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 DDS1、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,点式应答器作为在特定地点为列车

2、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系统提出很高 的要求，同时

3、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的设计2。DDS的主要缺点是杂散噪声较大，可

4、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50

5、MHZ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:v20dBm(100mW);输出功率:0dBm(1mW);响应时间：v1ms。其他设计指标参照 CTCS地面应答器标准。总体框图如图所示：29科技信息 博士 ？专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

6、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QDS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。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

7、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,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。

8、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ACLK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

9、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 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-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):

10、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上为低电平时濒率字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

11、)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，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

12、器带宽:3.3MHZ 5.2MHZ;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L ' II IP* J xaO,阿-*li 4h> I V III J Of*I I I #，卜 r耳*1声图(jh夭线四配电路坨竹cuh果本模块设计的关键点是通过 MCU的串口正确设置DDS4、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Odbm(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

13、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L1 Cn厂-itr iL Air 一Kd丨-h10参考文献1 胡东源.GSM-R CTCS略.中国铁路,2003年022,出版社,2005年114李向红,.铁道,10月74D2.2Vto5.5VMZS2003,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

14、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”

15、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，穿插到不同实 验项目的不同教