何 平，郭 苑，馬星宇，張洪健

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，哈爾濱 150001)

1 引言

現(xiàn)今，鐵路交通在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中起著舉足輕重的作用。如何有效控制鐵路信號(hào)已成為如今不可回避的話題。自動(dòng)閉塞系統(tǒng)是控制鐵路信號(hào)，保證運(yùn)行列車安全，提高鐵路運(yùn)輸能力的重要裝備［1］。目前鐵道部主推的閉塞系統(tǒng)的主要型號(hào)有北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院和北京鐵路信號(hào)工廠研制的ZPW－2000A型［2］和黑龍江瑞興科技有限公司研制的 ZPW －2000R 型［3］。

本文旨在研究ZPW－2000R型移頻自動(dòng)閉塞系統(tǒng)的接收機(jī)生產(chǎn)測(cè)試過(guò)程中測(cè)試信號(hào)的產(chǎn)生和調(diào)理，在產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)環(huán)節(jié)中提供高精度、高可靠性的測(cè)試信號(hào)，為接收機(jī)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化檢測(cè)參數(shù)奠定基礎(chǔ)。由于系統(tǒng)對(duì)待測(cè)信號(hào)的測(cè)量精度要求很高，在采集、處理數(shù)據(jù)過(guò)程中采用大量軟件濾波算法，因此本系統(tǒng)采用高速DSP芯片TMS320F2812為主控芯片，提高測(cè)試效率。在測(cè)試接收機(jī)雙套檢測(cè)電阻等關(guān)鍵性能參數(shù)時(shí)，系統(tǒng)需設(shè)置兩片AD9833信號(hào)發(fā)生芯片，通過(guò)F2812內(nèi)部SPI接口和GPIO模擬SPI接口控制實(shí)現(xiàn)雙路幅值、頻率可調(diào)的移頻信號(hào)的產(chǎn)生。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，接收機(jī)測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)生的雙路移頻信號(hào)精度高，可靠性好，滿足測(cè)試要求。

2 頻率可調(diào)的雙路移頻信號(hào)

2.1 AD9833 控制時(shí)序

AD9833是ADI公司生產(chǎn)的可編程、低功耗波形產(chǎn)生芯片。通過(guò)軟件控制對(duì)它寫(xiě)相應(yīng)字，可以輸出相應(yīng)波形，且輸出信號(hào)精度高。當(dāng)它主頻時(shí)鐘為1MHz時(shí)，其精度可以達(dá)到0.0004Hz，符合測(cè)試信號(hào)的要求［4］。

串行外圍接口SPI(Serial Peripheral Interface)是一種高速、同步、全雙工的串行輸入輸出(I/O)接口，通常用于DSP與外圍設(shè)備或其他控制器之間進(jìn)行通信［5］。本系統(tǒng)通過(guò) SPI接口，與 AD9833芯片進(jìn)行通訊，通過(guò)軟件編程控制輸出頻率和相位，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)測(cè)試信號(hào)的輸出。SPI控制AD9833產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)時(shí)，AD9833的3根串行接口線FSYNC、SCLK、SDATAX分別與TMS320F2812的MDRA，SPICLKA，SPISIMOA三個(gè)端口相連。在串口時(shí)鐘SCLK的作用下，數(shù)據(jù)以16位的方式加載到AD9833上。引腳FSYNC是使能引腳，低電平觸發(fā)。進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，引腳FSYNC必須置低。引腳FSYNC置低后，在16個(gè)SCLK的下降沿傳送的數(shù)據(jù)被送到AD9833的輸入移位寄存器，在第16個(gè) SCLK的下降沿FSYNC被置高。并且，在寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)SCLK時(shí)鐘為高低電平脈沖，而在FSYNC剛開(kāi)始變?yōu)榈蜁r(shí)，SCLK必須為高電平。

2.2 GPIO模擬SPI控制AD9833時(shí)序

為實(shí)現(xiàn)雙路信號(hào)的產(chǎn)生，本系統(tǒng)將MCLKR、MFSR、SPISOMI三個(gè) GPIO 與 AD9833的 SCLK，F(xiàn)SYNC，SDATA分別相連，通過(guò)GPIO口模擬SPI控制AD9833控制時(shí)序來(lái)控制AD9833產(chǎn)生所需信號(hào)。具體測(cè)試流程圖如圖1所示。

測(cè)試時(shí)，控制F2812的SPI接口和GPIO口向AD9833寫(xiě)入控制字0x5555。圖2通道0、通道1、通道2為F2812內(nèi)部SPI時(shí)序圖;通道3、通道4、通道5為GPIO模擬SPI控制時(shí)序。通道0、通道3為片選控制端，通道1、通道4為時(shí)鐘信號(hào)端，通道2、通道5為數(shù)據(jù)傳送端;由圖2可知，用GPIO模擬SPI的控制時(shí)序與SPI控制時(shí)序基本一致，可以實(shí)現(xiàn)控制功能。

2.3 雙路移頻信號(hào)產(chǎn)生

2.3.1 雙路移頻信號(hào)的產(chǎn)生

移頻信號(hào)是以頻率作為控制信息，用調(diào)制頻率的手段將低頻頻率信號(hào)整合到高頻頻率信號(hào)中，實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)頻率按低頻信號(hào)頻率做周期性交替變化［6］，以此控制鐵路信號(hào)設(shè)備，指揮列車的運(yùn)行與調(diào)度。

為了產(chǎn)生雙路移頻信號(hào)，本系統(tǒng)通過(guò)F2812內(nèi)部定時(shí)器中斷交替向兩片AD9833寫(xiě)入相應(yīng)信號(hào)控制字實(shí)現(xiàn)移頻信號(hào)的產(chǎn)生:開(kāi)啟F2812內(nèi)部定時(shí)器0，進(jìn)入定時(shí)器0中斷，分別設(shè)置兩路信號(hào)的下偏移頻率，并通過(guò) SPI接口和 GPIO模擬 SPI接口向AD9833寫(xiě)入控制字產(chǎn)生相應(yīng)頻率的正弦信號(hào);一個(gè)定時(shí)器時(shí)鐘周期后，再次進(jìn)入定時(shí)器0中斷，設(shè)置兩路信號(hào)頻率為上偏移頻率，寫(xiě)入AD9833。上述過(guò)程交替進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)雙路移頻信號(hào)的發(fā)送。

3 移頻信號(hào)的幅值可調(diào)

為了產(chǎn)生雙路測(cè)試信號(hào)，本系統(tǒng)設(shè)置兩路AD9833信號(hào)產(chǎn)生模塊，一路AD9833控制端與SPI串行外圍接口相連;另一路與GPIO模擬的SPI口相連。信號(hào)發(fā)生芯片AD9833的外圍電路簡(jiǎn)單，只需加外接晶振和若干濾波電容即可。其電路原理圖如圖3所示。由于AD9833產(chǎn)生的正弦波疊有直流成分，因此需將AD9833輸出的正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)RC高通濾波器，濾除直流分量。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，由AD9833直接輸出的正弦波波峰值約為600mV，波谷值為0mV，其中疊有300mV的直流分量。將此信號(hào)通過(guò)RC高通濾波器后，波峰值為300mV，波谷值為－300mV，信號(hào)的直流分量被濾除，且頻率沒(méi)有改變。然后，利用精密運(yùn)算放大器OPA277建立反相比例電路，將濾除直流分量后的正弦信號(hào)的幅值進(jìn)行放大為1.871V，從而為下一步實(shí)現(xiàn)正弦信號(hào)的幅值連續(xù)可調(diào)做準(zhǔn)備。

圖3 移頻信號(hào)產(chǎn)生原理圖

為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸出幅值連續(xù)可調(diào)，本系統(tǒng)將經(jīng)放大電路輸出的信號(hào)作為數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD7521的電壓參考源。AD7521是一參考端可變的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，通過(guò)GPIO口向AD7521寫(xiě)入不同控制字，AD7521將輸出不同幅值的信號(hào)。由于AD7521的輸出量為電流量，因此在AD7521輸出端設(shè)置雙路運(yùn)放芯片OPA2727，實(shí)現(xiàn)電流量至電壓量的轉(zhuǎn)換。其電路原理圖如圖3所示。

12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7521有效位為11位，最高位為符號(hào)控制位。當(dāng)數(shù)字位輸入為0x000時(shí)，AD7521輸出端信號(hào)有效值為VREF;當(dāng)數(shù)字為輸入為0x7FF時(shí)，AD7521輸出信號(hào)有效值為VREF/211;當(dāng)數(shù)字位輸入為0x800時(shí)，AD7521輸出信號(hào)有效值為0V。本系統(tǒng)輸入至AD7521的信號(hào)參考端有效值為1.187V，理論上最小步長(zhǎng)可達(dá)到0.580mV。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 雙路移頻信號(hào)的頻率可控

實(shí)驗(yàn)中僅選取一路信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，另一路因控制方法一樣，因此測(cè)試結(jié)果一致。為了讓所產(chǎn)生的移頻信號(hào)效果明顯，這里設(shè)置移頻信號(hào)載頻為600Hz，上、下頻率偏移為200Hz，低頻調(diào)制信號(hào)頻率為100Hz。具體效果圖如圖4所示，通道1為移頻信號(hào)的低頻頻率指示波;通道2為載頻信號(hào);通道3為最終產(chǎn)生的移頻信號(hào)。由圖4可知，本系統(tǒng)產(chǎn)生的移頻信號(hào)波形光滑，頻率穩(wěn)定。

圖4 移頻信號(hào)效果圖

本系統(tǒng)實(shí)際所需發(fā)送的移頻信號(hào)，采用4種載頻，4種載頻又分為F1和F2兩種，共8種載頻信息;低頻調(diào)制頻率共有18種［7］。高頻信號(hào)頻率測(cè)試值如表1所示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，信號(hào)的高頻頻率實(shí)際值與理論值相差最大值為0.5Hz;滿足測(cè)試條件要求。另外，由于移頻信號(hào)的低頻頻率由F2812定時(shí)器控制，其精確度很高，誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，如表2所示。因此，各載頻的移頻信號(hào)，滿足測(cè)試條件要求。

表1 移頻信號(hào)高頻精度測(cè)試

表2 移頻信號(hào)低頻精度測(cè)試

4.2 移頻信號(hào)的幅值可調(diào)

圖5為信號(hào)幅值可調(diào)的測(cè)試圖，為了使其實(shí)驗(yàn)效果明顯，設(shè)置AD9833產(chǎn)生方波。測(cè)試時(shí)，控制AD7521 輸出 20mV、40mV、60mV、80mV、100mV、120mV波形的幅值大小。實(shí)際產(chǎn)生的信號(hào)，幅值精度在5mV左右。由此可見(jiàn)，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)AD7521后，幅值大小連續(xù)可調(diào)，產(chǎn)生的波形平滑穩(wěn)定，精度高，滿足測(cè)試要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的接收機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生模塊，通過(guò)F2812內(nèi)部SPI接口及GPIO模擬的SPI接口分別對(duì)兩片AD9833寫(xiě)入控制字，能同時(shí)產(chǎn)生雙路頻率可調(diào)的移頻信號(hào)，信號(hào)波形平滑，頻率控制精確，低頻、高頻精度均在1以上;通過(guò)GPIO對(duì)AD7521寫(xiě)入控制字，實(shí)現(xiàn)測(cè)試信號(hào)幅值的連續(xù)可調(diào)，信號(hào)的幅值準(zhǔn)確，信號(hào)的幅值誤差小于10mV。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本測(cè)試系統(tǒng)所產(chǎn)生的雙路移頻測(cè)試信號(hào)精度高，誤差小，波形穩(wěn)定，可靠，完全滿足測(cè)試需求。

圖5 信號(hào)的幅值可調(diào)測(cè)試圖

［1］唐大勇.ZPW－2000軌道電路在站聯(lián)軌道區(qū)段的應(yīng)用［J］.鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2011，8(3):80 －82.

［2］仝廣興.ZPW－2000A移頻自動(dòng)閉塞設(shè)備故障分析［J］.鐵道通信信號(hào)，2011，47(11):46 －47.

［3］彭立群，鄧迎宏，肖彩霞.ZPW－2000R型無(wú)絕緣移頻自動(dòng)閉塞系統(tǒng)［J］.鐵道通信信號(hào)，2007，43(6):4 －8.

［4］劉國(guó)良，廖力清，施進(jìn)平.AD9833型高精度可編程波形發(fā)生器及其應(yīng)用［J］.國(guó)外電子元器件，2006(6):44－47.

［5］孫麗明.TMS320F2812原理及其 C語(yǔ)言程序開(kāi)發(fā)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008:195－196.

［6］耿浩和.基于DSP的移頻軌道電路參數(shù)在線檢測(cè)方法研究［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2007:7－10.

［7］郭紅星.軌道電路FSK移頻信號(hào)參數(shù)檢測(cè)方法研究與實(shí)現(xiàn)［D］.北京:西安工業(yè)大學(xué)，2011:10－11.