（交通信息工程及控制专业论文）基于ARM和DSP的铁路信号测试仪设计（DSP部分）.pdf

北京交通大学硕士学位中文摘要 中文摘要 摘要：u m 7 1 系列( 包括z p w - 2 0 0 0 a ) 无绝缘轨道电路己成为我国铁路的主流制式，轨 道电路的正常工作对行车安全意义重大。轨道信号失真或者受到噪声污染有可能导致铁 路信号设备错误动作进而发生行车事故。通过对铁路信号做出监测以及判断，可以帮助 信号设备维护人员对故障设备进行及时修复从而避免事故发生。 本文设计了一种基于a r m d s p 双核结构的铁路信号测试仪，用以帮助设备维护人 员及时检修故障设备。其中，d s p 芯片选用t i 公司的3 2 位浮点处理器t m s 3 2 0 v c 3 3 作为信号分析与处理的核心，实现信号的解调、频谱分析和细化处理等功能。本测试仪 作为一种实时的信号检测设备，充分利用了浮点d s p 芯片高效灵活以及系统可裁减的 特性，因而更适合于现场环境的应用。本测试仪主要针对目前使用较为广泛的u m 7 1 、 z p w - 2 0 0 0 a 系统以及站内2 5 h z 相敏轨道电路，实现对移频信号的数字解调、区间载波 频率检测、信号幅度检测、站内轨道信号的相位角及其幅度检测等功能。 本文着重分析了频谱细化技术中的z f f t 算法在实时信号分析中的应用，采用z f f t 算法可以在保证运算效率的同时提高频谱的分辨率。在此基础上，本文就这种算法提出 了若干改进措施并且通过m a t l a b 对该算法及其改进措施进行了软件仿真。同时本文 完成了基于这种算法的d s p 软件设计：为了提高系统实时性，d s p 算法均采用汇编语 言实现。理论分析和实验表明调制频率的分辨率可以达到0 0 3 h z ，满足实际应用要求。 此外，本文设计了测试仪的硬件结构，主要是v c 3 3 的外围器件及其与双口r a m c y 7 c 0 2 8 的接口电路，以及基于这个接u 电路的通信规程。 关键词：移频键控；轨道电路；z f f t ；t m s 3 2 0 v c 3 3 ；频谱分辨率；m a t l a b ： 中图分类号：u 2 8 3 1 北京交通大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：u m 71 ，i n c l u d i n gz p w - 2 0 0 0 a ，j o i n t - l e s st r a c kc i r c u i th a sb e e nd o m i n a t i n gc h i n a s r a i l w a y i ti ss i g n i f i c a n tf o rt r a f f i cs a f e t yw h e nt r a c kc i r c u i tw o r k sc o r r e c t l y t h et r a c ks i g n a l i n t e r f e r e dw i l ll e a dt oe r r o ra c t i o no fr a i l w a ys i g n a ld e v i c ea n dt h e nt r a f f i ca c c i d e n th a p p e n s t h r o u g hm o n i t o r i n go fr a i l w a ys i g n a la n dm a k i n gaj u d g m e n t ，c a nh e l pt h et r a c ks i g n a l m a i n t a i n e rt or e p a i rt h ef a i l u r ed e v i c ea n da v o i da c c i d e n to c c u r r i n g t h i st h e s i sd e s i g n so n ek i n do fr a i l w a ys i g n a lt e s ti n s t r u m e n tb a s e do na r m 巾s p s t r u c t u r e t h ei n s t r u m e n tc a nh e l pm a i n t a i n e rt or e p a i rt h em a l f u n c t i o ne q u i p m e n t t h et h e s i s u s e sf l o a t i n g - p o i n td s p - t m s 3 2 0 v c 3 3a sa ni n t e g r a lp a r to ft h ei n s t r u m e n tt oc o m p l e t et h e s i g n a ld e m o d u l a t i o n ，s p e c t r u ma n a l y s i sa n dd e t a i l e dt r e a t m e n t a sak i n do fr e a l t i m es i g n a l t e s ti n s t r u m e n t ，i tt a k e sf u l la d v a n t a g eo ft h ef l o a t i n g - p o i n td s p c h i pw h i c hi se f f i c i e n ta n d f l e x i b l e ，s ot h ei n s t r u m e n ti sv e r ys u i t a b l et ob ea p p li e di nt h ef i e l d ，t h ea p p li c a t i o na r e ao f t h i si n s t r u m e n tm a i n l yc o v e r st h eu m 7 1 ，z p w - 2 0 0 0 aa n d2 5 h zp h a s ed e t e c t i n gt r a c kc i r c u i t t h ef u n c t i o no ft h i ss i g n a lt e s ti n s t r u m e n t i n c l u d e sd i g i t a ld e m o d u l a t i o no ff s ks i g n a l ， s e c t i o nc a r r i e rw a v e sf r e q u e n c yd e t e c t i o n ，s i g n a la m p l i t u d em e a s u r e m e n t ，s t a t i o ns i g n a l s p h a s ea n da m p l i t u d em e a s u r e m e n t t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ea p p l i c a t i o no fz f f ta l g o r i t h mi nr e a l - t i m es i g n a la n a l y s i s z f f ta l g o r i t h mc a nb eu s e dt oe n s u r et h ee f f i c i e n c yo fp r o c e s s i o n sa n di m p r o v i n gt h e r e s o l u t i o no ft h es p e c t r u m b e s i d e s ，t h i sp a p e rp r o p o u n d san u m b e ro fi m p r o v e m e n t so ft h e a l g o r i t h ma n ds i m u l a t e sa l lo ft h ea l g o r i t h m st h r o u g hm a t l a bs o f t w a r e t h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h er e s o l u t i o no ft h em o d u l a t i o nf r e q u e n c yc a nb e r e a c h e d0 0 3 h z ，m e e tt h ea c t u a la p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t t h i st h e s i sa l s ow o r k so u tt h ed s p s o f t w a r ed e s i g nb a s e do nt h ea l g o r i t h m ；i no r d e rt o i m p r o v es y s t e m se f f c i e n c y , d s p a l g o r i t h mi se d i t e di na s s e m b l yl a n g u a g e i na d d i t i o n ，t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h ei n s t r u m e n t i sd e s i g n e di nt h i st h e s i s ，m a i n l ya b o u tt h ee x t e r n a ld e v i c e so ft h ed s pa n dt h ei n t e r f a c e c i r c u i tb e t w e e nd u a l - p o r tr a mc y 7 c 0 2 8a n dd s p b a s e do nt h ei n t e r f a c ec i r c u i t sb e t w e e n v c 3 3a n dc y 7 c 0 2 8 ，t h i st h e s i sd e s i g n st h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h et w o c h i p s k e y w o r d s ：f s k ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ；z f f t ；t m s 3 2 0 v c 3 3 ；s p e c t r u mr e s o l u t i o n ； m a t l a b c l a s sn o ：l j 2 8 3 1 学位论文版权使用授权书 术学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交 通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采j h 影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘。 ( 保密的学位沦文在解密后适用木授权说明) 学位论文作者签名：武、t 首 签字f - t 期：加3 年f 月1 2 - f - t 导师签名； 签字订期：3 年，月f z 日 北京交通大学硕士学位论文 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文足本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中 特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：武崎首签字日期 加叠年彳月i z 日 6 1 致谢 本论文的工作是在我的导师杨世武副教授的悉心指导下完成的，杨世武教授 严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢杨老 师两年来对我的关心和指导。 杜普选副教授对丁二我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此向他 表示由衷的谢意。 马庆龙老师悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上给予了我很大的 关心和帮助，在此向马老师表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，孔勇、司昱、马沧海、张金、姚向明、苏庆 佳、陈学、邓文坛等同学给予我热情的帮助，在此期间向他们表达我由衷的谢意。 最后我也要特别感谢我的亲人和朋友们，是他们给予我精神上、生活上极大 的支持与关怀，使我能安心从事学习和研究工作，最终得以完成学业! 北京交通大学硕士学位沦文第1 章综述 1 1 自动闭塞系统概述 第1 章综述 随着我国铁路的发展，尤其是提速战略的实施，加快了区间信号设备发展的步伐。 我国原使用的三种自动闭塞均存在信息量少、可靠性著的缺陷，不能满足运输生产的需 求。在引入法国u m 7 1 自动闭塞并实现国产化的同时，自行研制了8 信息、1 8 信息移 频自动闭塞，构成了新型自动闭塞系歹l j l 。新型自动闭塞的共同特点是增加了信息量， 提高了可靠性，能满足四显示、双线双向自动闭塞以及列车运行超速防护系统的需要。 新型自动闭塞发展迅速，短短数年，现已占自动闭塞里程的4 5 ，而且已经停止发展4 信息移频自动闭塞和交流计数电码自动闭塞。通用式机车信号也以其高可靠性、高通用 性，正在迅速取代移频机车信号和交流计数机车信号。此外，还出现了二线制改变运行 方向和预叠加方式站内轨道电路电码化。 1 1 1z p w - 2 0 0 0 a 型无绝缘轨道电路 z p w - 2 0 0 0 a 型无绝缘轨道电路1 2 j 系统，与u m 7 1 无绝缘轨道电路一样采用电器绝缘 节来实现相邻轨道区段的隔离。电气绝缘节长度改进为2 9 m ，电器绝缘节由空心线圈、 2 9 m 长钢轨和调谐单元构成。调谐区对于本区段频率呈现极阻抗，利用本区段信号的传 输及接收，对于相邻区段频率信号呈现零阻抗，可靠地短路相邻区段信号，防止了越区 传输，这样便实现了相邻区段信号的电气绝缘。同时为了解决伞程断轨检查，在调谐区 增加了小轨道电路。 z p w 二2 0 0 0 a 型无绝缘轨道电路分为主轨道电路和调谐区小轨道电路两部分，小轨 道电路视为列车运行前方主轨道电路的所属“延续段”。主轨道电路的发送器由编码条 件控制产生表示小同含义的低频调制的移频信号，该信号经电缆通道( 实际电缆和模拟 电缆) 传给匹配变压器及调谐单元，因为钢轨是无绝缘的，该信号既向主轨道传送，也 向调谐区小轨道传送，主轨道信号经过钢轨送到轨道电路受电端，然后经调谐单元、匹 配变压器、电缆通道，将信号传至本区段接收器。调谐区小轨道信号由运行前方相邻轨 道电路接收器处理，并将处理结果形成小轨道电路继电器执行条件送至本区段接收器， 本区段接收器同时接收到主轨道移频信号及小轨道电路继电器执行条件，判决无误后驱 动轨道电路继电器吸起，并由此来判断区段的空闲与占用情况。图1 1 是z p 、- 2 0 0 0 a 系统的原理图。 北京交通大学硕士学位沦文第1 章综述 图1 1 系统原理图 f i g u r e1 - ! s y s t e ms c h e m a t i c 1 1 2 载频、频偏的选择 我国于2 0 世纪9 0 年代初引进法国高速铁路的u m 7 1 移频自动闭塞设备，并在此基 础上结合我国国情研制了更加适应我国铁路的区间移频自动闭塞设备，该设备即为目前 铁道部推广使用的z p w - 2 0 0 0 a 无绝缘轨道电路移频自动闭塞设备。z p w - 2 0 0 0 a 无绝缘 轨道电路移频自动闭塞低频延用了u m 7 1 技术，载频做了调整。根据载频的特征， z p w - 2 0 0 0 a 轨道信号分为2 0 0 0 a 1 和2 0 0 0 a - 2 两种制式。2 0 0 0 a - 1 的载频分别是：1 7 0 1 4 、 2 0 0 1 4 、2 3 0 1 4 、2 6 0 1 ，4 ；2 0 0 0 a - 2 的载频分别是1 6 9 8 7 、1 9 9 8 7 、2 2 9 8 7 、2 5 9 8 7 。其 中上行线使用2 0 0 0 1 、2 0 0 0 2 、2 6 0 0 1 、2 6 0 0 2 交替排列；下行线用1 7 0 0 1 、1 7 0 0 2 、 2 3 0 0 1 、2 3 0 0 2 交替排列。u m 7 1 轨道电路的频偏f 为l1 h z 。u m 7 1 低频调制信号 f c ( 低频信息) 从1 0 3h z 全2 9h z 按1 1h z 递增共1 8 种。即这1 8 种低频信息分别为： 1 0 。3h z 、1 1 4 h z 、1 2 5h z 、1 3 6h z 、1 4 7h z 、1 5 8h z 、1 6 9h z 、1 8h z ，1 9 1h z 、2 0 2 h z 、2 1 3 h z 、2 2 4h z 、2 3 5h z 、2 4 6h z 、2 5 7 h z 、2 6 8h z 、2 7 9h z 、2 9h z 。在低频调 2 北京交通大学硕士学位论文 第1 章综述 制信号作用下，一个周期内，信号频率发生f l 、f 2 交替变化。其中f l = f 0 f ，挖= f o + f 。 载频f o 选得较高( 1 7 0 0h z - 2 6 0 0h z ) 。在这些频段上，牵引回归电流的强度已经很弱。 因此，z p w 2 0 0 0 a 移频轨道电路在电气化区段的抗二f 扰能力比较强。 频偏f 选为1 1 h z 。由于频偏较小，信号能量集中在中心频率附近，远离邻线和邻 区段的干扰。在每个闭塞分区的钢轨中传输的移频信息，实际上是以载频为中心的下边 频f l 和上边频亿两个交替变换的正弦交流信息，即f i 、f 2 在单位时问内频率变换的次 数由低频调制信号f c 决定。表1 1 为1 8 种低频信号所对应的物理意义。 表1 11 8 信息表 t a b l e1 1l8i n f o r m a t i o n s 发送的低频码( h z )信号显示含义 通过或 一 h u 码2 68 前方闭塞分l x _ 有车占用 出站信 孩 u 码 1 69 1 次架信号机最示h ) 前方只有1 个闭皋分区卒闲 号机 u 2 码1 47 ( 次架信号机显示u u )次架为进站信号机开放权黄信号 u 2 s 码2 02 ( 次架信号机疆示u s u )次架为迸站信号机开放黄、闪黄信号 斑 l u 码1 36 i i 方只有2 个闭塞分区空闲 残 l 码l l4 前方有2 以上闭皋分区窄闲 进站信 h u 码2 6 8 进站信u 关闭 号机 蝴 h b 码2 4 6 进站开放引导信号 渤 u u 码1 8 进站开放侧线停车信号 疑 u 码1 6 9 进站歼放卜线停车信号 u 2 码1 47 ( 出站信号开放)列车“直进弯出”通过 豳 u u s 码1 9 1绛i8 号道岔侧线通过 豳 l u 码1 3 6 站信号井放黄灯信号 &l 码1 1 4 止线通过信号 1 2 机车信号1 机车信号能复示地面信号机的显示，改善司机的嘹望条件，避免自然环境的干扰， 提高司机接收信号的可靠性。在机车信号的基础上配套列车运行超速防护系统，可促使 北京交通大学硕士学位论文第1 章综述 司机提高警惕，并在司机丧失警惕而又可能冒进信号或超速时强迫列车停车或减速，以 防止列车冒进信号或超速运行。 目前，随着机车信号可靠性的提高，机车信号已经开始从辅助信号转为主题信号， 如在双线双向自动闭塞区段，反方向不设通过信号机，仅在分界点处设停车标志，以机 车信号作为主体信号。在准高速铁路上，列车速度在1 6 0 k m h 以上，这是司机能确认地 面信号机显示的临界速度，故其正方向仍设地面信号机，但在正常情况下以机车信号为 主，反方向则按机车信号运行。在高速铁路上，列车速度超过2 0 0 k m h ，司机确认地面 信号已不可能，此时地面信号将被取消，只能凭机车信号显示行车。 这里介绍j t l 型数字化通用式机车信号，它主要由接线盒，四个传感器，两个八显 示机车信号机及电缆构成。其系统框图如图1 2 所示： 图1 - 2 机个信号机系统 f i g u r ei - 2c a bs i g n a l i n gs y s t e m 主机箱是机车信号的主机，主要由信号处理器d s p 等3 0 余块集成j 吝片构成，完成 机车信号译码和机车信号点灯等控制。 接线盒义称配线盒，内设若干接线柱。通用式机车信号整个系统的所有设备都经接 线盒汇接，完成他们之间的连接和控制。 传感器即机车接收线圈，规定采用移频机车信号接收线圈。i 、i i 端各设一台，安 装于正、副司机前方中间，为双面八显示。 上下行转换开关，在移频自动闭塞及u m 7 1 区段使用。根据需要，可设于主板接线 盒上，也可设于司机室操纵台上。移频和u m 7 1 区段，上下行载频不一一样。根据列车运 4 北京交通大学硕士学位论文 第1 章综述 行方向，用转换开关转换载频对，也可由列车超速防护设备完成自动转换。 1 3 课题的研究背景及意义 实时准确地解调移频信号对行车安全意义重大。移频键控信号的解调方法从原理上 可分为相干解调和非相干解调两种方法。从最佳接收的观点来看，相干解调具有最佳抗 干扰性能。然而相干解调要求接收端恢复出具有准确频率和相位的相干载波信号，在移 频系统中是很难实现的，往往增加设备的复杂性，而实际性能又改善不多，所以移频系 统往往不采用相干解调，而采用非相干解调法。所谓非相干解调，就是在接收端不需要 相干信号，而根据移频信号本身的特点进行解调。 移频信号的非相干解调法有模拟法和数字法两种。模拟法常用限幅鉴频法和零交点 法。限幅鉴频法又适用于宽带移频信号的双失谐鉴频器和使用于窄带移频信号的单谐振 槽路鉴频器。零交点法有采用通崩微型计算机，运用软件实现法和单用硬件实现法。数 字法是采用微犁计算机运用f f t 快速傅里叶变换，求出移频信号的主要边频分量，解调 出低频信息。 软件解调有灵活，可靠性高的优点，尤其适用于检测仪器仪表以及机车信号的主机 箱内。它可以利用嵌入式系统作为硬件平台，实时准确地解调移频信号。f f t 是实现这 一过程的核心算法，而浮点d s p 由于其具有独立的硬件乘法器以及特殊的汇编指令， 因而特别适用于实现f f t 、卷积以及相关等实时信号处理算法。因此实际应用中铁路信 号检测仪多数是以d s p 芯片作为核心处理器。 本文着重讨论了一种频谱细化算法一z f f t ( z o o mf f t ) 算法。这是一一种应用广 泛的频谱细化算法，对于工程中所关心的某段频带能够实现细致辨识。这种算法可以适 用_ f 机车信号的实时解调也可以用于铁路信号检测设备，用以提高系统响应时间和频谱 分辨率。应用于机车信号接收机时，可以帮助列车司机及时掌握前方区段的道路状况： 应用于铁路信号检测设备时，可以对铁路信号特征作出准确判断，从而方便进行铁路设 备的检修与维护。 1 4 国内外研究现状 郑州市北信电子产品有限公司的c d 9 6 型移频在线测试记录表足国内功能较为齐全 的铁路信号测试仪。作为z p w - 2 0 0 0 系列无绝缘移频信号系统的专用维修测试仪表，具 有该系统轨道电路在线故障检测功能，在不拆除任何使用设备配线的条件下，实现对室 内外各项设备电气参数的在线测试。适合法国产u m 7 1 或国产w g 一2 1 a 无绝缘移频信号制 式站内、区间轨道电路安装、调试及日常维护管理使用。适合4 信息、8 信息、1 2 信息、 北京交通大学硕士学位论文第l 章综述 1 8 信息国内有绝缘移频制式站内、区间轨道电路安装、调试及日常维护管理使用。适合 2 5 周和5 0 周相敏轨道电路的选频电压、选频电流、电压相位差和电压波形失真度测量。 适合2 5 周信号、5 0 周信号与移频信号相混迭的场合测试使用。具有z p w - 2 0 0 0 调整农调 用查阅功能、通用测试记录功能、以及轨道补偿电容专用在线测试记录管理等功能。 c d 9 6 型移频在线测试记录表的内核是一块d s pj 卷片，因此若希望在此记录仪上加 载触摸屏则无法实现。基于a r m d s p 双核结构的测试系统在功能方面对c d 9 6 做了补 充，使其具备更强大数据存储能力。同时可以在此测试系统上增加触摸屏和实时操作系 统，使对测试系统的操作更加方便和更加人性化。 1 5 本文的内容及主要工作 本文首先设计了一种基于a r m d s p 双核结构的铁路信号测试仪的硬件结构，以 及作为主控制器的a r m 和作为协处理器的d s p 之间的通信规程。这个通信规程是基于 双口r a m c y 7 c 0 2 8 的。其次，本文着重介绍了一种应用于窄带信号的实时信号处理算 法z f f t 以及这种算法在铁路移频信号数字解调中的应用，并且利用m a t l a b 对这 种算法实现了软件仿真。同时，本文设计了基于这种算法的d s p 汇编程序，理论和实 验数据表明软件的实时性以及信号的分辨率等主要性能参数满足实际应用需求。最后， 本文通过软件对信号的抗干扰措施进行了完善，使牵引电流的谐波对有用信号的干扰降 至最低。 6 北京交通大学硕士学位论文第2 章铁路信号测试仪的方案设计及硬件结构 第2 章铁路信号测试仪的方案设计及硬件结构 随着现代计算机技术和互连网络技术的发展，嵌入式系统开始占据市场主流【4 1 。因 为3 2 位a r m 嵌入式处理器具有高性能、低功耗的特性，已被广泛应用到消费电子产品、 无线通信和网络通信等高端设备领域。又由于d s p 以数字计算的方法对信号进行处理， 具有处理速度快、灵活、精度高、抗干扰能力强、体积小及可靠性高等优点，已经越来 越广泛地被应用于语音处理、图像处理、模式识别及t 业控制等领域。通常在系统设计 中，由a r m 嵌入式处理器实现整个系统的协调控制和网络功能，由d s p ：签片执行复杂 计算，然后通过一定的方法实现嵌入式处理器与d s p 之间的通信和数据交换是一种流 行的方法。在这样的系统中，a r m 嵌入式处理器和d s p 之间的数据交换速度决定了整 个系统的运行速度和性能。 2 1铁路信号测试仪设计方案 铁路信号测试仪主要针对日i j 使用较为广泛的u m 7 1 、z p w - 2 0 0 0 a 系统以及站内 2 5 h z 相敏轨道电路，实现对移频信号的数字解调、区间载波频率检测、信号幅度检测、 站内轨道信号的相位角及其幅度检测等功能。各种功能均有其各自的特点以及相应的算 法予以实现。对频谱结构较为复杂的铁路移频信号需要采用频域分析的方法；例如，对 于铁路移频信号的解调可以采用f f t 或者z f f t 算法。这两种算法均会使用快速傅立叶 变换( f f t ) ，这是d s p 处理器尤其是浮点d s p 特别适合做的运算。对于站内2 5 h z 相 敏轨道电路，由于其本身的频谱结构较为简单，因而时域分析完全可以实现相位角的检 测。由于测试仪集成了多种检测功能，单一的d s p 芯片实现这些功能且要完成这些功 能之间的有效切换较为困难，因此，用一块a r m 芯片作为测试仪的丰控制器是有必要 的。这块a r m 芯片的功能包括： 1 ) 站内轨道信号的相位角及其幅度检测； 2 ) 测试仪各功能模块的切换； 3 ) 通过l c d 显示结果参数； 4 ) 历史数据保存及查询； 实际应用中对系统的响应时间以及精度均有较高的要求。机车信号的响应时间约为 2 秒，低频信号的解调精度要求大到0 0 3 h z 。对于铁路信号测试仪，实时性要求可略低 于机车信号，解调精度要求与机车信号相同。考虑到实时性以及解调精度的要求，浮点 d s p 较为适合铁路移频信号的数字解调，这是因为： 1 ) 动态范围宽广，能够满足多种算法的需要： 2 ) f f t ，f i r 滤波和相关运算的优势； 7 北京交通大学硕士学位论文 第2 章铁路信号测试仪的方案设计及硬件结构 3 ) 兼容c 语言和汇编语言； 铁路移频信号的轨面电压在0 5 - 2 9 v 之间，动态范围较大，使用浮点d s p 可以在 提高应用性能的基础上简化编程。此外，不论是机车信号接收器还是铁路移频信号测试 仪，对铁路移频信号的解调均使用数字解调方法，这种解调方法的核心算法就足f f t 。 而浮点d s p 特别适合f f t 算法的实现，它具有极大的动态范围，并能自动的缩放，所 以不会有溢出发生。本应用中选用t i 的3 2 位浮点处理器t m s 3 2 0 v c 3 3 ，是目前国内外 使用最为广泛的浮点d s p 芯片之一，关于这块芯片的参数后面会做简要说明。 2 2 铁路信号测试仪工作原理 本文基于a r m d s p 双核结构完成了铁路信号测试仪的硬件设计，系统框图如图2 1 所示。其中a r m 7 2 2 1 0 作为测试仪主控制器实现数据采集采集、2 5 h z 相敏轨道电路相 位角检测、铁路移频信号参数显示、信号波形显示等功能；t m s 3 2 0 v c 3 3 作为协处理器 完成对移频信号的频谱分析以及参数计算等功能。这两快j 占片之间的数据交互通过双口 r a m c y 7 c 0 2 8 完成，主要包括2 21 0 将铁路信号采样值传递给v c 3 3 ，经过v c 3 3 处理 后将得到的参数回传给2 2 l o 。图2 1 显示的是d s p 部分的系统框图，组成模块主要包 括：系统扩展了2 5 6 k * 3 2 b i ts r a m ( 两片c y 7 c 1 0 4 1 ) 和5 1 2 k * 8 b i tf l a s h ( _ 一片 a m 2 9 f 0 4 0 ) 。其中s r a m 用于程序运行和数据存储，f l a s h 主要用于程序存储。 c y 7 c 1 0 4 1 是2 5 6 k 木1 6 b i t 高速s r a m 芯片，具有高达1 5 n s 的访问速度，测试仪系统中 用两片c y 7 c 1 0 4 1 组成了一个2 5 6 k * 3 2 b i t s r a m 存储器。使用中应使t m s 3 2 0 v c 3 3 的 等待状态为l 等待。a m 2 9 f 0 4 0 是5 1 2 k * 8 b i t f l a s h 存储器。采用5 v 单电源供电，是 一种电可擦除与重新编程的器件。该器件由8 个独立的6 4 k 字节块组成，访问速度为 5 5 - 1 5 0 n s 。系统中设计有一个r s 2 3 2 和一个u s b 通信电路，用以同p c 机进行数据通 信，该电路的核心是一片a n 2 1 3 1 s ce z u s b 微处理器和一片i d t 7 0 0 5 双口r a m 。 a n 2 1 3 1 s c 具有8 0 5 l 内核，一个r s 2 3 2 串行通信接i e i 和一个u s b l 1 通信接e l 。 a n 213ls c 按照一定协议将t m s 3 2 0 v c 3 3 存入双口r a m i d t 7 0 0 5 中的数据通过r s 2 3 2 或u s b 接口传送给p c 机，将p c 机通过r s 2 3 2 或u s b 接e l 传送过来的数据存入双口 r a m i d t 7 0 0 5 供t m s 3 2 0 v c 3 3 读取从而实现了d s p 和p c 机的r s 2 3 2 和u s b 的通信 垆j 。c p l d a t f l 5 0 8 a 完成系统的逻辑控制，且对外留有接e l 用于对其编程。下面给出了 其余主要芯片的介绍。 北京交通大学硕士学位论文第2 章铁路信号测试仪的方案设计及硬件结构 c y 7 c 1 0 4 lc l f 7 c 1 0 4 1 ( s r 心：( s r a m ： 啊一下 vv t m $ 3 2 0 v c 3 3 h c y 7 c 0 2 8 l 、 2 2 1 0 k 一 ( d s p ： vv ( ) 叹口r m ： 、，7 ( a j 瑚7 ) f w 2 9 f 0 4 0l 翟d t 7 叫o o s p f 卜一一( 揣溉：卜 1k ( “删x 2 0 2 3 e 2 s ( f l a s h ：5 ( 双口r 删： i ( 微控制单元：7 ；( r s - 2 3 2 ： 7 、一节一一。- - 一 甚c p l d q 点i - 一音- - n l p c 2 2 1 0 是基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s t m c p u 的微控 制器。片内1 2 8 位宽度的存储器接i ：1 和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟频 率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模降低超过 l p c 2 2 1 0 为1 4 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定时器、8 路1 0 位a d c 以及9 个外部中断使它特别适合于工业控制、医疗系统、访问控制和p o s 机。在1 4 4 脚的封 装中，可使用的g p i o 高达7 6 ( 使用了外部存储器) 1 1 2 个( 单片应用) 。由于内置了 宽范围的串行通信接口，它也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软m o d e m 以 t m s 3 2 0 v c 3 3 ( 以下简称v c 3 3 ) 是t i 推出的t m s 3 2 0 系列的第j 代处理器的升级 产品，3 2 位浮点运算d s p ，是目前在国内外使用最为广泛的浮点d s p 芯片之一。本文 中使用的型号是v c 3 3 1 2 0 ，1 7 n s 单周期指令执行时问，6 0 m i p s ( 百万条指令每秒) ， 一低功耗，一般功耗小于2 0 0 m w ，供电电压外部3 3 v ，内核1 8 v 。 一有3 4 k * 3 2 b i t 片内r a m ，每个r a m 块在单周期内都可以访问2 次。较大容量的片 内r a m 为使用者提供了很大方便，当程序最不是很大时，可以不用扩展存储器。 一程序总线、地址总线分开，允许并行的取指、数据读写及d m a 操作。指令以及数 据字长3 2 b i t ，地址宽度为2 4 b i t ，因此，总的存储空间为1 6 m * 3 2 b i t 。程序、数据、 及i o 都包括在这1 6 m * 3 2 b i t 字的地址单元内。 北京交通大学硕士学位论文第2 章铁路信号测试仪的方案设计及硬件结构 一有一个硬件乘法器和一个算术逻辑单元a l u ，乘法器执行2 4 b i t 整数或者3 2 b i t 浮点 数的单周期乘法。通过并行指令，一个乘操作和一个a l u 运算可以在单周期内完成。 一有8 个4 0 b i t 宽的扩展精度寄存器。他们能寄存3 2 b i t 整数以及4 0 b i t 浮点数，并支持 对它们的操作。 一有一个3 2 b i t 桶形移位器，它能在单周期内向左或者向右移位3 2 b i t 。 一有两个地址发生器并带有8 个辅助寄存器和2 个辅助寄存器运算单元，能在单周期 内产生两个地址。 一有用于并发i o 和c p u 操作的片内之问存储器访问( d m a ) 控制器。片上的d m a 控制器可以读写存储器中的任何单元而不会影响c p u 的工作。冈此，t m s 3 2 0 v c 3 3 可以与慢速的外部存储器或外部设备接口，而不会降低c p u 的速度。 一有1 个同步串口，支持8 1 6 3 2 b i t 数据传输。 一有2 个独立的3 2 b i t 硬件定时器。 一内含5 倍频的锁相环( p l l ) 时钟发生器。 3 c y 7 c 0 2 8 简介 c y 7 c 0 2 8 是c y p r e s s 公司研制的6 4 k * 1 6 b i t 低功耗c m o s 型静态双口r a m ，最 大访问时间为1 2 1 5 2 0 n s ，可与大多数高速处理器配合使用，无需插入等待状态。采用 丰从模式可以方便地将数据总线扩展成3 2 位或更宽。双口r a m 芯片c y 7 c 0 2 8 作为一 种性能优越的快速通信器件，在多c p u 的高速数字系统中非常适用。其特点是：提供 两套完全独立的数据线、地址线、读写控制线，允许两个c p u 对双端口存储器同时进 行操作；具有两套完全的中断逻辑，用于实现两个c p u 之间的握手信号；具有完全独 立的忙逻辑，可保护两个c p u 对同一地址单元进行正确的读写操作。 2 3 双机通信 主从机之间的数据通信主要有串行、并行、d m a 及双口r a m 四种方式。综合各 种通信方式的优缺点，考虑到铁路信号检测系统实时性高、数据量大的特点，本测试仪 以双hr a m 器件c y 7 c 0 2 8 作为共享存储器，通过双机握手信号实现数据传递。 2 3 1 双机通信规程 l p c 2 2 1 0 与t m s 3 2 0 v c 3 3 均为3 2 位处理器，c y 7 c 0 2 8 为1 6 位处理器，冈此一 个3 2 位字需要分两次读写。本文使用该芯片的中断握手信号实现双机通信，规程如下： ( 1 ) c p u l 将数据写入约定好的地址内。假设c p u l ( 左侧c p u ) 是d s p ，c p u r ( 右 侧c p u ) 是a r m 。 ( 2 ) 在c y 7 c 0 2 8 的f f f f 地址下写数。此时，右侧i n t r 产生中断至a r m 。 l o 北京交通大学硕士学位论文第2 章铁路信号测试仪的方案设计及硬件结构 ( 3 ) c p u r 再次在f f f f 地址下写数，清除中断i n t r 。 ( 4 ) c p u r 进入其相应的中断服务子程序，将约定地址单元的数据读出。 地址f f f f 被称作是右侧邮箱，类似的f f f e 地址被称作是左侧邮箱。c p u r 将数 。 据传递给c p u l 时的通信规程类似。 2 3 2 硬件接口设计7 耵 嚣譬 二蓐譬蓐譬譬蓐 塞 ? 5 磊暑譬幡惭擀 ： ：t o 囊p j ：“ “ ，；1 - ； i _ + 名蛊宴曩寒葛骞主毫呈睦匠暑熏匿匡饔鬈鬓鹱鹱曩藿，r ； a i o l 崔笛 a i o r ! ： j ：t t j ； j + r， ，+ ：； ： 。 ；， ： 。； 鬣n 廷 z + 。 r 、产专 s e m l l lc s e m r 2 8 一c e i r 。： ，t tp 矗6 落l ，i ：。k ：；。，匕”戳嚣砘 ， l 甜百丽藩一 7 0 ，：弋矿一 t。“ 一 -，一。；。 1 8i ；一，”2 一6 。：， d 1 4 2 l 7 ，。一。_ _ 。- _ _ _ 。一，- ； ? +d 1 3 2 2 ”。“6 ：二_ 7 。罚r s 磷 d l l2 4 t i 8i “ ：坶2 5 罐涮型i g i 熊篓篓蠖燮 虫k 阁基基b b 基净b 基 鼍专墨粤鼍暑专 号毒皇k ：； l ?2 一 y o 洼：并一吕曼 。：、蔓! ：；。一：。? 1 ， ： by 1 1 63 cy 2 y 3 1 4 y 4 i 嘶 e 1y 5 l ：2y 6 v c c6 v e 3y 7 图2 1 硬件接口 f i g u r e2 - 1h a r d w a f ei n t e f a c e r 完整的电路图见附录a ，这里仅对图2 1 做简要说明。 c y 7 c 0 2 8 的连续地址区域为4 0 0 0 0 h 4 f f f f h 。由于0 0 0 0 0 h 3 f f f f 为s r a m 地址 区域 片选 ，因此a 1 6 a 1 8 地址线通过7 4 l s l 3 8 译码器控制c y 7 c 0 2 8 的一个片选端。另一个 端由t m s 3 2 0 v c 3 3 的p a g e o 引出。c y 7 c 0 2 8 的左侧接v c 3 3 ，右侧接a r m 2 2 1 0 。 北京交通大学硕士学位论文 第2 章铁路信号测试仪的方案设计及硬件结构 2 4电气规程及时序1 1 1 2 4 1引脚电气规程 本文选用的双口r a m 型号为c y 7 c 0 2 8 1 5 ，这款双口r a m 的最人访问时间为 1 5 n s ，芯片工作电压为+ 5 v 。端口的电气规程如表2 1 所示； 表2 - lc y 7 c 0 2 8 1 5 端口电气规程 t a b l e2 - lp o r te l e c t r i c a lr u l eo f c y 7 c 0 2 8 15 c y 7 c 0 2 8 1 5 s y m b o l p a r a m e t e r u n i t m i nm a x v o h o u t p u th i g hv o l t a g e 2 4v v o l o u t p u tl o wv o l t a g e o 4v v i h i n p u th i g hv o l t a g e 2 2v v i l i n p u tl o wv o l t a g e o 8v v c 3 3 引脚的电气规程如表2 - 2 所爪： 表2 2v c 3 3 引脚电气规程 t a b l e2 - 2p i ne l e c t