（电路与系统专业论文）基于DSPBIOS的轨道信号分析系统的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

中文摘要 摘要：随着我国铁路列车运行速度不断提高，机车信号已经逐渐趋于主体化。主 体化机车信号最重要的任务就是接收来自轨道上的轨道信号。实时、可靠地鉴别 轨道信号的信息，是保障列车安全运行的重要环节。 目前国产的机车信号主要基于早期的d s p 芯片和传统软件开发模式，不能完 全满足实时性需求，且开发难度大、周期长，不利于成本控制。因此需要研究一 种既能够满足实时、高可靠性要求，又能降低开发难度，增强软件可移植性的轨 道信号分析系统，为机车信号的更新换代提供开发平台。 本文利用t e c h v6 7 2 0 硬件平台和实时操作系统d s p b i o s 构建了一个新型的 轨道信号分析系统。该系统的核心处理器采用了t i 公司的高性能浮点d s p t m s 3 2 0 c 6 7 2 0 ，软件设计基于实时操作系统d s p b i o s 架构，通过对配置文件的 编写，将加窗、f f t 、i f f t 、z f f t 等数字信号处理算法以及采用相位推算法和频 率推算法的轨道信号的解调程序以软件中断和任务线程的模式交由操作系统进行 管理和调度，按优先级顺序执行，具有很高的实时性和可靠性。 系统还具有实时信息显示功能，采用r t d x 传输模式实现了d s p 与上位机的 数据通信，基于v c + + 6 0 开发的显示界面直观友好。 新型的轨道信号分析系统能够实时、高可靠性地检测轨道信号，为机车信号 的更新换代提供了良好的开发平台。在机车信号主体化趋势下，具有重要的现实 意义和实用价值。 关键词：轨道信号；实时解调；t m s 3 2 0 c 6 7 2 0 ；d s p b i o s 分类号：t n 9 1 1 7 2 a bs t r a c t a b s t r a c t ：a st h es p e e d i n go fc h i n e s er a i l w a yt r a i n ，t h ec a bs i g n a ls y s t e mh a s g r a d u a l l yb e c o m ep r i n c i p a l t h em o s ti m p o r t a n tf u n c t i o no fc a bs i g n a ls y s t e mi s r e c e i v i n gs i g n a l sf r o mt h er a i l r e l i a b l ea n dr e a l t i m ei d e n t i f i c a t i o no ft h er a i ls i g n a l g u a r a n t e e st h es a f e t yo ft h et r a i no p e r a t i o n a tp r e s e n t ，d o m e s t i cc a bs i g n a ls y s t e m sa r em a i n l yb a s e do ne a r l i e rd s pa n d t r a d i t i o n a ls o f t w a r ed e v e l o p m e n tm o d e l 丽t l lal o n gl i f ec y c l e , w h i c hf a i l e dt om e e tt h e d e m a n do fr e a l t i m e , f u r t h e rd e v e l o p m e n ta n dc o s tc o n t r 0 1 t h e r e f o r ean e wk i n do fr a i l s i g n a la n a l y s i ss y s t e mw h i c hn o to n l ys a t i s f i e st h er e q u i r e m e n to f r e a l t i m ea n dh i g h r e l i a b i l i t y , b u ta l s or e d u c e st h ed i f f i c u l t yo fd e v e l o p m e n ta n de n h a n c e st h es o f t w a r e p o r t a b i l i t yi si nn e e dt op r o v i d ead e v e l o p m e n tp l a t f o r mf o ru p g r a d i n gt h ec a bs i g n a l s y s t e m an e wd e s i g no fr a i ls i g n a la n a l y s i ss y s t e mb a s e do nt e c h v 。6 7 2 0h a r d w a r e p l a t f o r ma n dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e md s p b i o si sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r c o r e p r o c e s s o ro ft h es y s t e ma d o p t st ic o m p a n y sh i g h - p e r f o r m a n c ef l o a t i n g - p o i n td s p t m s 3 2 0 c 6 7 2 0 s o f t w a r ed e s i g ni sb a s e do nd s p b i o sr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m f r a m e w o r k t h r o u g ht h ec o n f i g u r a t i o nf i l e s ，e l i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n ga l g o r i t h ms u c ha s a d d i n gw i n d o w s ，f f r , i f 兀，z f f ta n dd e m o d u l a t i o np r o g r a m so fr a i ls i g n a lu s i n g f r e q u e n c ya n dp h a s ee s t i m a t i n gm e t h o da r ec o n f i g u r e da ss w ia n dt s km o d e l ，w h i c h a r em a n a g e da n ds c h e d u l e db yo p e r a t i n gs y s t e m a c c o r d i n gt ot h es e q u e n c eo fp r i o r i t y s c h e d u l i n g , t h i ss y s t e mh a sh i g hr e l i a b i l i t ya n dr e a l - t i m ep e r f o r m a n c e t h i ss y s t e mi sb a s e do naf r i e n d l yv i s u a lu s e ri n t e r f a c ew h i c ha d o p t sr t d x t r a n s f e r r i n gm o d ea l l o w i n gr e a l - t i m ed a t at r a n s f o r m i n gb e t w e e nd s pa n dt h eh o s t c o m p u t e r t h en e wr a i ls i g n a la n a l y s i ss y s t e mp r o v i d e sap l a t f o r mf o r t h eu p d a t ea n d d e v e l o p m e n to fc a bs i g n a ls y s t e mb e c a u s eo fi t sr e a l t i m ea n dh i 曲r e l i a b i l i t yo f d e t e c t i n gr a i ls i g n a l i t s o fp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e a n de m p i r i c a lv a l u ea st h e d e v e l o p m e n to f c a bs i g n a ls y s t e m k e y w o r d s ：r a i l w a ys i g n a l ；r e a l t i m ed e m o d u l a t i o n ；t m s 3 2 0 6 c 6 7 2 0 ；d s p b i o s c l a s s n o ：t n 9 1 1 7 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是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做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名套倒签字蹶 年6 月7 ) e t 学位论文版权使用授权书 本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， 提供阅览服务，并采用影印、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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名鸯博、 签字日期：三研年易月2 日 粕中 国、。鼍r 年 召邓 ， 铱 劫 签 期 师 日 导 字签 致谢 本论文的工作是在我的导师邵小桃副教授的悉心指导下完成的，邵小桃副教 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。在此衷心感谢两 年来邵小桃老师对我的关心和指导。 邵小桃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，在此向邵小桃老师表示衷心的谢意。 邵小桃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。感谢邵老师在研究生阶段帮我创造了学习的条件和空间，孜孜不倦 的教诲使我终生受益。 我就读研究生期间，杜普选老师、闻跃老师、马庆龙老师、孔勇师兄也都给 予了我悉心的指导和无微不至的关怀。他们扎实的理论知识、丰富的工程经验和 开阔的思维给了我极大的启示和帮助。在此，我向他们表示诚挚的敬意和衷心的 感谢。尤其感谢杜普选老师对我论文中轨道信号分析理论的指导。 在实验室工作及撰写论文期间，王雪丽、张琳娟、汤钟雷、肖春梅、胡华增、 张西峰、魏翊、敖乃祥等同学对我论文中的系统构成研究工作给予了热情帮助， 在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 1 引言 1 1 研究背景 我国铁路实施第6 次提速以来实现了六大干线速度达到2 0 0 k m h ，并正在设计 和建设多条3 5 0 k m h 客运专线。提速对机车信号提出了更高的要求，使信号技术 发生了重大变革。 铁路第1 次提速冲击了铁路信号的传统概念，快速客车最高速度突破了 1 2 0 k m h 的界线，推动铁路信号向速差式信号显示和四显示自动闭塞发展，加速了 机车信号主体化进程。第2 次提速达到1 6 0 k m h ，形成了一个标准速度等级，是铁 路信号发展的一个重要里程碑。列车最高速度超过16 0 k m h 的铁路区段必须采用 列车运行控制系统，以车载信号显示为主，实现列车超速防护。第6 次提速六大 干线将达到既有线最高速度2 0 0 k m h 。列车运行速度提高，列车运行控制系统成为 铁路信号系统的核心设备，铁道部组织编制我国列车运行控制系统( c t c s ) 的技 术规范，着手全力发展和装备列车运行控制系统。 随着列车运行控制系统和列车运行调度系统的推广运用，我国铁路信号从以 车站联锁为中心向以列车运行控制系统为中心转化；列车运行调度指挥从调度员、 车站值班员、司机三级管理向实现由调度员直接控制移动体转化；列车运行由以 人为主确认信号和操作向实现车载设备的智能化转化；区间闭塞由固定闭塞方式 向准移动闭塞方式转化；信号显示制式向速差式和速度式转化；计算机技术、数 字化技术和基于通信技术的信号系统应运而生。 1 2 国内外铁路信号技术的现状和发展趋势 2 0 世纪9 0 年代以来，在世界范围内掀起了一个轮轨高速铁路建设新高潮，其 特点集中表现在高速度、高舒适度、高安全度和高效率。目前全世界新建成的轮 轨高速铁路已达4 0 0 0 多公里，正在建设的有3 0 0 0 多公里，高速列车营业服务范 围超过1 0 0 0 0k m 。高速铁路的信号系统集中反映和代表了铁路信号的发展方向， 推动铁路信号实现集中化、网络化、自动化和智能化，铁路信号系统的新产品和 新设备层出不穷，展现一派蓬勃发展的新局面。 高速铁路信号系统主要由列车运行控制系统、联锁系统和行车指挥系统 ( c t c ) 构成，其中列车运行控制系统是高速铁路信号系统的核心，实现由调度 控制中心对移动体( 列车) 的直接控制。c t c 系统是综合调度系统的核心子系统。 现代综合调度系统一般为分布式结构，采用集中管理、分散控制的模式，将列车 运行计划传送给区域控制中心( 车站) ，由区域控制中心( 车站) 执行。列控系统 地面设备和车站联锁系统主要实现联锁控制功能，并生成列车控制所需基础数据， 将地面控制信息传送给列控车载设备进行处理，生成列车速度控制曲线，监督控 制列车安全、高速运行。 2 0 世纪8 0 - - - 9 0 年代发达国家铁路纷纷发展具有本国特色的综合运行自动化管 理系统，并首先在高速铁路上应用。日本的c o s m o s 系统比较具有代表性，综合 了计划、行调、电调、客调、动车调度、设备管理、综合维修为一体。法国每条 高速线设一个控制中心，全国设立国家指挥中心、动车管理中心和设备维修管理 指挥中心，协调全国高速铁路的运行。目前法国铁路调度指挥正由分散管理向集 中管理发展。德国高速铁路与既有线共同管理。对全路的行车调度和行车控制实 现一元化( 集中化) 和自动化，建立7 个区域行车控制中心，管理全路约1 6 0 0 0 k i n 主要线路的列车运行。 欧洲铁路运输管理系统( e r t m s ) 是为了适应欧洲铁路互联互通的目的，符 合兼容性要求而开发的，它集联锁、列控和运行管理于一体。欧洲列车控制系统 ( e t c s ) 是对铁路列车控制系统多年来发展和实践的正确总结，并且面向未来。 e t c s 系统从2 级开始，采用g s m r 移动无线传输机车信号和列控信息，而且实 现了闭塞、列车控制、通信( g s m r ) 乃至行车控制中心的一体化( 无线列控系 统) ，设备的大部分从地面转移到了车上。e t c s 系统是迄今为止在真正意义上实 现一体化的信号系统，突破了传统信号各自独立发展的模式，而且不是现有系统 简单的综合。e t c s 1 级至3 级的发展轨迹，特别是从2 级到3 级的发展，从固定 闭塞向移动闭塞的发展将大幅度提高既有线路的通过能力，列车也将成为智能化 列车。 在运输市场激烈竞争的压力下，各国铁路，特别是发达国家铁路为实现提速、 高速和重载运输，积极引进采用新技术，大幅度提高现代化通信信号设备的装备 水平，新型技术系统不断涌现。随着计算机技术、微电子技术和新材料的发展，“故 障一安全 技术得到了飞速发展。高可靠性、高安全性的“故障一安全 核心设 备出现了“2 取2 、“2 乘2 取2 和“3 取2 等不同结构形式，其同步方式有软 同步和硬同步1 】【2 】。 相对于西方发达国家，我国铁路事业起步晚、发展慢，可以说，直到“七五一 期间，才真正步入现代化进程。移频制式自动闭塞系统( 将载频信号用低频基带 调制信号控制，向轨道输送不同频率的信号，构成移频轨道电路) 以其适应性广、 信息量多、抗干扰能力强、应变速度快、既可分散又可集中的优点从长期并存着 2 的交流电码和相频制式中脱颖而出而被广泛采用，不仅装备数量上有了明显的增 长，几乎占全路自动闭塞总里程的一半，而且质量上也有了明显的提高。在“八五” 期间，1 9 8 9 年8 月铁道部又正式与法国c s e e 公司签定自动闭塞系统及机车设 备供应合同和自动闭塞系统及机车信号专有技术许可证合同，引进法国高速 线上使用的u m 7 1 和t v m 3 0 0 系统。法国u m 7 1 是多信息、无绝缘轨道电路移频 自动闭塞系统。 铁路提速推动了信号技术的跨越式发展，我国信号技术的发展坚持了引进、 消化、吸收和自主创新相结合的原则，符合国际信号技术发展的趋势，并具有我 国特色。铁路先后进行的6 次大规模提速，为铁路信号带来了良好的发展机遇。 铁路信号技术装备不仅在数量上有了大幅度的增长，而且在技术含量上也有了明 显的提升，d s p 技术的研究和应用一定程度上实现了铁路信号技术设备的更新换 代。提速道岔分动、多点牵引、外锁闭转换设备全面上道，大号码道岔的运用有 了信号配套，车站计算机联锁得到规模发展；新一代z p w - 2 0 0 0 系列无绝缘轨道电 路大规模应用，四显示自动闭塞迅速推广；主体机车信号系统的标准制定，全路 机车信号信息定义已经逐步统一，主体机车信号车载设备研制成功；我国列车运 行控制系统( c t c s ) 技术规范总则和c t c s - 2 级技术条件已经发布，自主研制和 技术引进工作正在实施；全路运输调度指挥系统( ) c s ) 工程在继续全面实施， 新一代智能型调度集中( c t c ) 技术条件已经发布，多段线路已经开通。 列车运行时速的不断提升给作业与维修带来了巨大的变化，行车对机车信号 的依赖从可有可无转变为不可或缺，依赖程度与日俱增，a t p 直接参与控车，再 也不是“参考信号。当时速达到2 0 0 k i n 及以上时，靠肉眼看地面信号进行控车已 不现实。在高速区段，机车信号成为主体信号已是不争的事实，即便在一些支线， 机车信号也已逐步被等同于主体信号看待。伴随提速区段c t c s - 2 级系统的上道运 用及机车交路的进一步延伸，机车信号已经冲出局部，走向全国，运用幅度之大， 范围之广，前所未有，而故障时的影响程度也将大不相同。可以预见，机车信号 逐步取代地面信号将指日可待【3 】。 1 3r t o s 和d s p 技术的发展及其在轨道信号系统中的应用 实时操作系统( r t o s ) 是当今流行的嵌入式系统的软件开发平台。在铁路、 航空航天以及核反应堆等安全性要求很高的系统中引入r t o s ，可以有效地解决系 统的安全性和嵌入式软件开发标准化的难题。基于r t o s 开发出的程序，具有较 高的可移植性，实现9 0 以上设备独立，从而有利于系统故障一安全性的实现。 数字信号处理( d s p ) 技术由于计算机、专用处理设备如d s p 处理器和专用 3 集成电路( a s i c ) 的大力发展在信号分析、图像处理、语音识别等领域得到了更 加广泛地应用。开发出的设备具有灵活、精确、抗干扰强、设备尺寸小、造价低、 速度快等突出优点。 1 3 1 实时操作系统( i 淝s ) 技术的发展现状 实时多任务操作系统( r e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ，r t o s ) 是目前嵌入式应 用领域的一个发展倾向。过去一个单片机应用程序所控制的外设和履行的任务不 多，采取一个主循环和几个顺序调用的子程序模块即可满足要求。随着应用的复 杂化，一个嵌入式控制器系统可能要同时控制监视很多外设，要求有实时响应， 有很多处理任务，各个任务之间有多种信息传递，如果仍采用原来的程序设计方 法存在两个问题。一是中断可能得不到及时响应，处理时间过长，这对于一些控 制场合是不允许的；二是系统任务多，要考虑的各种可能也多，各种资源如调度 不当就会发生死锁，降低软件可靠性，程序编写任务量成指数增加。 实时操作系统是一段在嵌入式系统启动后首先执行的背景程序，用户的应用 程序是运行于r t o s 之上的各个任务，r t o s 根据各个任务的要求，进行资源( 包 括存储器、外设等) 管理、消息管理、任务调度、异常处理等工作。在r t o s 支持 的系统中，每个任务均有一个优先级，r t o s 根据各个任务的优先级，动态地切换 各个任务，保证对实时性的要求。工程师在编写程序时，可以分别编写各个任务， 不必同时将所有任务运行的各种可能情况记在心中，大大减小了程序编写的工作 量，而且减小了出错的可能，保证最终程序具有高可靠性。 r t o s 体现了一种新的系统设计思想和一个开放的软件框架，工程师可以在无 需大量变动系统其它任务的情况下增加或去掉一个任务；一个项目开发的过程中， 可以有多个工程师同时进行系统的软件开发，各个人之间只要制订好规程和协议 即可，既缩短了开发时间，又降低了最终软件产品对于具体某个开发者个人的依 赖性。为r t o s 设计的成熟和通用的任务可以以库函数的形式供其它人继续利用， 和c 语言的设计思想一致。因此可以说r t o s 是嵌入式软件的编写从“小生产方 式”进入“大生产方式”的必然产物。 实时操作系统( r t o s ) 的研究是从六十年代开始的。从系统结构上看，r t o s 到现在已经历了如下三个阶段： ( 1 ) 早期的实时操作系统 早期的实时操作系统，还不能称为真正的r t o s ，它只是小而简单的、带有一 定专用性的软件，功能较弱，可以认为是一种实时监控程序。它一般为用户提供 对系统的初始化管理以及简单的实时时钟管理，有的实时监控程序也引入了任务 4 调度及简单的任务间协调等功能，属于这类实时监控程序的有r t m x 等。这个时 期，实时应用较简单，实时性要求也不高。应用程序、实时监控程序和硬件运行 平台往往是紧密联系在一起的。 ( 2 ) 专用实时操作系统 随着应用的发展，早期的r t o s 已越来越显示出明显的不足了。有些实时系 统的开发者为了满足实时应用的需要，自己研制与特定硬件相匹配的实时操作系 统。这类专用实时操作系统在国外称为r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e md e v e l o p e di n h o u s e 。它是在早期用户为满足自身开发需要而研制的，它一般只能适用于特定的 硬件环境，且缺乏严格的评测，移植性也不太好。属于这类实时操作系统的有i n t e l 公司的i m a x 8 6 等。 ( 3 )通用实时操作系统 在各种专用r t o s 中，一些多任务的机制如基于优先级的调度、实时时钟管 理、任务问的通信、同步互斥机构等基本上是相同的，不同的只是面向各自的硬 件环境与应用目标。实际上，相同的多任务机制是能够共享的，因而可以把这部分 很好地组织起来，形成一个通用的实时操作相同内核。这类实时操作系统大多采 用软组件结构，以一个个软件“标准组件构成通用的实时操作系统。一方面， 在r t o s 内核的最底层将不同的硬件特性屏蔽掉；另一方面，对不同的应用环境 提供了标准的、可剪裁的系统服务软组件。这使得用户可根据不同的实时应用要 求及硬件环境选择不同的软组件，也使得实时操作系统开发商在开发过程中减少了 重复性工作。 这类通用实时操作系统，有i n t e g r a t e ds y s t e m 公司的p s o s + 、i n t e l 公司的 i r m x 3 8 6 、r e a d ys y s t e m 公司( 后与m i c r o t e cr e s e a r c h 合并) 的v r t x 3 2 等。它 们一般都提供了实时性较好的内核、多种任务通信机制、基于t c p i p 的网络组件、 文件管理及i o 服务，提供了集编辑、编译、调试、仿真为一体的集成开发环境， 支持用户使用c 、a 斗进行应用程序的开发。 t i 公司的实时操作系统d s p b i o s ： d s p b i o s 是嵌入在t i 公司的d s p 集成开发环境c c s 中的简易实时操作系 统。主要面向d s p 开发领域需要实时调度与同步、主机目标系统通讯、以及实时 监测等应用，具有实时操作系统的诸多功能，如任务的调度管理、任务间的同步 和通讯、内存管理、实时时钟管理、中断服务管理、外设驱动程序管理等。d s p b i o s 是一个尺寸可伸缩的实时内核，它提供了抢占式多线程、硬件抽象、实时分析和 配置工具，在设计上采用了以下一些技术来最小化目标d s p 上的存储器需求和 c p u 开销： 1 ) 所有的d s p b i o s 对象都可以在配置工具中静态建立并被绑定到可执行程 5 序中，不仅减小了代码量，还优化了内部数据结构。 2 ) 监测数据( 如日志和统计数据) 在主机端( 而非目标d s p 端) 被格式化处 理。 3 ) a p i 函数被模块化，因此只有那些应用程序用到的a p i 函数才会被绑定到 可执行程序中。 4 ) 大部分a p i 函数使用汇编语言实现优化，使得其执行所需要的指令周期数 达到了可能的最小值。 5 ) 目标d s p 和主机d s p b i o s 分析工具之间的通信在后台空闲循环中完成， 以确保分析工具不会影响应用程序所要完成的任务。如果c p u 太忙以致不能执行 后台任务时，d s p b i o s 分析工具会暂时停止从目标d s p 接受信息直到c p u 空闲。 6 ) 错误检测所需的存储器和c p u 开销被限制到最小。但作为交换，也引入 了一些a p i 函数调用时的约束，用户应参考a p i 手册中的详细说明，在开发时满 足这些约束【4 】。 基于d s p b i o s 的应用程序开发比起传统的d s p 应用程序开发有了巨大的改 善：第一，对硬件的操作可借助d s p b i o s 提供的函数完成，用户可以避免直接控 制硬件资源，如定时器、d m a 控制器、串口和中断等。第二，基于d s p b i o s 的 程序在运行时与传统程序有很大的不同。传统程序中，用户的程序完成控制d s p ， 软件按顺序依次进行；使用d s p b i o s ，用户的应用程序建立在d s p b i o s 基础之 上，在应用程序调度下按任务、中断的优先级排队等待执行。 1 3 2 数字信号处理( d s p ) 技术的发展现状 2 0 世纪6 0 年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理( d s p ) 技术应运而生并得到迅速的发展。数字化技术正在极大地改变着我们的生活和体 验。作为数字化技术的基石，数字信号处理技术已经、正在、并且还将在其中扮 演一个不可或缺的角色。 数字信号处理以众多的学科为理论基础，所涉及范围及其广泛。例如，在数 学领域、微积分、概率统计、随机过程、数值分析等都是数字信号处理的基本工 具；同时与网络理论、信号与系统、控制论、通信理论、故障诊断等学科也密切 相关。近年来的一些新兴学科，如人工智能、模式识别、神经网络等，都是与数 字信号处理密不可分的。数字信号处理可以说将许多经典的理论体系作为自己的 理论基础，同时又使自己成为一门新兴学科的理论基础。 数字信号处理器是在模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用 处理器，其处理速度比最快的c p u 还快1 0 - 5 0 倍。在当今的数字化时代背景下， 6 d s p 已成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件，被誉为信息社会 革命的旗手。业内人士预言，d s p 将是未来集成电路中发展最快的电子产品，并 成为电子产品更新换代的决定因素，它将彻底变革人们的工作、学习和生活方式。 从1 9 7 9 年i n t e l 公司发明2 9 2 0d s p 芯片以来，到目前为止，世界上能够生产 d s p 芯片的公司有十几个，其中主要公司有美国德克萨斯州仪器( t e x a s i n s t r u m e n t s ，t i ) 公司、美国模拟器件公司( a n a l o gd e v i c e si n c ，a d d 和美国飞 思卡尔( f r e e s e a l e ) 半导体公司。在众多d s p 芯片中，最成功的是t i 公司的一系 列产品。t i 公司在1 9 8 2 年成功推出第一代d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 及其系列产品 t m s 3 2 0 1 l ，刑s 3 2 c 1 0 c 1 4 c 1 5 c 1 6 c 1 7 之后，不断推陈出新，相继产生了多种 型号的d s p 。目前，1 r i 公司将其d s p 芯片归纳为三大系列，即t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系 列c 5 0 0 0 系列c 6 0 0 0 系列( 简称c x x x x ) 。如今，r i 公司的系列d s p 产品已经成 为当今世界上最有影响力的d s p 芯片，该公司也成为世界上最大的d s p 芯片供应 商，其d s p 市场份额占全世界的近5 0 。 a d i 公司也占有一定的d s p 芯片市场份额，并相继推出了一系列具有自己特 点的d s p 芯片。其定点d s p 芯片有a d s p 2 1 0 1 2 1 0 3 2 1 0 5 ，a d s p 2 1 1 1 2 1 1 5 ， a d s p 2 1 6 1 2 1 6 2 2 1 6 4 和a d s p 2 1 7 1 2 1 8 1 ，浮点d s p 芯片有a d s p 2 1 0 0 0 2 1 0 2 0 和 a d s p 2 1 0 6 0 2 1 0 6 2 等。 自1 9 8 0 年以来，d s p 芯片得到了突飞猛进的发展，d s p 芯片的应用越来越广 泛。从运算速度来看，m a c ( 一次乘法和一次加法) 时间已经从2 0 世纪8 0 年代 初的4 0 0 n s ( 如例s 3 2 0 1 0 ) 降到1 0 n s 以下( 如t m s 3 2 0 c 5 4 x 、t m s 3 2 0 c 6 2 x x 6 7 x x 等) ，处理能力提高了十几倍。d s p 芯片内部关键的乘法器部件从1 9 8 0 年的占模 片区( d i ea r e a ) 的4 0 0 , 4 左右下降到5 以下，片内r a m 数量增加一个数量级以上。 从制造工艺来看，1 9 8 0 年采用的4 u m 的n 沟道m o s 工艺，而现在则普遍采用亚 微米( m i c r o n ) c m o s 工艺。d s p 芯片的引脚数量从1 9 8 0 年的最多6 4 个增加到 现在的2 0 0 个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性的增加，如外部存储器 的扩展和处理器间的通信等。此外，d s p 芯片的发展使d s p 系统的成本、体积、 重量和功耗都有很大程度的下斛习。 1 3 3r t o s 和d s p 技术在轨道信号系统中的应用 在铁路这样恶劣工作环境下的设备，对系统安全性、可靠性、可用性的要求 更高，必须使用安全设备，以保证系统能安全、可靠、不间断地工作。而安全设 备系统的软件核心就是r t o s 。目前，英国的西屋公司( w e s t i n g h o u s e ) 已经在列 车运行控制系统中采用了r t o s ，瑞典也有很多铁路通信和控制系统采用o s e 实 7 时操作系统。 数字信号处理技术( d s p ) 的出现为铁路信号信息处理提供了很好的解决方法。 随着数字信号处理技术的新发展，在铁路信号处理中引入了新的实用技术，如 z f f t ( z o o m f f t ) 、小波信号处理技术、现代谱分析技术等。 目前，我国的轨道电路的信号发送、接收以及机车信号的接收普通采用了数 字信号处理技术，日本的数字列车自动控制( a t c ) 和法国u m 2 0 0 0 数字编码轨 道电路也都采用了数字信号处理技术。 英国铁路早在2 0 世纪6 0 年代久开始研究a t c 系统，主要采用列车自动防护 ( a r p ) 系统和自动驾驶( a t o ) 系统。a t p 系统由轨道子系统和列车子系统组成， 其中轨道子系统负责生成编码信息，从轨道向车上发送；列车子系统根据轨道、 信号和距离等数据计算出允许的速度和自动速度，如果从转速表获得的实际数据 超过允许值，则通过指示系统向司机报警，然后采取制动措施。具有代表性的是 西屋公司的a t p 系统和a t o 系统，并先后在新加坡地铁、香港地铁和北京一线地 铁被采用。 西门子公司是世界上最早投入铁路信号研究领域的厂商之一，早在1 9 6 5 年就 研制出第一套可以控制时速高达2 0 0 k m 的列车的l z b 系统并投入使用。1 9 8 8 年西 门子公司研制成功了以l z b 车载设备为主的行车控制方法，取消了区间地面信号 机。随着微电子技术和数字信号处理技术的飞速发展，高集成度的芯片不断出现， 为机车信号的发展也提供了良好的机遇。在多年研究的基础上，西门子成功研制 出目前最完善的应用d s p 的车载信号系统l z b 7 0 0 ，其中包括a t p 和a t o 两部分， 核心芯片采用8 0 年代流行的t i 公司生产的t m s 3 2 0 c 2 5d s p 处理器。 1 4 问题的提出 由于观念、体制、科研力量等诸多因素，我国对机车信号的研究起步较晚， 与发达国家相比存在较大差距。目前世界上先进的机车信号系统都采用了d s p 和 r t o s 技术，而我国直到第三代机车信号s j 型数字化通用式机车信号的研制成功， 才实现了d s p 在我国铁路信号中的应用，因此，d s p 真正进入中国铁路信号领域 也就是1 9 9 4 年至今十几年的时间，r t o s 技术也并没有得到广泛应用。 通过引进、吸收国外的先进技术，国内机车信号水平有了很大提升，并拥有 了具有自主知识产权的机车信号车载和记录系统，如j t i c z 2 0 0 0 型和j t - c r 2 0 0 0 型机车信号记录分析系统，广泛采用了t i 公司的t m s 3 2 0 v c 3 3 浮点处理器，在信 号制式和轨道信号实时解调上基本满足国内铁路运输的要求。但随着d s p 芯片的 发展，只能基于传统软件开发模式的v c 3 3 处理器已经被更高性能，且支持实时操 8 作系统内核d s p b i o s 的c 6 0 0 0 系列( 如t m s 3 2 0 c 6 7 2 x ) 所替代。基于操作系统 的软件开发所具有的优势也越来越明显。全国铁路提速和高速铁路的大力发展， 对机车信号以及车载系统的可靠性和实时性要求日益苛刻，基于传统的开发模式 已经不能满足系统更新换代的需要。 本文讨论了一种基于d s p b i o s 实时操作系统的轨道信号分析系统，采用新型 的高性能浮点d s pt m s 3 2 0 c 6 7 2 0 芯片硬件平台，旨在解决铁路信号分析实时、高 可靠性的要求，满足我国机车信号车载系统更新换代的需求。 1 5 本论文的组织结构 本文分为六章，其中： 第一章介绍了本文的研究背景和国内外铁路信号技术的发展现状；同时介绍 了实时操作系统和数字信号处理技术的最新进展及其在轨道信号系统领域的应 用；分析了我国自主研发机车信号系统所面临的问题，并提出本文的解决方案。 第二章对国内现有的铁路信号制式进行了介绍，同时列举了在轨道信号检测 和处理领域的基本方法，为论文进一步阐述做铺垫。 第三章主要介绍了轨道信号分析系统的硬件构成，包括信号的采集、处理和 上位机显示设计，给出了硬件框图。 第四章详细介绍了基于d s p b i o s 的系统软件设计，对c c s 开发软件和实时 操作系统内核d s p b i o s 的使用作了详细说明，给出了其中关键部分的程序设计。 第五章是轨道信号解调算法的设计，给出了国产移频信号的解调程序流程图 和实验数据。 第六章对论文取得的成绩进行了总结，对下一步的工作进行了展望。 9 2 铁路轨道信号及信号处理技术 轨道信号承载了行车信息，具有反映前行列车的位置，决定各信号机的显示， 为列车运行提供行车命令等职能。轨道信号由轨道电路进行传输，在接收端由车 载设备进行检测和信息译解。在轨道信号的检测技术中广泛运用了d s p 技术，由 于频谱分析具有得天独厚的强抗干扰能力，而且多频率调制的信号不适用于时域 解法，所以目前轨道信号的解调基本都以采用频域解法为主的策略。 2 1 国内现有的轨道信号 2 1 1 国产移频信号 移频无绝缘轨道电路中传送的信号是移频键控信号f s k ( f r e q u e n c ys h i f t k e y i n g ) 。移频键控信号实际使用的是相位连续信号【6 】。 移频轨道电路是移频自动闭塞的基础，它选用频率参数作为控制信息，采用 频率调制的方式，把低频调制信号正搬移到较高频率( 载频，：) 上，以形成振荡 不变、频率随低频信号交替变化，波形如图2 1 所示。从图中可看出移频信号的变 化规律，以载频，：为中心，作上、下边频偏移。即当低频信号为低电位时，载频 向下偏移，为石= 一鲈( 称为下边频) ；当低频信号为高电位时，载频向上偏移， 为厶= ，：- i - ( 称为上边频) 。可见，移频信号是受低频信号调制的，上、下边频 交替变化，两者在单位时间内变化次数与低频调制信号频率相同。 ( 1 ) 低频信号 ( 2 ) 整形后的低频信号 ( 3 ) 载频信号 ( 4 ) 调频信号 图2 1 移频信号波形 f i g u r e2 1s i g n a lw a v e f o r mo f f s k 1 0 在轨道电路中传输的信息是低端载频丘一v 和高端载频z + 鲈，载频z 实际 上是不存在的。由于低端载频和高端载频的交替变换接近于突变性的，好似频率 的移动，因此称为移频信号。应用这种移频轨道电路的自动闭塞称为移频自动闭 塞。 国产移频自动闭塞有：4 信息、8 信息、1 8 信息等三种方式。4 信息、8 信息 移频自动闭塞技术落后，安全性差，信息量不足，应变时间过长，抗干扰能力差， 将逐步淘汰。1 8 信息移频自动闭塞是在原移频自动闭塞的基础上，采用微机技术 和数字信号处理技术实现原移频的功能，并增加了低频信息量，该系统在1 9 9 5 年 9 月通过了铁道部的鉴定。目前，1 8 信息移频自动闭塞已在京九线、沪杭线、浙 赣线、襄石线、宝成线、水珠线等多条铁路干线上使用。1 8 信息移频自动闭塞信 息量虽能适应c t c s ( c h i n at r a i nc o n t r o ls y s t e t n 即中国列车控制系统) 的技术要 求，但由于载频选择、调制频偏的固有缺陷，使轨道电路存在传输特性差、邻线 干扰、半边侵入等问题，必须进行技术改造。 国产移频自动闭塞的低频1 8 信息是7h z 、8h z 、8 5h z 、9h z 、9 5h z 、1 1h z 、 1 2 5h z 、1 3 5h z 、1 5h z 、1 6 5h z 、1 7 5 h z 、1 8 5h z 、2 0h z 、2 1 5h z 、2 2 5h z 、 2 3 5h z 、2 4 5h z 、2 6h z ，分别代表1 8 种信息含义；按上行( 载频6 5 0h z 和8 5 0h z ) 、 下行( 载频5 5 0h z 和7 5 0h z ) 交叉排列，频偏为5 5h z ，其频谱能量主要集中 在载频的上、下边频附近，可以躲开5 0h z 工频的奇次谐波干扰。近几年有的路局 又增加了3 0 h z 低频信息。表2 1 是目前国内使用的部分制式的灯码和超速防护码 6 1 。本系统采用京九1 8 信息模式。 表2 1 移频部分信息模式表 一 t a b l e2 1t h ef o r m a t i o no f s h i f t _ f r e q u e n c y _ s y s t e ms i g n a l 低频京九1 8 信息上海8 信息4 1 8 半自闭沪宁4 显示部标0 0 11 9 模式改a1 9 模式 7b - 1 0 1b - 1 0 1 8l 一1 1 0b - 1 1 0b 1 0 1 8 5l - i o il - 1 0 1l - 1 0 1l - 1 0 1l - 1 0 1 9l u - 1 0 1l u - 1 0 1l u - 1 1 0l u 一1 1 0 9 5l - 0 1 0l 0 1 0l - 1 1 0l - 1 1 0l - 1 1 0 1 ll 0 0 1 l - 0 0 1l o o l l - 0 0 1 l 0 0 1 l - 0 0 1 l - 0 0 1 1 2 5l u 0 1 0l u 一0 1 0u - i o il u - 0 1 0l u 一1 0 1 1 3 5l u 0 0 1l u - 0 0 1l u 0 0 1l u - 0 0 1l u - 0 0 1l u - 0 0 1l u - 0 0 1 1 5 u - 1 0 1u - 1 0 1u - 0 1 0u - i o iu - o i ou o l ou - o l o 1 6 5u - 帕1 0u 2 0 1 0 1 2 - 1 0 1u 2 - 0 0 1u 2 - o o lu 2 0 0 1 2 1 2u m 7 1 信号 u m 7 1 信号也是一种f s k 信号，但其调制指数要