（电路与系统专业论文）铁路信号记录分析系统的设计与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

中文摘要 摘要：随着列车运行速度的提高，要求司机按照机车信号指示开车而不看地 面信号，这对机车信号工作的可靠性提出1 0 0 无误差的要求。机车运行过程的状 态监测，对于及时发现和处理信号系统的故障具有重要意义。 现有的信号记录设备因为各种原因无法满足现场需求，难以在铁路市场推广 应用，因此需要开发出一套制式齐全、携带方便、功能完善的新型产品。 本文提出了一种新型铁路信号记录分析系统的设计与实现方法。该系统利用 u s b 2 o 进行数据传输，具有丰富的人机交互功能，能对各种制式的轨道信号进行 解调，并有效克服传统设备笨重的缺陷。文中提出了新型系统的功能和结构框架 并介绍了其硬件实现，给出了系统软件的设计思路和实现方法，最后详细阐述了 数据传输的实现方法和可靠性验证。 在行车安全日益依赖机车信号的背景下，开发一套能可靠工作的铁路信号记 录分析系统具有重要的现实意义和实用价值。 关键词：机车信号；记录分析；数据传输；u s b 分类号； a b s t r a c t a b s l 砒c t w i t ht h e 仃a i l ls p e c di n c r c 硒i l l g ，i t ，sr c q u 沁df o it h em o t o 肌柚t o d r i v ea c c o r d i n g | ot h ed j r c c t i o no fc a b s i 印a l ，r a t h e r t h a l lt h eg r o u n ds i 印a 1 i td e m 觚d s ah u n d r e dp c r c c n tp r c c i s c n e s so ft l l e r c l i a b i l i t y w l l i l em ec a b - s i 印a l w o r l 【i n g m o l l i t o r i n gt h es t a t ed u r i n gc a bm n n i n gi so fv e r yi n l p o n 卸ts j g i l i f i c 柚c cf o i d e t c c t i n g a i i dp r o c c s s i n gt h em a l 量u c t i 伽o fs i g n a ls y s t e m i t sd i f f i 删l tt op 叩u l a r i z et h ep r c s e n ts i 印a lr c i ：0 r d i i l ge q u i p m e n t ，f b ri tc a n t s a t i s f yt h en i l w a yr c q u i r c m e n tw i t hv 州伽sm a n e r s s oi t sd e s i f e df b ran e wp o r t a b l e p r o d u c tw i t h 湖p l e t es i g n a lm o d e s ，p e r f e c tf i i n d i o n an e wd e s i 印觚d 佗a l i z a t i o nm e t h o do ft h er e c o r d i n g 柚d 柚a l y z i n gs y s t e ma b o u t r a i l w a ys i 印a l l i n gi sp r c s e n t e di nt h i sp a p e r ht h es y s t e m ，t h ct m n s m i s s i o no fd a t ai s 啪p l e t e db 弱c do nu s b 2 0 ，t h ef u n c t i o no fm a n - m a c h i n ec o n v e r s a t i o ni sp e r f c c t ，t h e d e m o d u l a t i o fa l lm o d e sf a i l w a ys i 印a l l i n gi sr e a l i z e d ，狮dt h eu n w i c l d yd i s a d v a m a g c o ft l l e p r c s e n tc q u i p m e n ti s o v e r o o m ee 岱c c t i v e l y h lt h i sp 印e r ，an e ws y s t e mi s p r e s e n t e di l l c l u d i i l gi t sf i l n c i i o n ，s 仇l c t u r c 柚dh a r d w a r cr c a l i z a t i o n ，t h ed e s i g n 柚d 坤a l i z a t i 咖m e t h o do ft l l es y s t e m f 细a r ei si n 仃o d u c c d p nl a s t ，t h er c a l i z a t i o nm e t h o d 柚dr e l i a b i l i t yt e s to fd a t at r 姐s m i s s i i sd e s c r i b c di nd c t 棚 h lt h cb a c k g r o u n do ft r a i nm n n i n gs e c l l r i t yd 印e n d i n g c a b - s i 印a li n c r e 勰i n g l y ， i t ，so fv e r ) ，i m p o n 蛐tp m c t i c a ls i 印i = 丘c 柚c c 柚dv a l u ct od c v e l o pa 、o r k i n gr e l i a b l y r e c o r d i n ga l l d 锄a 1 ) r z i n gs y s t e ma b o u tr a i l w a ys i g n a l l i n g k e y w o r d s ：c a b s i g n a l ；r e c o r d i l l g 锄d 锄l y z i n g ；d a t at r 柚咖i s s i ；u s b c i a s s n o ： 致谢 本论文的工作是在我的导师杜普选副教授的悉心指导下完成的，杜普选副教 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。在此衷心感谢三 年来杜普选老师对我的关心和指导。 杜普选副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向杜普选老师表示衷心的谢意。 杜普选副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示 衷心的感谢。 在我就读研究生期间，闻跃老师、张树德老师、张太生老师、养雪琴老师也 都给予了我悉心的指导和无微不至的关怀，经常不厌其烦的为我解答问题，在此， 我向他们表示诚挚的感谢和敬意! 在实验室工作及撰写论文期间，刘文才、陈丽莉、孙文勇、马庆龙、苏娟、 庄娜、王忠琴、司昱等同学对我论文中的系统设计与实现研究工作给予了热情帮 助，在此向他们表达我的感激之情。 感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。另外， 特别感谢我的男友温彦龙在论文撰写和校对期间给予的大力支持和帮助。 1 1 国内外信号记录仪概述 1 引言 记录仪是获取、转换、处理、记录各种实时数据从而实现对过程实时监测和 事后分析的必备工具。如工业控制现场，存在大量需要处理的原始测量对象，这 些对象大多以非电量的形式存在，如温度、压力、流量、湿度、转速、载荷、转 矩等，如何将这些原始物理量转化为可测量的电量信号，以及如何对这些信号进 行记录、分析、处理、监测和控制，是一个非常复杂的系统工程。 1 1 1 记录仪的发展 记录仪的发展已有几十年的历史。就我国而言，从1 9 5 8 年的第一代电子管式、 集成电路式逐渐发展到现在的智能式记录仪，三十多年来记录仪行业已有较大发 展。随着微电子技术、计算机技术、软件技术和网络技术的高度发展及其在电子 测量领域的应用，记录仪的结构不断发生变革，功能不断完善和加刮。具体体现 在以下几个方面： 智能化。记录仪摒弃传统的记录方式，向数字化发展，出现各种以单片机为 核心的智能化记录仪。智能化记录仪利用单片机来实时采集、存储、显示数据， 并进行事后处理。 网络化。在工业现场领域，由于环境恶劣、条件复杂，需要一台高性能的计 算机作为中心机( 上位机) ，与多台仪表通过通信口组成网络，形成一种分散测量 集中管理的系统。在这个系统中，各职能记录仪表一方面独立完成测量记录任务， 另一方面将数据传给上位机，上位机进行事后处理，并且控制各职能记录仪表。 虚拟化。美国于8 0 年代末推出了虚拟仪表( n u a lh l s t 邝m e n t ) ，它是记录仪表 发展史上的又一场革命。虚拟仪表由加在p c 机上的一组软件和硬件( 关键是软件) 构成，为用户提供虚拟化的可视测量环境。其前面板由显示在c r t 上的一幅高分 辨率图形生成的软面板代替，用户通过键盘、鼠标来操作软面板上的按键、开关 对仪表进行相应操作，而虚拟仪表正是在智能记录仪表基础上发展起来的，近年 来由于计算机软件技术( 包括面向对象技术) 和多媒体技术的迅猛发展，虚拟仪表的 应用范围日益扩大，成为数字记录仪表的一个重要发展方向。 由此可见，智能记录仪成为记录仪表主要的发展趋势，世界上一些主要公司 智能记录仪的产量均已超过模拟记录仪，而且智能记录仪也已历经几代，其技术 性能和用途在不断地发展。 1 1 2 主要应用领域 记录仪表已经广泛应用于工业控制领域，主要包括：汽车行驶、医药、船舶、 飞机和工业现场监测等。 1 汽车行驶记录仪 汽车行驶记录仪俗称“汽车黑匣子”，它的成功应用对于保障车辆行驶安全以 及分析鉴定道路交通事故都有重要作用。 国外对汽车行驶记录仪的认识比较早，2 0 世纪7 0 年代后期，欧洲率先推出机 电模拟式汽车行驶记录仪【2 1 。目前，较为流行的为纸盘机械式汽车行驶记录仪【3 】。 国内对汽车行驶记录仪的认识晚于国外。年代末，几家国营、民营、合资 企业开始着手研制、推广记录仪。虽然我国的研制工作起步较晚，但是无论在安 装、操作、使用方面，还是在电性能、信息记录存储、数据的下传上载等方面， 都比欧盟的起点高1 4 】。我国的产品都为数字式电子设备，能够实时监测并记录车辆 行驶的各种状态信息、有效准确地鉴别驾驶员身份，同时还具备超速报警功能， 具备串行通信接口以及打印输出功能。具有体积小巧、价格合理、使用方便的优 点。 2 动态心电记录仪 动态心电记录仪前身是磁带式记录仪。该记录仪直接记录心电模拟信号，所 记录的信号保真度高，但其机械结构要求精度高，在实际使用中，机械结构的误 差所造成的心电信号失真不可避免。随着半导体技术的发展，现代的动态心电记 录仪几乎都采用电子固态存储设备作为数据记录媒质。近年来，动态心电记录仪 一般采用大容量的数据存储卡，使得数据可以无压缩存储，从而有效解决了因为 数据压缩造成的信号失真。 随着存储器容量的增加，各种记录仪的记录通道数目也在增加，最新研制的 记录仪都有1 2 个通道。心电信号的采样精度也得到提高，有的记录仪甚至使用了 2 0 b i t 的采样精度。现代的动态心电记录仪都使用低功耗的器件，电池容量也得到 大幅度的提高，从而使记录时间明显加长。 小型化、多通道、高精度、高采样率和数据无压缩是动态心电记录仪发展的 一个趋势1 5 1 。 2 1 2 数字信号分析系统的发展历程 早在2 0 世纪印年代，计算机就开始用于测试领域。那时已有采用计算机的 数据采集系统、测试集成电路、自动测试系统，但由于当时计算机价格昂贵且没 有标准接口，应用不多【6 胴。到了7 0 年代，美国h p 公司发表了h p i b 标准接口 系统，并逐渐成为国际标准。之后又相继出现了逻辑分析仪、频谱分析仪、传递 函数分析仪等专项分析系统。当今比较流行的信号测试和分析仪器有：自动测试 系统( 测试仪器在计算机内部，用通用的标准母线相连) ；智能仪器( 计算机置于 仪器内部，一般用微处理芯片自行设计计算机或用现成的单片机等) ；虚拟仪器( 测 试插件置于计算机内部，外部接扩展口) 。 为了满足信号处理高速数据采集、高精度和实时性的要求，目前国内外的数 字信号分析系统在采用高速、高精度a d 采样的前提下，普遍使用专用d s p 芯片 进行信号的实时处理、数字滤波等，计算机主要处理一些显示、报表打印、信息 存储、后续分析等任务。 随着m e e l 3 9 4 ，u s b 2 0 等高速总线标准的相继问世，信号分析系统已经可以 实现高速可靠的数据通信。由于u s b 接口具有硬件构造简单、价格低廉、传输速 率高、支持热插拔的突出优点，采用u s b 作为信号分析系统的标准总线是大势所 趋1 6 l 。 总体而言，目前数字信号分析系统的发展趋势是：( 1 ) 实时处理；( 2 ) 高分辨率； ( 3 ) 高精度；( 4 ) 功能强大，价格低廉；( 5 ) 小型化、标准化。 1 3 记录分析系统在铁路信号上的应用 如上所言，记录仪和信号分析系统自问世以来，经过不断的技术革新，已经 成功融入了最新的科技成果，在很多领域发挥了非常重要的作用。作为该领域的 从业人员，我们可以发现无论采用何种技术手段，其主体功能并未发生根本变化。 其中，记录仪主要是记录采集的原始信号，而信号分析系统主要对采集的信号进 行具体分析从而得到所需信息。 在铁路领域，无论是信号的记录还是分析，对安全行车都具有重要意义。如 果可以由一台设备成功完成以上两个功能，则必然是铁路设备科技革新的进步。 1 3 1 现有铁路信号记录分析设备 随着列车运行速度的提高，对机车信号可靠工作的要求越来越紧迫。在迷雾 3 天，现有的机车信号已作为行车凭证，司机完全按照机车信号来操纵列车运行， 机车信号己成为重要的行车安全设备。依靠传统的维修经验、手段去维护机车信 号设备，己不能适应提速后的列车安全运行需要，无法及时发现故障隐患并立即 修复，保证列车安全、准点的运行。因此必须研制稳定、可靠的检测设备。 现有的铁路信号记录分析设备能够及时记录轨道信号的波形，有的也能够及 时分析轨道信号的各项技术参数。在这类设备中，有国外进口的记录设备，但价 格昂贵，功能和适应的信号制式不能满足国内铁路现状的需求。国产相关设备的 发展也经历了类似的过程，现有设备除了体积和重量过大、不方便携带之外，功 能也不能满足需求。比如不能实时的传送数据，制式不全等等，因此迫切需要开 发和研究一种制式齐全、携带方便、能及时向外传送数据以及能对机车定位的记 录分析系统。 1 3 2 铁路信号记录分析系统的实现目标 本论文讨论的铁路信号记录分析系统旨在针对中国铁路现状，开发出一套制 式齐全、携带方便、功能完善、价格合理的新型设备。 在制式方面，要求铁路信号记录分析系统能够对目前国内所有的铁路信号制 式识别，真正能在铁路上推广应用。 在记录方面，要求铁路信号记录分析系统提供足够大的存储空间，满足机车 连续运行1 0 0 小时之内都可以无遗失、无压缩的进行数据记录。 在功能方面，要求铁路信号记录分析系统能够使用u s b 2 0 进行数据通信，并 可以用g p s 进行定位。 在操作界面方面，要求铁路信号记录分析系统能够设计出友好、简单易用的 图形化客户端，方便工作人员获取信息和进行必要操作。 在体积方面，要求铁路信号记录分析系统严格控制体积，达到便携式的要求。 1 4 论文的组织结构 本论文提出了一种新型铁路信号记录分析系统，根据国内铁路市场的实际需 求进行了系统的功能设计，并提出了系统的组织框图，完成了下位机的硬件设计， 在同类设备平台下实现了系统数据通信的协调性和可靠性，并编写了图形化客户 端的雏形。 论文在第一章总结了国内外信号记录仪和分析系统的发展情况，以及记录分 析设备在铁路上的应用现状，针对我国铁路实际情况提出了开发新型设备，即铁 4 路信号记录分析系统的问题。 第二章分析了铁路信号记录分析系统的功能需求，确定了系统的设计方案， 并在此方案的基础上从模块化的角度对系统软硬件的构成和功能分工进行了介 绍。 第三章给出了系统的硬件框图，并详细介绍了下位机各功能模块的硬件实现， 给出了电路原理图。 第四章详细设计了系统软件的结构和功能，给出了主要模块的软件流程图， 并对已实现的部分进行了介绍。 第五章是数据通信模块的程序实现，重点介绍了u s b 通信的特点及具体实现， 同时简要介绍了双口r a m 通信的实现，最后对整个系统通信可靠性进行了验证。 第六章对论文取得的成绩进行了总结，对未完成的工作进行了说明。 5 2 系统的整体构成 铁路信号记录分析系统是目前保障列车信号系统安全运行的重要设备。随着 机车运行速度的提高，要求司机按照车载信号指示开车而不看地面信号，这对信 号工作的可靠性提出很高的要求。因此用铁路信号记录分析系统对机车运行过程 的状态进行监测，对于前瞻性地发现和处理轨道信号可能出现的潜在故障具有重 要意义，这也是开发本系统的重要意义所在。 铁路信号记录分析系统旨在实时掌握机车信号和轨道电路的动态运行情况， 进一步提高机车信号设备的运用质量，方便现场对设备故障进行分析处理，最大 限度地压缩故障延时。目前市场上的记录设备体积庞大、功能单一，制约了其推 广使用。新系统兼有传统记录设备的一切功能，同时具有体积小、重量轻、功能 强大、美观实用的优势。 2 1 设计原则 中国铁路的信号体系非常复杂，各个路局使用的信号在制式上不尽相同，甚 至同种信号的含义也不相同，因此国外的信号记录分析系统无法有效地在国内运 用，国内的早期产品也无法完全满足要求，即无法对所有信号制式进行解调，无 法对所有路局的信号含义进行翻译，无法随身携带，无法进行高速信号传输等。 本论文讨论的铁路信号记录分析系统旨在针对中国铁路现状，开发出一套制 式齐全、携带方便、功能完善、价格合理的新型产品。 在制式方面，要求铁路信号记录分析系统尽可能对目前国内的铁路信号制式 识别，真正在铁路上推广应用。现行的铁路信号主要有u - t 、国产1 8 信息移频、 国产4 信息移频、交流计数和t v m 4 3 0 ，其应用的范围各不相同，其中以u - t 和 国产移频两种制式的信号应用最为广泛。本系统设计的解码软件要能够对以上所 有制式的信号进行识别和解调，满足各种信号现场的应用。 在记录方面，要求铁路信号记录分析系统提供足够大的存储空间，满足机车 连续运行1 0 0 小时之内都可以无遗失、无压缩的进行数据记录。传统的记录设备 只是在信号发生突变等情况下进行记录，或者受存储设备的限制对信号进行压缩 后存储，这都在一定程度上影响了现场的还原能力。因此必须提供大容量的存储 方式，满足记录分析系统对存储空间的要求。 在功能方面，要求铁路信号记录分析系统能够使用u s b 2 o 进行数据通信，并 可以用g p s 进行定位。传统的记录设备使用串口进行数据通信，受数据传输速度 6 的限制，难以实现大量数据的高速传输，从而无法对现场信号进行实时显示，以 至信号的故障只能在后期回放分析时发现。本系统采用了u s b 2 0 进行数据通信， 能够将采集的轨道信号实时传输给上位机进行显示。工作人员可以在第一时间掌 握信号的故障和跳变情况，大大压缩故障延时。 在操作界面方面，要求铁路信号记录分析系统能够设计出友好、简单易用的 图形化客户端，方便工作人员获取信息和进行必要操作。 在体积方面，要求铁路信号记录分析系统严格控制体积，方便携带。传统的 记录设备动辄十几斤，在试验、维修、测试和使用中存在诸多不便。 2 2 系统主要功能 铁路信号记录分析系统是一款功能强大的铁路信号设备，它需要在机车运行 时不间断地测试、记录和分析机车信号与轨道电路的相关参数，捕捉机车信号和 轨道电路的一些隐性与瞬间故障，并将这些信息记录下来，为维修人员掌握设备 的动态运用情况、迅速排查故障提供可靠依据；同时，该系统需要有良好的应用 界面，使工作人员能够在第一时间掌握列车运行过程中的信号特征、解码、上灯 等情况，更好地为安全行车提供服务。具体而言，系统需要具备以下功能： ( 1 ) 信号采样功能 本系统可对3 k k 以下的信号进行高速采样，对感应信号以每秒1 6 k 速率采 样( 可软件设置采样率) 。 ( 2 ) 通用轨道信号的测试、分析功能 可对u t 、移频、交流计数和t v m 4 3 0 等制式的信号进行时域和频域分析， 并给出分析的各种瞬时电气参数。 ( 3 ) 记录功能 可以将采集到的轨道信号原始数据、解码结果以及其他的现场数据保存起来， 并能对数据进行有效的管理。 “) g p s 定位功能 本系统集成有g p s 模块，可以实时获得机车运行的具体位置( 以经纬度方式 给出) ，速度等信息，为地图式显示提供条件。 ( 5 ) 信号机和故障定位功能 本系统与机务的1 a x 箱通信，在信号、时间、里程之间建立联系。因此，可 7 以很容易地判定故障和不合格电气参数产生的时间、地点和信号机，并可以 按照信号的特点准确定位信号机。 ( 6 ) 标准信号产生 产生标准的移频、u m 7 1 、交流计数等轨道信号，为系统测试提供便利。 f 7 ) 波形显示功能 提供波形显示界面，用来显示时域波形和频域结果等用户关心的信息。可以 对时域波形进行压缩、伸展、放大、缩小等操作，从而获得良好的视觉效果。 ( 8 ) 统计功能 可按照区段对信号进行统计或对不合格电气参数进行统计。 ( 9 ) 回放和检索功能 回放功能可以方便、连续、快速地回放采集的a d 波形和分析数据。显示回 放时，可以调整回放速度、调整回放方向、压缩或展开波形。还可以根据时 间、信号机或里程检索回放。 ( 1 0 ) 打印功能 显示回放时，暂停回放状态下可以打印出特定时段的a d 波形和解码结果； 在区段统计和不合格电气参数统计完成后，可以打印统计的内容。 2 3 系统的硬件构成 2 3 1 方案选择 根据系统功能需求描述，可以看出，铁路信号记录分析系统的根本功能就是 记录各种信号原始信息，为事后各种数据分析提供基础。目前实现这一功能的方 案主要有以下几种，本节将重点分析各种实现方案特点，并选择最佳方案予以实 施。 方案一：利用工控机加现成的模拟信号采集板来实现。这种现成的模拟信号 采集板市面上很多，如研华公司就有很多现成的产品，但其功能只是实现信号采 集，d 位数一般都是1 2 位，价格也不便宜。针对我们的要求，可以实现数据的 存储，但是解码等功能只能由工控机来实现。在铁路信号记录分析系统中需要进 行大量实时h 叮运算，工控机使用的x 8 6 系列c p u 并不适合。况且工控机一般体 积大，重量大，不适合在机车上使用。该方案的优点是可以利用工控机丰富的软 8 件资源开发出良好的用户接口，方便实现数据检索等功能。 方案二：目前比较流行的嵌入式解决方案可以有效克服方案一的缺点。该方案 可以使用专用的d s p 芯片来进行信号解调，同时也克服了工控机笨重的缺陷。问 题是，按照1 6 k s 的采样率、1 0 0 小时记录时间，假设a ，d 的精度为1 6 位，则单 纯轨道信号的数据存储大概就需要大约1 0 0 3 6 0 0 ，1 6 k ，1 6 8 = 1 1 g b ，同时还有g p s 数据，1 a x 箱数据、解码结果等等需要记录，可见容量还要更大。目前在嵌入式 领域使用最多的大容量存储设备是c f 卡，其容量一般最大为2 g b 。在嵌入式系统 中，为了实现数据检索功能，需要设计一些类似数据库管理的功能软件并实现图 形界面接口，其难度是可想而知的。可见，虽然嵌入式方案的优越性很大，但由 于开发成本太高，在本系统设计中不予采用。 方案三：“便携式p c 机+ 自制记录盒”方案。该方案是在综合比较了以上两个 方案的基础上提出的，也是本系统采用的最终方案。自制记录盒( 以下称为下位 机) 使用d s p + a r m 结构。d s p 实现信号实时采集、解码和传输，a r m 实现其他 信号的采集，如g p s 、援箱等，同时通过u s b 把这些数据传输给便携式p c 机。 该方案的优点表现为以下几方面： ( 1 ) 下位机可以实现信号的实时采集、解调和传输。 ( 2 ) 便携式p c 机拥有大容量硬盘来实现数据存储，只要硬盘的容量足够大，记录 时间将不止1 0 0 小时，大大满足设计要求。 ( 3 ) 便携式p c 机的小型化和轻便化从根本上克服了工控机笨重的缺陷。 ( 4 ) w i n d o w s 操作系统具有广泛的应用群体，其各种开发环境和技术也相对成熟， 可以很容易地实现数据检索等功能，开发出丰富的图形化客户端，缩短开发周 期，降低开发成本。 综上所述，本论文的系统设计就明显分成两大部分：一部分是下位机，包括 硬件设计和软件设计，软件设计分为d s p 的轨道信号解码程序和a r m 的系统管 理程序；另一部分为便携式p c 机上的图形化客户端软件设计。设计上的问题集中 表现为便携式p c 机与下位机之间的数据通信。在后续章节中，将按照一定的顺序 对各部分工作进行系统的介绍。 根据方案三，可以给出系统的基本结构框图如图2 1 所示。每一模块的具体作 用将在下面的章节中分别说明。 9 2 3 2 便携式p c 机 图2 一l 系统的整体硬件构成框图 便携式p c 机是本系统的主控机，用户对于系统的操作几乎全部通过p c 机完 成。 按照采样率1 6 k s ，j d 采样精度为1 6 位计算，则采集的轨道信号的通信速 率最小为1 6 k s 1 6 = 2 5 6 k b ，s ，如果考虑到其他数据，则通信量要大于2 5 6 k t s 。目 前便携式p c 机的通信接口一般为u s b 2 o ，其理论最大通信速率4 8 0 m b s ，因此 满足使用要求，也为日后的系统升级留有足够的余地。 本系统通过u s b 2 0 接口将p c 机与下位机连为一体，p c 机通过u s b 2 0 接口 获取下位机采集到的轨道信号、分析所得的解码结果、以及各种机务电务数据。 通过安装在p c 机上的图形化客户端完成数据的相关操作，包括数据文件的存取、 查看、回放、统计，以及数据库的管理、故障诊断、报表输出等。 p c 机将接收到的数据通过文件的形式存放在硬盘中，由于p c 硬盘具有存储 容量大、速度快的突出优点，因此可以实现对数据连续、不压缩的存储。 2 3 3 信号输入模块 铁路信号记录分析系统引入的外界信号主要包括来自感应线圈的轨道信号、 来自t a x 箱的机务信息、来自g p s 天线的位置信息以及各种开关量。信号输入模 块需要针对以上信号的不同特点提供相应的预处理。 1 0 1 轨道信号 轨道信号是铁路信号记录分析系统记录的核心信息，系统的大部分工作都是 围绕着轨道信号展开的。从感应线圈接收到的轨道信号混有大量噪声，因此在引 入系统之前需要进行信号的放大和滤波处理。另外，本着故障安全的原则，必须 对输入进行隔离，以防止外界故障波及到记录分析系统的安全。 其信号处理框图如图2 2 所示。 图2 - 2a d 信号处理框图 2 t a x 箱信息 系统接收来自1 姒箱的机务信息，包括时间、公里标、速度、车次、机车号、 车站号、区段号、司机号等，利用这些信息可以迅速地定位故障发生的区段。由 于1 舣箱使用r s 4 8 5 通信协议，因此在接入系统前应该进行电平转换。 3 g p s 信息 系统接收来自g p s 模块的位置和速度信息，g p s 以经纬度的方式给出位置信 息，可以利用这些信息实现地图定位。g p s 模块使用r s 2 3 2 通信协议，因此在接 入系统前需要进行电平转换。 4 开关量 铁路信号记录分析系统的一个重要功能就是检测机车信号的解码、上灯操作 是否存在差错，而检测的途径就是输入灯位和超防开关量，与自身的解码结果对 比。如果两者的结论一致，基本上可以排除因机车信号解码失效引发事故的可能 性，这对于快速定位故障有重要意义。开关量的输入采用传统的5 0 v 电流型光电 隔离方式，从而把外界的干扰影响降为最低。 2 3 4 信号处理模块 信号处理模块主要指数字信号处理d s p 芯片以及其外围电路，即电源管理部 分、扩展s m 气m 、看门狗等。本系统中，信号处理模块的功能主要有三方面：一 是采集轨道信号波形，二是进行轨道信号的转换、解调和传输，三是控制d a 转 换芯片进行信号回放。 在系统现场工作阶段，信号处理模块将采集的轨道信号经过数据通信模块传 输到p c 机中，供客户端软件处理和存储。在后期的故障分析阶段，轨道信号经由 数据通信模块传输到信号处理模块进行回放，从而还原现场。另外，回放的信号 还可以当作现场信号供其它系统测试、试验使用，这对于测试、调试系统具有非 1 1 常重要的现实意义。 轨道信号的采集部分直接由信号处理模块控制，两者通过数据和地址总线直 接相连。轨道信号经过隔离、放大、滤波、a ，d 转换后，在信号处理单元中一为 二用，一是由数据通信通道传给系统管理模块，二是进入信号处理模块进行数字 信号的时域和频域运算。本系统在记录的同时进行信号解调，是为了与机车信号 的解调结果对照以排查解码故障。 2 3 5 信号输出模块 铁路信号记录分析系统的输出信息包括回放的轨道信号和发出的标准信号。 本系统设计有信号回放通道，该部分电路由信号处理模块控制，信号源为p c 中保存的轨道信号数据文件。回放时经由系统管理模块、数据通信模块，到达信 号处理模块，然后通过d a 通道进行回放，回放的信号可以作为重要的现场数据 进行系统的调试、检测。信号回放框图如图2 3 所示。 图2 3 信号回放框图 标准信号输出是系统的一大特色，在系统的初期调试阶段，可以直接引用该 信号作为信号源使用。在系统成熟投入现场使用后，可以作为系统检测的信号源 使用。标准信号由系统管理模块控制d d s 器件生成，对于生成的信号通过电压调 节器进行电压调节，从而方便得获得各种幅度的标准信号。其构成框图如图2 4 所示。 2 3 6 系统管理模块 图2 4d d s 信号输出框图 系统管理模块需要协调整个系统的工作节奏，包括获取来自信号处理模块的 轨道信号和解码结果，接收g p s 、 箱、开关量信息，控制d d s 产生标准信号， 控制数据通信模块完成交互工作，以及控制整个下位机的工作逻辑。 系统管理模块接收1 a x 箱、g p s 和开关量信息。1 a x 箱向记录分析系统提供 机务时问、日期、机车号、车次号、车站号、里程、速度等机车运行中的简单信 1 2 息。g p s 可以提供机车所在位置、当前车速等详细信息。开关量包括信号灯状态、 超防等信息。这些信息都是铁路现场的重要数据，机车的动作都可以从中反映出 来，因此铁路信号记录分析系统必须如实地进行记录。 系统管理模块需要管理数据通讯模块，实现下位机与p c 机实时通信。系统管 理模块处于整个数据通信的中间部分，是信号处理模块和p c 机之间的桥梁和纽 带。本系统要求数据传输稳定可靠，绝对不能丢失数据，但是对时间同步的要求 并不严格。 系统管理模块控制d d s 发送标准信号。d d s 用来发送任意频率的f s k 、a s k 、 交流计数等铁路信号，可以在设备测试时直接使用，而无需机车信号测试台，同 时该信号又可以作为某些外部设备的信号源。 2 3 7 数据通信模块 数据通信模块需要完成下位机内部系统管理模块与信号处理模块之间的数据 通信，以及系统管理模块与p c 之间的数据通信。在本系统中，数据通信方式包括 u s b 2 0 通信和双口r a m 通信。 系统管理模块与p c 机之间的数据通信由u s b 2 0 完成，数据内容包括刖d 采 样波形，解码结果以及其它现场技术参数等，这些数据直接影响系统工作正确与 否，因此必须保证数据通信的完整性。 系统管理模块与信号处理模块之间的数据通信由双口r a m 完成。双口r a m 具有独立的地址、数据和控制线，为主从c p u 之间的通信提供了非常便捷的途径。 2 4 系统的软件构成 2 4 1d s p 解码软件 铁路信号记录分析系统加载的解码程序同机车信号的解码程序类似，但指标 略宽，这对于排查故障具有重要意义。在出现故障的情况下，如果记录分析系统 同机车信号的解码结果一致，则基本上可以排除机车信号的故障，继而根据其它 现象寻找故障根源；如果两者的解码结果不一致，则首先应从机车信号解码方面 进行故障跟踪。 d s p 解码软件负责设置信号的采样频率，并对采集到的信号进行数字解码， 以获得与机车控制相关的信息。其主要的技术指标为：数据采样率1 6 3 8 4 h z ，中心 频率分辨率约为0 1 h z ，低频频率分辨率约为0 0 3 1 2 5 h z ，信号幅值精度约3 m v 。 软件结构从功能上包含以下模块： 1 ) 频域制式识别模块，包括交流计数、移频、u t 和t v m 4 3 0 ； 2 ) 时域定性判别模块，包括交流计数、移频、u - t ； 3 ) 硎4 3 0 信号的解调； 4 ) 交流计数译码模块，包括2 5 h z 、5 0 h z 共有3 2 种码型； 5 ) 移频译码模块； 6 ) u t 译码模块； 7 ) 双口r a m 通信模块。 下面，对各软件模块流程进行简要说明。 1 制式识别模块 在对采集的数据进行n 可变换后，分三个频段，对交流计数、移频、u - t 按 照一定的顺序分别进行判断，确定存在何种制式的信号，并建立各种标记。然后 转入相应的模块。 2 交流计数译码模块 交流计数包括2 5 h z 、5 0 h z 的总共3 2 种码型。主要采用删f 1 r 技术对数据进行 处理。从信号灵敏度( 门限) 、码型参数、相关性等几个方面来对信号是否合格进 行判决。 本模块在深入分析了原陇海线等恶劣信号以及在无码区段的大量干扰数据 后，综合确定了各种重要参数，既充分考虑了现场的实际情况，又避免了错误判 决。 交流计数译码模块的处理流程如图2 5 所示。 软件抗混叠滤波 上 降采样 上 调用频域滤波子程序 上 i f f t 调用计码程序 j 调用交流计数 模式识别程序 图2 5 交流计数译码模块流程图 1 4 3 移频及u t 译码模块 按照信号等级和制式进行逐级判断，采用z h 丌技术对数据进行分析，并去除 频谱泄漏。在信号频谱受到污染，混有谐波干扰时，采用抗干扰策略进行进一步 判断。当判断结果收敛时，才认为信号有效。否则判为无码。 具体的译码流程图如图2 6 ，2 7 所示。 图2 6 移频解码程序流图 图2 7u m 7 1 解码程序流图 4 双口r a m 通信模块 将轨道电路的采样数据和解码结果存到双口r a m 中的相应区域中，并根据数 据块的大小置数据块满标志。双口r a m 通信模块的实现将在5 7 节中详细介绍。 2 4 2a r m 系统管理软件 a r m 系统管理软件的主要功能有五方面：一是通过双口r a m 接收来自信号 1 6 处理模块的轨道信号和译码结果，二是将轨道信号和解码结果通过u s b 2 0 送入 p c 机中，三是采用r s 4 8 5 通信接口接收t a x 箱广播的列车运行信息，四是采用 2 3 2 通信接口接收g p s 的定位信息，五是控制d d s 器件生成标准信号。 a r m 系统管理软件从功能上包含以下四个模块： ( 1 ) 1 舣箱和g p s 信息接收、提取和分析模块； ( 2 ) 双口凡数据传输模块； ( 3 ) u s b 通信模块； ( 4 ) d d s 控制模块。 其各功能模块的设计和实现将在后续章节中逐一介绍。 2 4 3 图形化客户端 图形化客户端是运行在p c 机w i n d o w s 操作环境下的软件系统，具有操作简 单，界面友好的突出优点。根据铁路现场和电务段的不同需求，图形化客户端肩 负着对下位机所记录的信息进行后期处理或实时波形显示的任务。 图形化客户端根据不同的工作需求可以分为信号记录模式、模拟回放模式、 信号输出模式、统计处理模式。 在列车运行期间，铁路信号记录分析系统大多处于信号记录模式下。此时， 系统实时记录下位机传来的各种数据，并进行时域和频域数据的图形化显示，列 车的各种状态信息都可以在客户端上方便地查看。同时各种图形化操作功能也处 于可用状态，如波形幅度调整、波形的展缩、暂停和退出等。 在机车非运行状态或者非记录状态下，可以通过模拟回放模式对原有的信号 进行回放，这对于后期的信号分析和处理非常有用。模拟回放只是简单地将保存 的数据文件在图形化客户端上显示出来，此时，图形化客户端设置有相关的功能 帮助用户进行检索。 信号输出模式下，输出内容包括记录信号和标准信号。记录信号输出功能用 来将己记录的数据带到机车信号工区重新输出给机车信号再接收，在室内调试机 车信号。标准信号输出功能用来控制d d s 产生标准的f s k 、a s k 和交流计数信号。 统计处理模式用来将记录数据按照设定的标准进行统计，打印输出相关的统 计报表。 以上功能的具体设计将在4 3 节中详细介绍。 1 7 2 5 本章总结 本章首先阐述了系统设计的原则，并根据铁路现场的实际需求制定了系统功 能表，这是系统后续设计的基础和依据。然后进行了系统设计方案的比较和选择， 在既定方案的基础上，提出了系统的组成框图，最后从模块化的角度对系统软硬 件的构成和功能分工进行了设计。 通过本章的叙述，基本上可以理清系统的功能和主要结构，其具体设计和实 现将在后续章节中逐一展开。 1 8 3 硬件实现方案 在本章中，将重点介绍铁路信号记录分析系统下位机的硬件实现，要求其功 能满足第二章的分析要求，并尽量选用性能匹配的器件。 3 1 设计原则 铁路信号记录分析系统的下位机需要包含第二章所述的各种功能接口，在保 证稳定性的同时尽可能缩小系统体积，同时在性能匹配、功耗估算、接口类型、 成本控制等方面进行权衡。设计的原则主要分为以下方面： ( 1 ) 尽可能选择符合系统设计常规用法的典型电路，为硬件系统的标准化、模块化 打下良好的基础。本系统中的电源模块就是在这一指导思想下选用的，这种设 计既可以避免自行设计可能带来的不稳定因素，提高系统的可靠性；又可以缩 短开发周期，降低开发难度。 ( 2 ) 系统扩展与外围设备的配置水平充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余 地，以便进行二次开发。在本系统中，我们选用的d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 3 3 在 开发应用上已经非常成熟，曾在同类系统中担当了非常复杂的任务。在本系统 中我们将它的任务量进行了分流，部分功能由a r m 来实现，从而为d s p 的后 续扩展留下了足够的空间。另外，a r m 芯片承担的任务量也远远小于其芯片 最大负荷，有利于系统二次开发。 ( 3 ) 硬件结构结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响， 考虑原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。但由软 件实现的硬件功能一般响应时间比硬件实现长，且占用c p u 时间，因此需要 权衡利弊，合理配置。 ( 4 ) 系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。由于本系统需要在铁路现场实际工 作，因此要特别注意功耗问题，设计中全部选用了低功耗的器件。 ( 5 ) 可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分，包括芯片、器件选择、去 耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等，这在硬件设计中也要充分考虑i s j 。 ( 6 ) 外围电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠， 本系统为器件预留了一定的功耗冗余。 3 2 硬件框图 下位机担负着采集、分析、传输信息的重要任务，其主体功能分为以下五部 1 9 分： ( 1 ) 采集接收轨道信号，完成信号的转换、解码和存储，便于与机车信号的解码结 果对照以排查解码故障。 ( 2 ) 接收1 觚箱、g p s 和开关量信息。 ( 3 ) 管理通信接口，实现下位机与p c 机实时通信。 ( 4 ) 控制d d s 发送标准信号。 ( 5 ) 控制d ，a 转换芯片进行信号回放。 通过功能分析可以发现，下位机不但要管理众多的通信接口，控制系统协调 工作，还要对轨道信号进行高速采样和解调。由于信号解调部分是保证机车安全 运行的核心，其信号量大、运算速度高、涉及大量数字信号处理算法和多次h t 运算，这要求承担该任务的c p u 必须具有突出的数字运算能力。另外，系统设计 了下位机与p c 之间通过u s b 接口进行通信，其通信量包括大量的实时波形和频 域解调结果，这要求c p u 能够灵活的控制，保证系统协调性。 从软件实现的角度而言，单一的c p u 很难保证在大量数据运算的同时完成如 此众多的任务，尤其是在没有引入嵌入式操作系统的情况下，任务越多，系统稳 定性和可靠性越得不到保障；从硬件的角度而言，一个c p u 担负上述接口会造成 资源紧张，给系统二次开发带来资源瓶颈。为了保证系统能够安全可靠地工作， 同时为二次开发预留硬件资源，铁路信号记录分析系统的下位机采用了a r m + d s p 的双c p u 方案，两者间的通信由双口r a m 完成。 1 m s 3 2 0 v c 3 3 除了数据总线，对外数据接口只有“帧同步串行接口”，这种接 口是1 r i 公司自己开发的【9 l ，而i j p c 2 2 1 4 上没有这种接口【埘，采用串行通信的方式 将要利用额外的芯片来进行这种时序转换。再者，在a r m 和d s p 之间通信的数 据除了模拟信号外，还有解码结果等非周期性的数据信息，这些数据要和模拟信 号区别开，因此a r m 和d s p 之间的数据通信肯定要通过协议来实现。况且，d s p 也不适合频繁地中断a r m 来进行数据传输，因此选用大容量的双口r a m 几乎成 了唯一的选择。 便携式铁路信号记录分析系统的整体构成框图如3 1 所示。 倒3 一l 硬件系统图 从图3 - 1 可知，铁路信号记录分析系统包括p c 机、下位机和一系列必不可少 的外界资源，其中下位机部分主要由a r m 和d s p 两个子系统构成。系统为g p s 、 1 a x 箱、开关量、