - j a l n m i n ga n ds a f e ty ，t h es c h e m ea d o p t s t h es i g n a li s o l a t i o nt e c h n o l o g y 北京交通太学硕士学位论文 o nt h eb a s i so f 也es u d yo n 也of s k ，t h es c h e m eo f t 量l of s kd e e c t i o nb a s e d o nd s pi sd e s i g n e d t h eu s eo fu n d e r - s a m p l i n gt e c h n o l o g yc a n1 0 w e rt h es a n l p l i n g 壬 e 馨e 矬e y 巍di n e f e a s e h e 叠唾u e 拄e y 黪s o l 狂交) 嚣 f i n a l l y ，t h et h e s i ss t u d i e st h ea n a l y s i sp l a t f b 珊o ft h e 脬o u n dd a t a t h e r e c o 赫e dd 采鑫c 越矬f e o c c 淑+ a n dt 魏e 蠡i l u 撑w i l lb ea l a r m e d k e y w o r d s ：r e e o r d e r ，d e t e c t i o n ，r e c o r d ，d s p ，m c u ，f l a s h 1 北京变通大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 1 1 1 轨道电路 轨道电路是利用铁路的两条钢轨作为导线，所构成的电气回路。它可以 反映线路和道岔区段是否有车占用，以及钢轨是否完整。轨道电路是铁路信 号基础设备的基础，借助它可以监控列车在线路上的运行情况，也可传递与 行车有关的各种信息。 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。从建 国后的5 0 年代中期开始轨道电路技术在我国有了长足的发展，不仅传输的信 息量增加而且它的使用已经遍布全国铁路的各线。进入9 0 年代，我国对原有 的轨道电路制式进行了改进。为了增加传输的信息量，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。 1 1 2 机车信号 铁路上数以万计的信号机向司机发出各种信号，报告线路和道岔情况， 帮助司机安全正点的运行。但是，由于它们装在地面上，曲线、隧道等地形 限制，给司机嘹望带来一定的困难。特别是在雨雪、风沙、大雾迷茫等恶劣 气候条件下，地面信号更是看不清。另外，随着列车速度的不断提高，特别 是高速列车的出现，显示距离约1 公里的信号机已很难使司机从容采取措施， 再单纯依赖地面信号机显然是极其危险的。为了解决这个问题，人们研制出 了机车信号机。 北京交通大学硕士学位论文 图l _ 1 机车信号系统框图 机车信号机装在机车司机室内，能显示和地面信号机同样的信号，保证 了行车安全，提高了运行效率，也改善了司机的工作条件。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，其发展相当迅速。但在这几年的发展中，逐步发现了一些问题，集中体 现在以下的几个方面中： 1 ) 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。随 着列车速度的提高，对机车信号的要求大大提高，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。 2 ) 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”。 3 ) 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。 北京交通大学硕士学位论文 1 1 3t a x 2 型机车安全信息综合监测装置 为了将在机车上分散安装的一些与机车运行有关的辅助安全信息的检测 及数据传输设备集中化、系统化，并建立统一的工作平台，在铁道部组织下， 1 9 9 8 年1 1 月，开始进行机车安全信息综合监测装置( 以下简称监测装置) 的 研制。该装置将各检测设备以标准模块单元置于工作平台中，由该工作平台 中的通讯记录单元一方面获取列车监控装置的时间、公里标、速度和车次等 信息，另一方面综合各功能模块单元检测到的信息进行记录。该装置综合列 车多种监测设备及信息传输设备于一体，是铁路安全信息资源的共享平台及 动态监测装置。 t a x 2 型监测装置内的通讯记录单元能通过r s 一4 8 5 串行通信方式从列车 监控装置获取年月日、时分秒、公里标、运行速度、机车号、车次、车种、 区段号、车站号、司机号、副司机号、列车编组等信息，并能将这些信息通 过另一个r s 一4 8 5 接口周期地传送到装置内各功能单元。 t a x 2 型监测装置采用4 u 标准机箱及插件单元式结构，既符合开放式工作 平台结构的要求，也便于装置的标准化、模块化，有利于装置的检测、维护、 功能扩充和规范管理；装置的各功能单元采用以专用引脚并通过后背板独立 插座对外引线的方式，方便维护和管理；装置为开放式平台结构，各功能单 元采用统一的硬件规范和软件通信协议，易于对功能单元的合作开发和功能 扩充。 1 2 国内外列车运行监控记录装置研究现状 列车运行监控记录装置所记录的数据可被用来判断发生行车故障或事故 的原因。更重要的是通过对所记录数据进行分析，可以尽早地发现列车运行的 异常，从而及时采取措施防止发生后果更为严重的行车事故。考虑到上述因素， 列车运行监控记录装置的作用日益凸显，所以目前欧洲许多国家，如英国、法 ! ! 塞銮望查堂堡主堂堡堡兰 国、德国、奥地利、瑞士、瑞典等的列车上均己安装使用列车运行监控记录装 最。德国d e u t a 公司生产了k w r 6 型记录仪。k w r 6 型记录仪通过其专用接口与外 部设备相联，如速度表、脉冲传感器等，以获取必要的输人信息。通过记录仪 内部的智能控制器，实现数据的记录和输出。它所记录的数据有机车运行状态 信息、机车操纵和监控信息等。 在国内1 9 9 3 年铁道部组织全国研究列车速度监控装置的骨干人员共同研 制了l “一9 3 型列车运行监控记录装置。经1 9 9 4 年试用，并取得良好使用效 果，铁道部决定从1 9 9 5 年开始在全路内燃和电力机车上推广以l j k 一9 3 和j k 一2 h 为主导型号的列车运行监控记录装置。它们实现的功能有超速防护、冒 进信号防护、列车运行状态显示、报警及记录列车运行状态信息等。列车运 行监控记录装置的地面数据处理软件系统能提供各种统计报表的打印功能， 安全管理人员可以通过分析该报表，找出有问题的车次进行更详细的分析。 l k j 2 0 0 0 型监控记录装置在2 0 0 0 年底完成了的研制工作，于2 0 0 1 年开始 批量投入使用，到2 0 0 2 年底共安装机车约1 5 5 0 台。作为新一代监控记录装 置的l k j 2 0 0 0 型比上一代的l k j 一9 3 型和j 卜2 h 型在技术等级、功能、特性和 可靠性等方面都有了很大程度的提高，并且在功能扩展性和与各项发展中的 技术设备的接口配合方面作了适应设计。l k j 2 0 0 0 型的特点有：车载存储线路 参数、采用连续平滑速度模式曲线控制、实时计算取得速度控制值、装置主 要控制过程全部采用计算机实现、采用了图形化屏幕显示器。监控记录插件 是l k j 2 0 0 0 型监控记录装置的主机模块，是系统的核心部件。模块主要完成 地面数据的存储与调用、运行状态数据的记录与同步、控制模式曲线的计算、 实时时钟的产生，并通过双路c a n 串行总线或v m e 并行总线对系统其它模块 的控制与管理。 1 3 论文的选题目的及意义 论文的选题是在研究了机车信号的现状及现有的列车监控记录系统的基 4 j ! 塞窒望查兰堡主兰堡丝兰 础上提出的。随着列车速度的提高，列车的行车安全成为了首先要解决的问 题。机车信号是保证列车安全运行的重要因素，它的地位已从辅助信号提升 为准主体信号，但是因为轨道电路的不尽完善、异常干扰及工程设计等方面 的原因，机车信号会出现掉码、串码等问题，为此电务领域需要一种可配合 机车信号使用，并可全程检测记录其信号的设备。地面分析中心对其记录数 据进行回放，对出现的异常进行预警，从而对机车信号进行分析和检测，实 现动态管理。 目前铁路上广泛应用的列车运行监控记录装置的主要功能是对列车速度 的控制，它的监控记录单元可实现地面数据的存储及机车状态数据的记录， 但它不具备对机车信号的检测记录功能。 因此开发机车信号的检测记录系统是非常必要的。机车信号检测记录系 统应由两部分组成，一是车上部分，用来检测记录机车信号信息，二是地面 部分，对记录数据进行分析，从而对故障数据进行报警。t a x 2 型机车安全信 息综合监测装置是一个开放式的资源共享平台，将机车信号检测记录系统的 车载部分以标准模块单元的形式置于工作平台中，一方面利于设计，另一方 面可方便使用它的共享资源。 通过机车信号检测记录系统能及时、准确的掌握机车信号主机及地面轨 道电路的运用状态，及时发现存在的问题，克服早期故障，确保列车安全处 于有效的监督之下，具有很大的经济效益和社会效益。 1 4 论文的研究内容及安排 本文主要研究由车载检测记录仪( 简称记录仪) 和地面数据分析平台组 成的机车信号检测记录系统。本文在记录仪的设计中采用了多c p u 并行处理 及基于大容量存储器的设计。对轨道电路传输移频信号信息的检测采用了先 进的数字信号处理技术，其核心为d s p 芯片。设计中通过单片机实现了对记 录数据的重组、打包处理，并以文件的形式进行记录；存储功能则由铁电存 5 ! ! 至銮望查堂塑主兰垡堡苎 储器及闪存实现。本文中对记录仪的抗干扰性、可靠性及数据纠错、容错也 进行了研究。本文最后对地面数据分析平台进行了数据显示、数据报警等设 计。 论文共六章，基本安排如下： 第一章绪论。介绍论文的技术背景，对列车运行监控装置和t a x 2 型机 车安全信息综合监测装置进行概述，提出论文的选题背景及意义，说明论文 所作的工作及论文机构安排。 第二章记录仪设计方案。从设计原则入手，对记录仪的工作原理及功能 进行说明，从而提出设计方案。 第三章记录仪硬件实现。将记录仪的硬件组成分为控制、信号处理、存 储三个单元分别设计。 第四章轨道电路移频信号的检测。提出了基于d s p 的轨道电路移频信号 检测算法，采用欠采样技术降低采样频率并提高频率分辨率。 第五章记录仪软件实现。软件实现包括d s p 程序设计和单片机程序设计 两个方面，其中单片机程序中包括了波形数据采集、数据打包、数据存储、 数据下载四个子程序，文中分别进行设计。 第六章机车信号监测信息管理分析平台设计。分析管理分析平台的功 能，对故障数据报警的生成进行说明，设计数据库的结构。 北京交通大学硕士学位论文 第二章记录仪设计方案 2 1 设计原则 要达到保证列车行车安全的目的，记录仪必须对机车信号进行全方位的 实时检测记录。因为记录结果要作为检修部门检修的依据，因此要保证记录 数据的准确、可靠。记录仪构建于t a x 2 型机车安全信息综合监测装置这个平 台中，因此记录仪出现故障时不能影响监测装置及机车信号主机的正常工作。 综上所述，记录仪的设计原则包括：机车信号检测记录数据要具备完备性、 准确性，记录仪要具备可靠性、安全性。 2 2 工作原理 机车信号的检测记录是必须是全方位的。为了直接判断地面轨道电路及 车载机车信号设备的故障原因，提高故障判断的准确性，需要对轨道电路工 作状态的原始波形及车载8 灯位信号机的状态进行纪录，而且这种记录方式 不受机车信号制式的影响，增强了通用性；为了对记录仪记录的数据进行准 确的定位，判断各个轨道区段的情况，需要纪录t a x 2 箱广播的机车运行信息， 由上所述，记录仪在检测记录机车信号的同时，需要记录波形数据、信号灯 状态数据和机车运行信息，因此记录仪的数据输入通道有三个，如图2 1 所 示。输入口分别与机车信号主机、机车信号主机点灯信号、t a x 2 型机车安全 信息综合检测装置相连。输出口提供数据的下载渠道。 北京交通大学硕士学位论文 信号 图2 1车载机车信号检测记录系统结构框图 地面轨道电路传送的信息电流，经机车信号感应器形成感应电压，该电 压信号经机车信号接线盒、机车信号主机的检测端口送到记录仪，汜录仪对 感应电压信号进行a d 连续采样，采样频率为8 k h z ，采样后的数据经解调处 理，得出移频的载频、低频等数据，记录仪每秒对这些数据进行记录；同时 记录仪对感应电压信号进行采样，采样后的数据作为感应电压的波形数据进 行存储。机车信号主机输出的点灯信号送入记录仪，该信号为5 0 v 的电平信 号，记录仪每秒对这些电平信号进行采样记录。 机车运行位置信息存储于监控记录器中，t a x 2 箱的机信检测单元通过 r s 一4 8 5 串口将机车运行位置信息送到记录仪。记录仪对机车运行位置信息解 码，取出信号机编号、线路公里标、机车速度、车次等信息，该信息对定位 记录数据是非常重要的。 记录仪把三个信息输入的四种数据组织形成一个以车次号为单位的数据 文件进行循环记录。 下载的数据由地面分析软件处理，可再现感应电压波形，并能同时看到 移频的载频、低频及信号灯状态等数据，据此可科学、定量的判断出现的问 题，实现机车信号的状态检修。 北京交通大学硕士学位论文 2 3 功能 1 ) 实时采集记录t a x 2 箱广播的数据，如速度、公里标、信号机种类、信号 机编号、交路号、车次号、车站号等。 2 ) 对t a x 2 箱广播数据进行重组、纠错处理。 3 ) 实时采集记录机车信号车灯位状态。 4 ) 实时检测记录轨道电路传输的机车信号的感应电压、中心频率、上边频、 下边频、低频值。 5 ) 实时采集记录机车信号感应电压波形数据。 6 ) 记录数据以秒为单位打包存储，每个机车运行交路形成一个以车次号命名 的数据文件。 7 ) 通过机车信号监测管理分析平台重放记录数据，分析地丽移频信号的载 频、低频、上下边频、机车信号的感应电压值、波形是否畸变、轨道电路 传输是否正常，再现机车运行过程中地面信号设备和车载信号设备的状态 变化。 2 4 设计方案 根据上面几个小节的分析，记录仪是多输入单输出、多c p u 并行处理并 辅以大容量存储器的车载检测记录系统。下面本文将从c p u 系统、信号隔离 及存储器三个方面，论述记录仪的方案。 2 4 1c p u 系统的设计 采用一块c p u 完成对轨道电路传输的机车信号进行检测的功能，从而得 出载频、上边频、下边频、低频值。本设计采用先进的数字信号处理技术， 它的核心器件是d s p 芯片。 本文设计中采用了典型的d s p 系统，即首先对输入的信号进行了滤波， o 苎室奎望查堂塑主兰些堡苎 然后通过高精度的a d 进行数据采样，最后在d s p 中进行数据解调。采用这 种信号处理的硬件模块有精度高、可靠性稳定性好、接口简单等诸多优点。 d s p 芯片选取为t i 公司生产的t m s 3 2 0 v c 3 3 ，3 x 系列是t i 公司的第三代d s p 芯片，采用浮点型数据结构，运算速度极快，可达每秒1 5 0 百万次浮点操作 ( m f l o p s ) ，特别适用于信号处理。 另一块c p u 要完成的功能包括系统功能控制、串行数据的接收发送、数 据的整合、数据的存储操作等，为此它的选型原则有以下几点： 1 ) 根据系统要求，t a x 2 箱广播数据由r s 一4 8 5 串口发送，机车信号车载灯位 的状态信息通过r s 一2 3 2 串口发送，因此c p u 最少需要2 个串口，实现对 串行数据的接收； 2 ) 由上一小节可知，c p u 要对4 路数据进行处理，因此c p u 的处理速度要比 较快，而且定时计数器及中断源越多越好； 3 ) c p u 每秒要处理的数据量比较大，这部分数据在处理时必须先预存在r a m 中，存储量为l k 左右，普通的单片机的片内r a m 容量不能满足要求，扩 展片外r a m 存取速度也不能满足要求，因此这款c p u 需要片内集成一定 容量的r a m ； 4 ) c p u 控制的芯片比较多，对i o 口的需求较大； 5 ) 对轨道电路感应电压信号的波形采样的功能由这块c p u 来完成，因为这 部分数据主要实现电压信号波形重现的功能，因此采样率不需要太高， c p u 片内集成的a d c 就可完成这部分的功能； 6 ) 5 l 系列单片机是目前使用最广的处理器，它操作简单，应用电路成熟， 很多芯片的操作时序是5 l 的标准时序，因此选用的c p u 最好要符合5 1 的总线时序，也就是说c p u 的内核是5 l 的标准； 7 ) 要有简单方便的调试环境。 基于以上的几点，很明显普通的5 l 系列单片机已经不能满足要求，本文 选择了c 8 0 5 1 f 0 2 0 作为主处理器。它是完全集成的混合信号系统级m c u 芯片。 1 0 北京交通大学硕士学位论文 对机车信号车载灯位状态的采集由一块8 0 c 5 2 单片机来完成。记录仪是 作为t a x 2 箱的标准模块单元设计的，但是由于系统资源的限制，8 路信号不 能直接通过t a x 2 箱的4 8 芯插头引入，因此先由一块8 0 c 5 2 单片机将8 路信 号的状态采集下来，然后每秒将数据以串行数据的形式通过4 8 芯插头发送到 记录仪主板。 综上所述，三块c p u 并行处理，各自实现不同的功能，构成了记录仪的 核心。 2 4 2 信号隔离设计 为了防止当记录仪电路出现短路、过流等现象时不会影响机车信号主机 及t a x 2 型机车安全信息综合监测装置的正常工作，保证行车安全，同时防止 片外信号对记录仪的干扰，设计中对信号的输入采用了隔离技术。 输入的轨道电路传输的感应电压为模拟信号，它的隔离采用了 b u r r b r o w n 公司生产的隔离放大器i s 0 1 2 4 ，i s 0 1 2 4 唯一的要求是输入端电源 电压保持大于9 v ，这是输入电压所需要的，为此采用了d c p 0 1 0 5 1 2 d ，为i s o l 2 4 输入端提供1 2 v 电源的，此电源与输出部分1 2 v 电源是相互隔离的，这样 保证i s 0 1 2 4 的输入和输出部分在电气上完全隔离。 机车信号车载8 灯位状态信号输入隔离采用了光电耦合技术。光电耦合器 的主要结构是把发光器件和光接收器件组装在一个密闭的管壳内，它实现了以 “光”为媒介的电信号传输，而器件的输入和输出两端在电气上是绝缘的。由 于“光”传输的单向性，所以信号从光源单向传输到光接收器时不会出现反馈 现象，其输出信号也不会影响输入端。它还有噪音小、抗干扰、响应快等优点。 机车信号车载8 灯位信号机的状态信号输出是5 0 v 电平，设计时利用光电耦合器 还可实现5 0 v 到5 v 的电平转换。 t a x 2 箱广播数据通过r s 一4 8 5 串口输入，它的隔离设计采用了4 8 5 接口芯 片m a x l 4 8 0 b 。它采用内部电隔离技术，其隔离电压可达2 5 0 0 v ，实现也比较 1 1 j ! 皇茎堕查堂堡主兰垡堡苎 容易。 综上所述，本文中对每一路信号输入都进行了隔离，提高了系统的可靠 性和安全性，三部分输入电路也共同构成了记录仪的信号输入通道。 2 4 3 存储方式设计 存储器实现记录仪的记录、缓存及资源共享等功能。下面将先对存储量 的计算进行讨论，进而提出存储方式的设计方案。 t a x 2 箱的通讯记录单元通过r s 一4 8 5 串行通信方式从监控装置获取年月 日、时分秒、公里标、运行速度、机车号、车次、车种、区段号、车站号、 司机号、副司机号、列车编组等信息，并将这些信息通过一个r s 一4 8 5 接口每 隔5 0 m s 周期地传送到装置内各功能单元，这些信息共4 0 个字节。记录仪将 这些信息进行重组，取出年份、车次、机车号等信息作为文件头，其大小为 4 4 字节；取出年月日、时分秒、公里标等信息，与d s p 解调后得到的轨道电 路信号的信息数据及结束标志共3 6 个字节组成一个数据包，以秒为单位进行 存储。同时单片机集成的a d c 模块对机车信号感应电压信号进行数据采集， 采样率为8 0 0 h z ，采样精度为8 位，这样每秒将有8 0 0 字节的波形数据需要存 储。由上面的论述可知，记录仪每秒需要存储的数据量为8 3 6 字节，按4 0 个 小时的存储时间计算，需要约1 1 5 m 的存储空间。 本文选用大容量f l a s h 存储器k 9 f 2 g 0 8 ，它的存储机制是按页存储，每页 的大小是2 k + 6 4 字节，共有2 0 4 8 个块，每块有6 4 页，存储总量为2 6 4 m 。对 f l a s h 存储器的操作采用的是并行处理方式，通过8 个i o 口的功能复用实现 对数据的存取操作，操作简单，速度快。 由于f l a s h 存储器按页访问的存储机制，当数据量没有达到2 k 时，数据 暂存在单片机片内集成的r a m 中，如果这时发生系统故障，特别是掉电时， 数据会丢失，而此时的故障数据是最宝贵的。为了防止这种情况的发生，系 统在设计时增加了一块容量为6 4 k 的铁电存储器f m 3 8 0 8 ，它是按字节访问的 12 北泉交通大学硕士学位论文 非易失性存储器。这款存储器芯片中还集成了日历式的实时时钟模块，通过 一块钮扣电池可满足系统掉电时间长达一年的实时时钟供电要求。 双口r a m 采用的是c y p r e s s 公司的c y 7 c 1 3 6 ，它的容量是2 k ，其作用是 为d s p 芯片与单片机之间提供数据共享的通道。 由以上三种存储器共同构成了机车信号检测系统的存储单元。 本文中也对系统的电源及数据输出单元也进行了设计。 北京交通大学顾士学位论文 第三章记录仪硬件实现 记录仪的硬件框图如图3 1 所示： 信号处理单元 存储单元 图3 1 系统硬件框图 数据 下载 记录仪共由三个单元组成。 1 ) 控制单元：核心为c 8 0 5 l f 0 2 0 单片机，完成数据的接收、存储及下载的控 制功能； 2 ) 信号处理单元：核心为d s p 芯片，完成对轨道电路传输的机车信号的解调； 3 ) 存储单元：实现数据的存储、暂存及共享功能； 北京交通大学硕士学位论文 3 1 控制单元 3 1 1 主要芯片介绍 1 、单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 c 8 0 5 1 f 0 2 0 器件是完全集成的混合信号系统级m c u 芯片具有6 4 个数字 i o 引脚。下面为其主要特性： 1 ) 高速流水线结构，与8 0 5 l 兼容的c i p 一5 1 内核速度可达2 5 m i p s ；2 2 个矢 量中断源； 2 ) 全速非侵入式的在系统调试接口( 片内) ； 3 ) 真正1 2 位8 位1 0 0k s p s 的8 通道a d c ，集成了跟踪保持电路和可编程 窗口检测器，带p g a 和模拟多路开关；两个1 2 位d a c ，可编程更新时序； 4 ) 6 4 k 字节可在系统编程的f l a s h 存储器；4 3 5 2 ( 4 0 9 6 + 2 5 6 ) 字节的片内 r a m ： 5 ) 可寻址6 4 k 字节地址空间的外部数据存储器接口；硬件实现的s p i 、 s m b u s ，2 c 和两个u a r t 串行接口； 6 ) 5 个通用的1 6 位定时器：具有5 个捕捉比较模块的可编程计数器定时 器阵列；片内看门狗定时器、v d d 监视器和温度传感器： 7 ) 内部可编程振荡器( 2 1 6 m h z ) ；外部振荡器( 晶体、r c 、c 、或外部时钟) 。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 是真正能独立工作的片上系统，所有模拟和数字外设均可由用 户固件配置为使能或禁止，f l a s h 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于 非易失性数据存储并允许现场更新8 0 5 1 固件。 除了以上的这些特性之外，这款单片机在调试方法与结构上有其独到之 处，下面分别进行浇明： 1 ) 片内j t a g 调试电路：他允许使用安装在最终应用系统上的产品m c u 进行 非侵入式( 不占用片内资源) 、全速、在系统调试。该调试系统支持观察 苎塞茎望堂堡主兰篁笙苎 和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在 使用j t a g 调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。在实际的系 统功能的调试过程中，这种方式大大减少了工作量。 2 ) 可编程数字i o ：该系列m c u 具有标准8 0 5 l 的端口( o 、l 、2 和3 ) ，在f 0 2 0 中有4 个附加的端口( 4 、5 、6 和7 ) ，因此共有6 4 个通用端口i o ，这些端 口i o 的工作情况与标准8 0 5 1 相似，但有一些改进。每个端口i o 引脚都可 以被配置为推挽或漏极开路输出，在标准8 0 5 l 中固定的弱上拉可以被总体 禁止，这为低功耗应用提供了进一步节电的能力。 鬻昌 图3 2 端口i o 功能框图 3 ) 数字交叉开关：该系列m c u 最独特的改进是引入了数字交叉开关。这是一 个大的数字开关网络，允许将内部数字系统资源映射到p 0 、p 1 、p 2 和p 3 的 端口i o 引脚。与具有标准复用数字i o 的微控制器不同，这种结构可支持 所有的功能组合。 可通过设置交叉开关控制寄存器将片内的计数器定时器、串行总线、硬 件中断、a d c 转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其它数字信号配 置为出现在端口i 0 引脚。这一特性允许用户根据自己的特定应用选择通用端 口i o 和所需数字资源的组合 北京交通大学硕士学位论文 2 、串口扩展芯片1 6 c 5 5 0 图3 3 数字交叉开关 n a t i o n a l 的1 6 c 5 5 0u a r t 是8 2 5 0 系列的增强型产品，电气性能与以前的 产品基本相同可以互换，程序设计上也可以兼容。1 6 c 5 5 0 与以前的产品相比 最重要的改进是增加了各1 6 位的发送接收f i f o 缓存队列，这样即使在查询 方式下，数据接收发生溢出错误的可能性也大大降低了，也可以一次发送多 个数据，提高了工作效率同时1 6 c 5 5 0 也提供了中断方式下使用f i f 0 的能力。 北京交通大学硕士学位论文 3 1 2 硬件实现 控制单元电路框图如图3 4 所示 图3 4 控制单元电路框图 电路中的总线锁存器和译码电路由一块c p l d 芯片e p m 7 0 3 2 a e t c 4 4 1 0 集 成实现。对f l a s h 存储器k 9 f 2 g 0 8 的操作是通过i o 口实现的，具体电路见 3 3 。m a x 3 2 2 1 是一款r s 一2 3 2 的接口芯片，其供电电压是3 3 v ，使用它的目 的是为了与单片机的电平匹配。 如2 4 1 所述，为了记录机车信号灯位状态数据，在记录仪主板之外增 加了一块小板，如图3 5 中的并串转换模块。它的功能主要是采集8 个灯的 状态并将其转化为串行信号发送，方便记录仪接收，每次当灯的状态变化时， 向记录仪发送一组数据。机车信号的灯位输出都是5 0 v 的信号，设计时考虑 北京交通大学硕上学位论文 进行光电隔离，将5 0 v 的信号转化为5 v 。 8 路 机车| 厂 厂一 厂 蓓毒匕) 光电隔离 二浏单片机 二割r s 一2 3 2f 二二今输出 灯位l j l 一一j l _ j 输出 。 图3 5 并串转换模块框图 因为系统资源的关系，记录仪对这部分串行数据的接收采用了串口扩展 芯片1 6 c 5 5 0 ，将送来的串行数据转换为并行数据由单片机接收。 d o d 8s j n a 0 一a 2s o u t c s or d c s l w r c s 2 i n t r p t 图3 61 6 c 5 5 0 电路框图 输入 输出 片机读信号线 片机写信号线 片机外部中断 当1 6 c 5 5 0 接收到并串转换模块发送的数据后，通过外部中断的方式向单 片机发出请求，单片机响应并读取数据后，16 c 5 5 0 再次进入数据接收状态。 3 2 信号处理单元 3 2 1 主要芯片介绍 1 、t m s 3 2 0 v c 3 3 t m s 3 2 0 c 3 x 系列是隶属t m s 3 2 0 家族的一个低价位3 2 位浮点d s p 。目前主 1q 北京交通大学硕士学位论文 要应用于数字化音频、视频会议、工控和机器人技术等方面，还可应用于电 力系统在线髓测方面。其中v c 3 3 的最高处理速度为1 5 0 m f l o p s ，其主要特点 和组成有： 1 ) 高品质的浮点d s p ，指令周期为1 3 n s 1 7 n s ，处理速度为 1 5 0 m f l o p s 1 2 0 m f l o p s ： 2 ) 低功耗( 2 0 0 m w 1 5 0 m f l o p s ) ； 3 ) 5p l l 时钟发生器； 4 ) 3 4 k 3 2 b i t 片内r a m ； 5 ) 3 2 位指令字，2 4 位地址线； 6 ) 支持b 0 0 t l o a d e r ，一个串口，两个3 2 位定时器和d m a ； 7 ) 八个扩展寄存器，r o 、r 7 ； 8 ) 双电压供电，1 8 v 内核电压和3 3 v 的i o 电压； 9 ) 支持j t a g 调试标准，四个简单、高效的预译码信号。 2 、i s 0 1 2 4 i s 0 1 2 4 为b b 公司采用新型的滞回调制解调技术设计的低成本精密电容隔 离放大器，它是由在电路上完全对称的输入部分和输出部分组成，制造时采用 激光调整工艺使两部分完全匹配，因此i s 0 1 2 4 的传输系数为1 ：1 ，增益误差小 于0 5 。设计中采用d c p 0 1 1 2 1 2 d ，为i s o l 2 4 输入端提供1 2 v 电源的，此电 源与输出部分1 2 v 电源是相互隔离的，这样保证i s o l 2 4 的输入和输出部分在 电气上完全隔离。 3 、m a x 2 9 3 m a x 2 9 3 是美国m a x i m 公司推出的八阶低通椭圆型、开关电容滤波器，采用 输入时钟频率控制输出转角频率的方式来实现对模拟信号和数字信号的滤波， 其滤波原理和设计简单，在很大程度上，将电子电路设计者从烦琐的模拟滤波 器设计中解放出来。 北京交通大学硕士学位论文 4 、1 l v 3 z o a i c l 0 t l v 3 2 0 a i c l o 是t i 公司近年新推出的低功耗一型1 6 位a d 、d a 音频接口 ( a i c ) 芯片。t l v 3 2 0 a i c l 0 采用连续时间采样方式，采样过程中不需要v c 3 3 进行干预，使t l v 3 2 0 a i c l o 能够全速工作。而d s p 只需要通过定时器的定时，以 频率为8 k 对a d 输出口进行取数操作。 3 2 2 硬件实现 图3 7 信号处理单元电路框图 d s p 采用程序加载引导的方法，将d s p 芯片的执行程序代码存在f a i ，s h 存储 器s s t 3 9 v f 0 2 0 中，d s p 芯片在上电复位后，执行一段引导程序，从外部f l a s h 存储器s s t 3 9 v f 0 2 0 中加载程序至d s p 芯片的高速r a m 中运行。 d s p 内部的时钟频率较高，在运行时很有可能出现被干扰的现象，严重时 可能出现死机。为了克服这些现象，设计中采用具有监视功能的自动复位电 路，即看门狗电路。看门狗电路提供一条监视系统运行的监视线，系统正常 运行时在约定的时间内给监视线提供高低电平有规律变化的信号，如果在规 2 1 北京交通大学硕士学位论文 定的时间内这个信号不发生变化，看门狗电路就认为浚系统工作不正常 重新对系统进行复位。本设计采用了m a x i m 公司生产的m a x 7 0 6 芯片完成 的复位周期为1 6 s 左右。 电源模块采用t p s 7 6 7 d 3 1 8 来满足d s p 3 3 v 和1 8 v 的供电要求。 信号处理单元中的数据放大滤波电路简图如图3 8 。 n r p 0 】0 5 】2 d 轨道 感应 + 5 v d g n d a d 输入 并 它 m a x z 9 3 图3 8 轨道电路感应电压隔离滤波电路简图 3 3 存储单元 3 3 1 双口r a m 及硬件实现 本设计使用c y p r e s s 公司的c y 7 c 1 3 6 ( 2 k 8 b i t ) 双端口r a m 。其两个端口 都有独立的控制信号、片选c e 、输出允许o e 和读写控制r w 。这组控制信号使 得两个端口可以像独立的存储器一样使用。使用这种器件要注意当两个端口访 问同一个单元时，有可能导致数据读出结果不正确。 解决这个问题的方法有两个：一种是监测b u s y 信号输出，当检测到b u s y 信号有效，就使访问周期拉长，这是从硬件上解决；另一种是软件上保证两个 端口不同时访问一个单元，即将双端口r a m 进行分块。本系统采用后者，将b