CTCS地面点式应答器的设计

1、 科技信息 博士?专家论坛 CTCS 地面点式应答器的设计 四川成都电子科技大学微固学院 熊向杰 王鲁豫 摘 要点式应答器是一种高速铁路控制系统的关键设备,广泛应用于CTCS(中国铁路控制系统)中。在 DDS 理论的基础上,提出了一种基于DDS 技术的地面应答器设计方案。实践证明,这种设计方案完全适合CTCS 标准,达到了设计要求。 关键词CTCS 标准 点式应答器 DDS 1、引言 近年来,中国铁道部门参考欧洲 ERTMS ETCS 标准制定了适合中国国情的 GMS-R CTCS(中国铁路控制系统)系列技术标准,为中国铁路信号的跨越式发展确定了总体技术方案和总体规划。在 CTCS 标准中,点

2、式应答器作为在特定地点为列车定位和传递地面信息的关键和基础设备而存在,具有不可替代的重要作用1。目前,由于国内的应答器研究刚刚起步,还没有成型的地面应答器产品。铁道部门使用的都是国外的点式应答器系统。引进一个地面应答器需要上万元的资金,全国进行的铁路提速与电气化改造对应答器的需求将是非常巨大的。本项目的研究具有较高的经济与社会价值。 2、CTCS 地面无源点式应答器及 DDS,H)激活,限速各种关键信息。,车的安全运行。,点式应答器对列车的安全运行具有重要意义。 点式应答器工作的电能量来自于列车上发出的功率载波,由于无线电波在空气中的损耗很大,如果地面应答器的功耗较大,会对列车上的功率载波发射

3、系统提出很高的要求,同时带来散热、电磁兼容等多方面的问题。因此,功耗控制就成为应答器设计的一个关键问题。降低系统功耗的主要方法是降低系统的工作电压,使用低功耗的器件以及合理的电路设计等。 另一个关键的问题是实现 CTCS 标准所规定的信号格式。按照标准,应答器数据信号调制方式为 FSK,中心频率为 41234MHZ,调制频偏为282.24KHZ,调制速率为 564.48Kbps。实现 FSK 的方式有很多种,本文介绍了一种基于 DDS 的设计方案。DDS 是 70 年代发展起来的新的频率合成技术,具有传统频率合成技术难以获得的 优点,如频率转换速度快,相位连续和控制方便等,特别适合于点式应答器

4、的设计2。DDS 的主要缺点是杂散噪声较大,可以通过外加滤波器加以滤除。下面简要介绍 DDS 实现 FSK 调制的原理,如下图所示 : :1 或控 2,并对波形存储器(这里是一个正 SINROM)寻址。所得到的数字输出通过 DAC 转化成模拟信号,通过低通或带通滤波器输出。不同的频率控制字 K 导致相位累加器的不同相位增量,使波形存储器输出的正弦波的频率不同,实现了 FSK 调制。 本设计采用的 DDS 芯片 AD9834 是一款专为低功耗应用而设计的 DDS 芯片,其工作电压范围 2.2V-5V。工作参考频率最高可达 50MHZ,最大输出频率为 25MHZ。其内部集成了 28bit 相位累加

5、器,12 位深度 SINROM和 10 位 DA 转换精度。具有极佳的低功耗特性,在 50MHZ 参考频率,3V工作电压的情况下,电流消耗为 1.3mA,消耗功率不足 4mW。在本项目中,以分离出来的 27.095MHZ 的功率载波作为 DDS 的参考频率,其输出带宽大于 10MHZ,符合 CTCS 标准的上行信号带宽要求。 3、系统设计 3.1 设计指标及总体框图本项目的设计指标如下:输入载波:27.095MHz;消耗功率:20dBm(100mW);输出功率:0dBm(1mW);响应时间:1ms。其他设计指标参照 CTCS 地面应答器标准。 总体框图如图(2)所示: 29 科技信息 博士?专

6、家论坛 当列车经过应答器时,列车上发出的 27.095MHZ 功率载波被应答器的接收天线所接收,在应答器内部经过整流、低通滤波形成应答器工作的系统电源。同时,一部分载波被用于形成单片机和 DDS 芯片的系统时钟,单片机的系统时钟为 2.26MHZ,DDS 芯片的参考频率与功率载波的频率相同。单片机负责完成 DDS 芯片和串行 EPROM 芯片的初始化后就进入休眠模式 3,其 ACLK 时钟驱动串行 EPROM 发出报文数据,此报文数据控制DDS 芯片的频率选择端,DDS 芯片根据报文数据为 0 或 1 选择不同的频率控制字,进而形成 FSK 信号。此信号经过宽带天线匹配 3 后由发射天线发出。

7、以下分别介绍几个重要的功能模块。 3.2 电源及时钟模块 从天线得到的功率载波必须经过整流、滤波后转化为直流能量才能供应答器工作。由于工作原理较为简单,故在此只做简单说明:电源模块使用微波二极管 4822 作为整流管,为了保证足够的功率容量,将 3 对二极管并联。使用 PIN 管 2820 作为限幅管,保证整流后的直流电平小于 5V。最后,使用 TPS763125 将带有纹波的直流电平整定为稳定的 2.5V 电平。 另外,功率载波经二极管斩去负周期,并通过限幅电路将正周期电平限制在 3V 以下,就可以得到频率为 27.095MHZ 的时钟信号。将此信号通过反向器整形,并通过计数器 12 分频,

8、就得到了单片机的工作时钟2.258MHZ。计数器及反向器通过一片低功耗 CPLDXC2C32A 实现。 3.3 数字基带信号产生模块 2PROM 是 93AA56,。工作电压可低至 1.8V,500 微安。使用标准 3 线SPI 接口与 MCU 通信,当接收到单片机发出的读指令后,只要片选端(CS)保持为高电平,在每个时钟的上升沿,输出端就按照从高到低的顺序输出指定字节的数据位。当指定字节输出完毕后,地址计数器自动加一,跳至下一字节输出。这样,只要 MCU 指定开始输出的地址,就可以转入其他任务。在本项目中使用的 MCU 是 MSP420F1232。由于工作时钟为 2.258MHZ,指定其 A

9、CLK 输出为 MCLK 4,即为 564.48KHZ,与 FSK 信号的码率相同。将 ACLK 加载到 93AA56 的时钟端,93AA56 即按照 564.48Kbps 的速率串行输出存储于其中的报文数据。当初始化完成后,单片机转入低功耗模式 3(LPM3),由于其 ACLK 信号仍然存在,故 EPROM 的输出不受影响。原理图如图(3)所示。 3.4FSK 信号产生模块 FSK 信号产生模块是点式应答器的核心,其电原理图如图 3 所示。 芯片 AD9834 内部的控制寄存器和频率字寄存器。AD9834 的控制寄存器是一个 16 位的寄存器,包含着控制芯片的许多重要信息。这里只对几个重要的

10、控制位进行简单说明: D13(B28):设置为 0 芯片将频率字寄存器低 14 位自动置 0,在不需要精确频率的场合下,可以提高响应速度。 外部控制选择,为 1 为外部管脚(FS)D9(PIN SW):内部 控制,为 0 为内部寄存器位控制。在本设计中,此位必须设置为 1。 D5(OPBITEN):符号位输出,为 1 时 SIGNBITOUT 管脚输出 DAC 的 MSB,可用于监控 DDS 的工作状态。 D1(MODE):SINROM 是否旁路,为 1,SINROM 旁路,IOUT IOUTB 管脚输出三角波,为 0,输出正弦波。本项目中,此位必须设置为 04。 AD9834 的频率字寄存器

11、中是 28 位寄存器,其中的内容决定了 DDS 的输出频率。通过外部 FS 管脚可以使进入相位累加器的频率字寄存器进行切换。当 FS 上为低电平时,频率字 0 进入累加器进行累加,输出频率 FL;同理,FS 为高时,输出频率 FH。 按照 DDS 论,两个频率器中分别写入 2 和()2200(16),S。输出加载到。 ,其满幅度输 1(FULLSCALEADJUST)上连接的电阻决定。这里使用的是6.8K 电阻,输出电流约为 6 毫安,负载阻抗为 200 欧,故输出信号电压的最大值约为 1.8V。 3.5FSK 信号与天线的宽带滤波匹配模块 实验表明,DDS 输出的 FSK 信号的输出阻抗为

12、200 欧姆,与 50 欧姆发射天线的阻抗并不匹配。因此,需要进行阻抗匹配, 5 使发射天线获得最大发射功率。另外,DDS 输出带有较大的杂散噪声,理论分析和实验都表明最大杂散出现在 8.4MHZ 处2,强度约为-40dBm。因此,必须对 DDS 输出进行滤波。在本项目中,使用 ADS 软件的滤波器匹配工具来实现上述两项目标。匹配滤波器的设计指标如下: 输入阻抗:200 欧姆;输出阻抗:50 欧姆;带通滤波器带宽:3.3MHZ5.2MHZ;带外衰减:2.5MHZ,小于-40dB;6MHZ,小于-40dB;带内纹波:小于 1dB; 图 4 是使用 ADS 软件产生的匹配滤波器电路及仿真结果 。

13、本模块设计的关键点是通过 MCU 的串口正确设置 DDS 4、测试结果及结论 按照本项目设计的点式应答器已制成样机,各项测试结果如下: 功率消耗:18.5dbm(70mW);输出功率 0dbm(1mW);响应时间:0.1ms。各项指标达到了设计要求。图 5 及图 6 分别是输 30 科技信息 博士?专家论坛 出的 FSK 信号波形及频谱图。 本项目的创新点在于首次应用 DDS 技术于点式应答器系统,取得了较好的实验效果。与国外的同类设备相比,本项目的 应答器具有信息容量较大、频率精度高、响应迅速、成本较低等优势,具有较好的应用前景 。 参考文献 1胡东源.GSM-R CTCS 略.中国铁路,2

14、003 年 022,出版社,2005 年 114 李向红,.铁道,10 月 7 4D2.2Vto5.5VMZS2003 ,肖辉.天线宽带匹配网络的设计与计算.西安电子科技大学学报,1999年 12 月第 26 卷第 6 期 30-34 (上接第 32 页)不仅从理论上对课程、实验内容、学科某领域当 前的发展状况有了较深的理解和认识,而且也学会了面对一个课题应该怎样开始,怎样根据实际情况和科研要求从众多实验方法中进行取舍,怎样设计实验方案并在实验过程中进行完善。 3.2 在实验操作环节重点培养学生的实践和创新能力实验操作包括准备实验、正式实验、实验观察与记录等内容,是实验教学中最复杂的环节,此环

15、节主要培养目标是:一、培养实践能力。实践能力的培养要求学生勤于动手,它与传统实验中只进行实验步骤的操作不同,还包括自行准备实验、熟练使用仪器等方面。准备实验是一个繁琐的过程,是重点培养学生勤于动手的有利途径,准备工作马虎或图省事,都有可能导致实验的失败。例如:“培养基的配制和灭菌实验”,实验前教师明确告诉学生,该实验配制的培养基将作为后面两个实验项目的材料,这使学生切实感到了实验不再是为了应付差事,不能有一点懈怠之心。此外,教师还要求学生学会使用酸度计、冷冻离心机、培养箱、高压蒸汽灭菌锅等仪器设备,也有效提高了学生的动手和操作能力。二、培养创新意识和能力。创新需要大胆尝试,但大胆尝试不是没有科

16、学依据的盲动,而是在认真思考以后大胆通过实践操作去满足自己的求知欲。例如:在“过氧化氢酶活性测定实验”中,学生自发进行了分工,分别对蚕豆幼根、顶芽和嫩叶不同部分进行了测定,共同探究农药废水对植物不同部位的过氧化氢酶毒性是否相同。 3.3 在实验结果处理环节重点培养学生的分析和处理问题能力 由于课程特点,我们改变了传统的教法,在把好学生动手操作关的基础上,对于同一实验出现的不同结果或现象原则上不作重做要求,而是引导他们分析和总结失败的原因,提出修改意见,以此来培养学生分析和解决问题的能力。例如:本学期以安庆 某家化工厂的农药废水为研究对象开设了微核实验,实验中自行设计废水染毒浓度,结果实验得不到明显的微核效应,对此,学生通过小组讨论和分析, 提出了改变染毒浓度和延长染毒时间的思路。 4、结论 “分解设计”教学思路的实践运行表明,环境生物学实验在由传统教学模式向设计性实验教学模式转型的过渡阶段,将能力培养目标分解成独立的单元,穿插到不同