涂玉淵 任桂麗 張長軍

1. 西南交通大學(xué)，交通運輸與物流學(xué)院，成都 610031

2. 北京鐵路局，天津電務(wù)段，天津 300140

0 引 言

在我國高速鐵路快速發(fā)展的大背景下，原鐵道部將ZPW-2000A無絕緣軌道電路確定為我國鐵路自動閉塞的技術(shù)發(fā)展方向。ZPW-2000A系統(tǒng)以高可靠和適應(yīng)性廣等優(yōu)良性能為實現(xiàn)機車信號主體化創(chuàng)造了必備條件，成為我國鐵路自動閉塞系統(tǒng)的首選。加大對軌道電路的研究力度，創(chuàng)造性地研發(fā)適合我國高速鐵路發(fā)展的軌道電路，對我國高速鐵路的建設(shè)、運營維護管理具有重要意義和經(jīng)濟效益。

經(jīng)過長期的應(yīng)用實踐，ZPW-2000A軌道電路的技術(shù)成熟，高可靠地為高速列車安全運行提供技術(shù)保障。對軌道電路移頻信息的測試是向列車傳送安全、高可靠行車信息的重要作業(yè)內(nèi)容。隨著鐵路信息化的快速發(fā)展，研究開發(fā)智能化的軌道電路信息測試系統(tǒng)對鐵路建設(shè)和運營維護管理具有重要作用。目前針對ZPW-2000A軌道電路的智能信息測試系統(tǒng)發(fā)展方興未艾，在此背景下，本文在虛擬儀器平臺上開發(fā)了相應(yīng)的測試仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)對其 18個低頻信號、8個載頻信號的各項指標(biāo)仿真測試。

1 ZPW-2000A低頻信息分配方式

ZPW-2000A無絕緣軌道電路采用 1 700Hz、2 000Hz、2 300Hz、2 600Hz的標(biāo)準(zhǔn)載頻，另外采用了18種低頻調(diào)制信息，低頻信息按表1進行分配。對各種頻率信息的測試是保證軌道電路向高速列車傳送高可靠行車信息的重要作業(yè)內(nèi)容，對保障鐵路行車安全及日常設(shè)備運營維護具有重要意義。

表1 18種低頻信息分配Tab.1 Distribution of 18 kinds of low frequency signal information

2 FSK信號解調(diào)算法

ZPW-2000A系統(tǒng)采用的是頻移鍵控信號，有多種載頻和低頻（調(diào)制頻率）。由于 FSK移頻信號具有非常明顯的窄帶信號特征，并且傅里葉變換的抗干擾能力強和可實現(xiàn)性好，鐵路移頻信號的檢測手段仍廣泛使用FFT頻率檢測方法[1]。

根據(jù)FSK信號的帶通特性，我們采用欠采樣技術(shù)對信號進行采樣。這樣不僅保證儀表檢測的實時性，并且保證在不增加采用點數(shù)的情況下，提高FSK信號的分辨率[2]。然后對采得的信號進行快速傅立葉變換（FFT），根據(jù)其頻譜特性，計算出 FSK信號的中心頻率、低頻調(diào)制信息，再利用中心頻率對應(yīng)幅度值與n次邊頻對應(yīng)幅度值的關(guān)系，確定頻偏和信號的幅值[3]。

2.1 FSK信號分析

ZPW-2000A移頻軌道電路采用的是相位連續(xù)的移頻鍵控(FSK)信號，其時域表達(dá)式為：

ZPW-2000A移頻軌道電路信號的頻偏Hz11=Δf，低頻調(diào)制頻率范圍為 10.3～29.0Hz，從信號的頻譜分析中可以得到的參數(shù)有：

① 信號的中心頻率。對ZPW-2000A移頻軌道電路而言，信號的中心頻率即為頻譜圖中峰值處的頻率[1]。

② 信號的低頻調(diào)制頻率。由頻譜分析可知，其諧波之間的間隔即為信號的調(diào)制頻率[1]。

2.2 采樣頻率的確定

為了使移頻軌道電路信號在頻域分析中不產(chǎn)生混疊現(xiàn)象，按照奈奎斯特采樣準(zhǔn)則，采樣頻率必須大于或等于信號最高頻率的兩倍[1]。對于帶通信號采樣頻率sf只需滿足以下關(guān)系式：

式中， ]2/[lBfb= ，0hffB-= ；K為折疊次數(shù)；lf為下邊頻；hf為上邊頻；0f為中心頻率。

根據(jù)式（3）可分別求出相應(yīng)中心頻率的FSK信號采樣頻率。

原信號頻譜與欠采樣信號的頻譜有如下關(guān)系：

根據(jù)系統(tǒng)對信號載頻的分辨率至少為0.3Hz的要求，只要在欠采樣的基礎(chǔ)上，通過DSP進行2048點的FFT運算，即可達(dá)到信號的頻率分辨率要求[4]。

3 系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)ZPW-2000A軌道電路低頻信息分配方式，系統(tǒng)應(yīng)能夠測試18種低頻信號與8種載頻信號的任意調(diào)制信號，即應(yīng)能夠進行18×8=144項低頻與載頻信息的測試。另外還應(yīng)能測試各種載頻條件下的功放電壓。從測試方式來說，系統(tǒng)又應(yīng)該具有自動測試（默認(rèn)測試）和自定義測試（根據(jù)現(xiàn)場實際，有選擇地測試某些項）功能，以滿足鐵路現(xiàn)場實際的需求。對于一個智能的測試系統(tǒng)，還應(yīng)該有自己的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，用以存放測試數(shù)據(jù)，并且能夠根據(jù)測試所得數(shù)據(jù)結(jié)合歷史測試數(shù)據(jù)自動分析ZPW-2000A軌道電路的相關(guān)信息。

本文根據(jù)鐵路現(xiàn)場的實際，開發(fā)了基于LabVIEW平臺的測試仿真系統(tǒng)，對各測試項進行仿真。測試功能主要有：各種載頻條件下的低頻、載頻信息測試，各個功放電壓的測試；在測試方式上實現(xiàn)了默認(rèn)測試和自定義測試。

3.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

測試系統(tǒng)分三層設(shè)計：硬件層、應(yīng)用軟件層、人機界面層（如圖1所示）。本文對數(shù)據(jù)采集卡的劃分在于硬件層與應(yīng)用軟件層交匯處，是計算機層（應(yīng)用軟件層、人機界面層）與硬件層的紐帶。

圖1 測試系統(tǒng)總體方案設(shè)計Fig.1 Overall plan design of the test system

（1）硬件層。發(fā)送盤各接線端子接線無誤后，將信號采集電路采集到的頻率信號及電壓信號進行放大、濾波等處理。處理后的信號送至數(shù)據(jù)采集卡。

（2）數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)采集卡是將硬件層傳送上來的模擬電信號轉(zhuǎn)換為計算機能夠識別的數(shù)字信號。

（3）應(yīng)用軟件層。應(yīng)用軟件層將數(shù)據(jù)采集卡采集的信號進行處理、測試、存儲等。

① 數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理模塊是將采得的數(shù)字信號進行量化、存儲等處理。將采集到的數(shù)字信號量化成計算機測試軟件能夠識別以及能夠進行相關(guān)操作的數(shù)據(jù)，并為之分配相應(yīng)的存儲空間。

② 計算機測試軟件。計算機測試軟件是讀取數(shù)據(jù)處理模塊處理后的數(shù)據(jù)，按照人機界面層下達(dá)的測試命令，調(diào)取測試數(shù)據(jù)庫相關(guān)數(shù)據(jù)，對采集的數(shù)據(jù)進行測試分析。將測試結(jié)果的相關(guān)數(shù)據(jù)送入測試數(shù)據(jù)庫存儲，并將相關(guān)測試結(jié)果送至人機界面層。

③ 測試數(shù)據(jù)庫。測試數(shù)據(jù)庫存儲采集到的測試數(shù)據(jù)、測試結(jié)果，用于故障分析、測試數(shù)據(jù)回放、打印等。

（4）人機界面層。人機界面層負(fù)責(zé)向應(yīng)用軟件層傳輸用戶下達(dá)的測試命令，并將下層傳送的測試結(jié)果相關(guān)信息顯示反饋給用戶，供相關(guān)人員分析。人機界面層是用戶對測試系統(tǒng)直接操作的層次。

本系統(tǒng)是 ZPW-2000A發(fā)送器測試器的仿真測試，對于硬件層、數(shù)據(jù)采集卡不再深入分析。對硬件層所采集的信息系統(tǒng)以LabVIEW強大的信號處理與數(shù)學(xué)分析工具給出模擬信號。因此本文重點分析測試軟件的結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方式，主要包括應(yīng)用層和人機界面層的設(shè)計與實現(xiàn)。

3.2 系統(tǒng)仿真軟件設(shè)計

測試系統(tǒng)采用三級雙層界面嵌套調(diào)用的方式，即測試主界面調(diào)用測試程序界面，測試程序內(nèi)部調(diào)用測試子程序的方式。測試子程序通過對一些通用測試模塊的調(diào)用，實現(xiàn)測試分析功能。通過模塊化的設(shè)計思路，既使得設(shè)計思路清晰，又使得設(shè)計過程獨立，分散了故障發(fā)生的可能性。在測試主界面程序中，與測試程序進行數(shù)據(jù)通信，根據(jù)當(dāng)前用戶操作，設(shè)置合理的界面動作。

第1級是主測試界面，對應(yīng)于人機界面層；第2級和第3級屬于應(yīng)用軟件層。底層是硬件層和數(shù)據(jù)采集卡，系統(tǒng)通過仿真獲得底層數(shù)據(jù)。

3.2.1 整體流程圖

圖2為主測試模塊流程圖，整個測試操作均在該模塊的運行界面進行，測試中不向第二級模塊直接操作。通過布爾按鈕值的選擇，用if選擇結(jié)構(gòu)向全局變量Global賦值（Global值為1，自定義測試；Global值為0，默認(rèn)測試）來選擇自定義測試或默認(rèn)測試。對低頻、載頻、電壓測試模塊的選擇均在樹形控件中操作。在樹形控件中選中低頻、載頻或電壓測試模塊后，系統(tǒng)將調(diào)用相應(yīng)的模塊，并進行相應(yīng)的測試操作。

圖2 主測試模塊流程圖Fig.2 Process of the main test module

圖3為第二級模塊測試流程圖。整個流程主要由初始化、測試項選擇、數(shù)據(jù)讀取、計算分析和測試結(jié)果顯示等四部分組成。程序通過建立電子表格路徑，讀取相應(yīng)的電子表格測試項數(shù)據(jù)并讀入測試項數(shù)組中；程序初始化時，在順序結(jié)構(gòu)的第0幀中，向表格控件中第1列的各行值賦空字符串，以實現(xiàn)清除歷史測試記錄的功能。測試項選擇部分的程序，是在初始化結(jié)果的基礎(chǔ)上，選中要測試的項目，并通過事件結(jié)構(gòu)向表格控件的相應(yīng)坐標(biāo)位置賦予相應(yīng)的標(biāo)志字符。在讀取仿真數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)經(jīng)過分析計算，通過表格控件的坐標(biāo)計算將相應(yīng)的測試結(jié)果在表格控件的相應(yīng)位置中給予顯示出來。

圖3 低頻、載頻、電壓測試流程圖Fig.3 Test process of the low frequency, carrier frequency and voltage

3.2.2 系統(tǒng)軟件編程

在設(shè)計思路上，測試系統(tǒng)采用三級雙層界面嵌套調(diào)用的方式，主要模塊有：主測試模塊、低頻測試模塊、載頻測試模塊和功放電壓測試模塊。調(diào)用節(jié)點、調(diào)用方法、屬性節(jié)點的合理運用給程序設(shè)計帶來了極大的便利，模塊中均大量運用了這些控件。在選擇測試模塊或者讀取相關(guān)電子表格文件的時候均用到了當(dāng)前模塊路徑、拆分路徑、創(chuàng)建路徑等模塊。使用當(dāng)前模塊路徑控件的好處在于不論這個工程文件包位置如何移動，程序都能夠正常調(diào)用相應(yīng)的模塊。

（1）低頻測試模塊

低頻測試部分主要由測試項初始化、測試項目選擇、數(shù)據(jù)讀入、數(shù)據(jù)分析和測試結(jié)果顯示等部分組成。

① 測試項初始化。測試項初始化包括測試項讀取、清除測試項歷史記錄兩部分。其中測試項讀取的過程是向預(yù)先存儲數(shù)據(jù)的電子表格讀取所有測試項目名稱至表格控件相應(yīng)的位置，這里主要用到當(dāng)前VI路徑、拆分路徑、創(chuàng)建路徑、讀取電子表格文件等控件完成。清除測試項歷史記錄主要用到了編程結(jié)構(gòu)的 for循環(huán)（共循環(huán) 18×8=144次）、表格控件的屬性調(diào)用。主要程序如圖4和圖5所示。完成。測試項選擇程序如圖6所示。

圖4 測試項目的讀取程序Fig.4 Reader procedure of the test items

圖5 測試項目的存儲方式Fig.5 Storage ways of the test items

圖6 測試項目選擇程序Fig.6 Selection procedure of the test items

（2）載頻與功放電壓測試模塊

載頻測試模塊與低頻測試模塊的整體設(shè)計思路、編程方法基本相同，另外功放電壓測試模塊與低頻測試模塊設(shè)計思路與編程方法也是大同小異，這里不再贅述。載頻測試程序設(shè)計如圖8所示。

圖7 測試結(jié)果的顯示程序Fig.7 Display program of the test results

圖8 載頻測試程序Fig.8 Carrier frequency test procedure

4 系統(tǒng)仿真調(diào)試與分析

4.1 ZPW-2000A測試系統(tǒng)功能

測試系統(tǒng)的測試功能包括：低頻測試、載頻測試、發(fā)送器功放電壓測試。測試系統(tǒng)分默認(rèn)測試和自定義測試兩部分。選默認(rèn)測試，系統(tǒng)將自動依次全部測試低頻、載頻、功放電壓；選自定義測試，系統(tǒng)將根據(jù)用戶選擇的測試項目進行測試。主測試界面如圖9所示。

圖9 測試器主界面Fig.9 Main interface of the test device

4.2 測試仿真與分析

基于ZPW-2000A軌道電路對鐵路現(xiàn)場運營的重要性，要求電壓和頻率等必須具有高可靠性、高精度要求。測試結(jié)果表明系統(tǒng)滿足高精度、準(zhǔn)確的要求。

（1）低頻信號測試仿真。系統(tǒng)在低頻信號測試仿真中以 0.03Hz為最大誤差允許范圍，測試仿真如圖10所示。低頻誤差在0.03Hz內(nèi)測試結(jié)果均為“正?！保`差在 0.03Hz外，測試結(jié)果為“誤差太大”。系統(tǒng)測試仿真達(dá)到了低頻測試指標(biāo)的基本要求，這也是實際測試系統(tǒng)所必須達(dá)到的要求。

圖10 低頻測試仿真Fig.10 Low frequency test simulation

（2）載頻測試仿真。各載頻信號的誤差均應(yīng)該控制在 0.15Hz范圍內(nèi)，在本測試系統(tǒng)仿真測試過程中以0.15Hz為最大誤差允許范圍，仿真測試如圖11所示。各載頻誤差在0.15Hz內(nèi)測試結(jié)果均為“正?！?，誤差大于0.15Hz，則測試結(jié)果為“誤差太大”。系統(tǒng)仿真測試達(dá)到了載頻測試指標(biāo)的基本要求。

圖11 載頻測試仿真Fig.11 Carrier frequency test simulation

（3）功放電壓測試仿真。功放電壓對應(yīng)于不同的載頻，相應(yīng)的電壓范圍也不同。在系統(tǒng)仿真測試時，測試了各個載頻的電壓，如圖12所示。

圖12 功放電壓測試仿真Fig.12 Power amplifier test simulation of the voltage

5 結(jié) 論

在ZPW-2000A信號頻率測試中，低頻信息誤差控制范圍只有0.03Hz，一般的測試器難以達(dá)到這樣的精度。基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)具有高分辨率、高精度，能夠很好地實現(xiàn)測試要求。此外，LabVIEW 強大的信號處理、數(shù)學(xué)分析工具，以及強大的數(shù)據(jù)庫接口功能、遠(yuǎn)程訪問和交互式操作，能夠很好實現(xiàn)測試系統(tǒng)的升級、故障自動分析、遠(yuǎn)程測試等。基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)能夠很好的滿足今后測試系統(tǒng)智能化的發(fā)展要求，是今后測試系統(tǒng)的發(fā)展方向。

[1] 王 安，張芳芳，羅曉斌. 一種軌道移頻信號解調(diào)的新方法[J]. 測控技術(shù)，2008，05: 45-47.

[2] 焦瑋琦，陳特放. 基于局部頻譜細(xì)化的軌道移頻信號高精度檢測[J]. 機車電傳動，2009，02: 48-50，54.[3] 袁 薇，孫景峰，樊文俠. 欠采樣與ZFFT在移頻信號檢測中的應(yīng)用[J/OL]. 西安: 電子科技，2010[2010-5-13].

[4] 薛凱凱. 基于 DSP的移頻參數(shù)檢測系統(tǒng)設(shè)計[D].西安：西安理工大學(xué)，2008.