都慶慶， 梁鑒如， 楊明來, 陸鑫源, 陸善婷

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201620； 2.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 軌道交通學(xué)院，上海 201418；3.上海軌道交通維護(hù)保障有限公司通號(hào)分公司，上海 200002； 4.上海工程技術(shù)大學(xué) 工程實(shí)訓(xùn)中心，上海 201620)

0 引 言

車地通信(train-ground communication,TGC)系統(tǒng)是在移頻鍵控(frequency shift keying,FSK)信號(hào)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)車載設(shè)備與軌旁設(shè)備之間數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)姆前踩ㄐ抛酉到y(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，隨著溫度及電磁環(huán)境的變化，軌旁FSK信號(hào)收發(fā)裝置電感、電容值會(huì)發(fā)生漂移，進(jìn)而影響到FSK通信的LC諧振電路，使得諧振電路的中心頻率發(fā)生偏移，這種不穩(wěn)定的情況會(huì)影響TGC數(shù)據(jù)傳輸，最終造成列車運(yùn)行出現(xiàn)晚點(diǎn)、不停站或沖出站臺(tái)等問題[1～3]。

上海地鐵二號(hào)線列車自動(dòng)控制(ATC)系統(tǒng)投用以來，軌旁ATC與車載ATC子系統(tǒng)之間的密切性日益體現(xiàn)，特別是TGC系統(tǒng)重要性進(jìn)一步顯現(xiàn)。二號(hào)線TGC系統(tǒng)是中央、軌旁和列車信息交換系統(tǒng)，也是列車自動(dòng)運(yùn)行(automatic train operation,ATO)系統(tǒng)運(yùn)行、中央時(shí)刻表調(diào)整的重要環(huán)節(jié)。因此，TGC系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量將直接影響到二號(hào)線整體運(yùn)營質(zhì)量。但隨著時(shí)間的推移，系統(tǒng)出現(xiàn)一些問題和故障：有些站臺(tái)的發(fā)車指示燈時(shí)常發(fā)生不亮的現(xiàn)象，多次造成列車晚點(diǎn)，影響正常運(yùn)營，經(jīng)過分析認(rèn)為，問題主要集中在TGC系統(tǒng)上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，二號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)發(fā)生的故障中，與TGC有關(guān)的故障占25 %左右。

目前上海地鐵二號(hào)線對(duì)TGC系統(tǒng)的檢測(cè)必須動(dòng)車測(cè)試，通過查看指示燈閃爍的情況，了解通信效果，不能夠定量確定數(shù)據(jù)包的丟失率、波形失真情況等，使得維護(hù)人員的整體維護(hù)效率大大降低。

本文設(shè)計(jì)的便攜式地鐵車地通信檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)GC系統(tǒng)中的FSK信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，可對(duì)FSK信號(hào)進(jìn)行接收、解調(diào)(采用非侵入式設(shè)計(jì)，不解調(diào)通信內(nèi)容)等操作，并對(duì)接收到的波形、幅值、通信質(zhì)量等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、分析和顯示，可為TGC系統(tǒng)的維護(hù)提供有效的數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)維護(hù)的效率。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本裝置硬件部分分為采樣模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，采樣模塊負(fù)責(zé)對(duì)FSK信號(hào)進(jìn)行采樣、解調(diào)、分析，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)將采樣模塊處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)，并通過通用分組無線業(yè)務(wù)(general packet radio service,GPRS)傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器保存，方便工作人員遠(yuǎn)程查看,同時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊還可以與地鐵巡檢人員的手持終端進(jìn)行連接，方便巡檢人員實(shí)時(shí)查看設(shè)備保存的數(shù)據(jù)。

1.1 采樣模塊設(shè)計(jì)

采樣模塊由濾波、整形、解析、數(shù)據(jù)打包四個(gè)部分組成，由于TGC采用的FSK信號(hào)通常有大量的諧波，本文通過LC濾波電路進(jìn)行濾波，然后經(jīng)過整形電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形，單片機(jī)(micro controller unit,MCU)對(duì)整形后的信號(hào)進(jìn)行AD采樣，并通過快速傅立葉變換(fast Fourier transform,FFT)進(jìn)行解析[4]，最后對(duì)解析的數(shù)據(jù)打包后通過RS-232傳送到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。采樣模塊設(shè)計(jì)框圖如圖1。

圖1 采樣模塊框圖

1.2 存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)模塊通過RS-232從采樣模塊接收數(shù)據(jù)。將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理過濾。通過全球移動(dòng)通信(global system for mobile communication,GSM)系統(tǒng)模塊SIM900A獲取當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，將處理后的數(shù)據(jù)加上時(shí)間標(biāo)簽后存儲(chǔ)到FLASH中。同時(shí)數(shù)據(jù)也會(huì)通過GPRS發(fā)送到后臺(tái)服務(wù)器上，便于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。存儲(chǔ)模塊還有一個(gè)功能是通過藍(lán)牙與地鐵巡檢人員的便攜檢測(cè)設(shè)備通信，將保存到FLASH的數(shù)據(jù)根據(jù)需要傳送到檢測(cè)設(shè)備上。儲(chǔ)存模塊設(shè)計(jì)框圖如圖2。

圖2 存儲(chǔ)模塊框圖

2 采樣原理分析

二進(jìn)制頻移鍵控(2FSK)信號(hào)[5,6]的解調(diào)總的來說有兩種基本方法，相干解調(diào)法和非相干解調(diào)法(又叫包絡(luò)檢波法)[7,8]。要對(duì)2FSK信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，硬件電路還是比較復(fù)雜的，而且溫度及電磁環(huán)境會(huì)使電感、電容值發(fā)生漂移[9]。如果用離散傅里葉變換來解調(diào)，就會(huì)簡(jiǎn)化很多，數(shù)字解調(diào)器原理如圖3所示。

圖3 數(shù)字解調(diào)器原理

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 采樣模塊設(shè)計(jì)

采樣模塊接入的是室內(nèi)機(jī)房信號(hào)發(fā)送端，發(fā)送端電壓在110 V左右，由于MCU的AD采樣端支持的電壓在1.6 V左右，因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行分壓處理。在設(shè)計(jì)過程中為了盡量減小對(duì)地鐵通信系統(tǒng)的影響，采用了無感電阻先進(jìn)行分壓然后再用比例較小的變壓器對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離。信號(hào)經(jīng)變壓器副邊輸出到采樣模塊的輸入端，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換、傅里葉變換得到解調(diào)的FSK信號(hào)2個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的電壓幅值，同時(shí)根據(jù)信號(hào)采樣時(shí)間的分析得到TGC的成功率。按一定的格式打包，通過RS-232發(fā)送到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。采樣模塊采用單片機(jī)STM32F303RCT6，原理如圖4。

圖4 采樣模塊電路原理

3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊使用的是ST公司的高性能、低功耗嵌入式MCU STM32F103RET6來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)與發(fā)送的功能。數(shù)據(jù)的處理直接可以通過MCU進(jìn)行，主要對(duì)采樣模塊發(fā)過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，如果數(shù)據(jù)小于100 mV則不存儲(chǔ)。如果連續(xù)5 s收不到采樣模塊傳送來的FSK信號(hào)數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)模塊則會(huì)將電壓幅值和通信成功率加上時(shí)間戳保存在FLASH里。該部分添加的時(shí)間是由SIM900A通過GPRS連接到移動(dòng)公司服務(wù)器獲取的，得到標(biāo)準(zhǔn)的北京時(shí)間。

數(shù)據(jù)的發(fā)送是通過SIM900A的GPRS功能和HC-05藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)的。使用GPRS可以將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器，藍(lán)牙模塊與手持便攜式檢測(cè)裝置配套使用。當(dāng)手持便攜式檢測(cè)裝置經(jīng)過對(duì)碼與其成功連接后，存儲(chǔ)模塊可以把存儲(chǔ)在FLASH里的數(shù)據(jù)傳送給手持測(cè)試儀。

4 軟件設(shè)計(jì)與流程

4.1 采樣模塊

采樣模塊的作用是解調(diào)輸入FSK信號(hào)，為了獲取載波頻率f1,f2以及對(duì)應(yīng)的幅值，本文采用FTT對(duì)FSK信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。采樣模塊軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 采樣模塊流程

4.2 存儲(chǔ)模塊

該部分電路功能為：從采樣模塊通過RS-232傳送來的2個(gè)頻率信號(hào)以及對(duì)應(yīng)的電壓和通信成功率加上時(shí)間戳,采用收到后即時(shí)存儲(chǔ)方式保存在FLASH里。該部分模塊具有藍(lán)牙組件和GPRS組件，當(dāng)手持便攜式檢測(cè)裝置經(jīng)過對(duì)碼與其成功連接后，存儲(chǔ)模塊可以把存儲(chǔ)在FLASH里的數(shù)據(jù)傳送給手持測(cè)試儀，也可以通過GPRS組件傳送給后臺(tái)服務(wù)器用于數(shù)據(jù)處理。由于該模塊具有GPRS組件，因此具有自動(dòng)對(duì)時(shí)功能。其流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊流程

5 系統(tǒng)測(cè)試與分析

在正常通信狀態(tài)下，TGC系統(tǒng)環(huán)線與車輛之間的單向通信時(shí)間約為130 ms，通信斷開時(shí)間約為445 ms；在通信異常情況下，TGC系統(tǒng)環(huán)線與車輛相鄰兩次的通信時(shí)間間隔大于1 000 ms的時(shí)間[10]。在正常通信狀態(tài)下，測(cè)量得到信號(hào)通信時(shí)間和信號(hào)幅值如圖7所示。地鐵公司提供的安全偏差范圍為0 %～7 %；經(jīng)過測(cè)試，本裝置能夠準(zhǔn)確檢測(cè)到TGC系統(tǒng)通信成功率，與實(shí)際情況相符。

圖7 正常通信狀態(tài)下的通信信號(hào)波形

6 結(jié) 論

便攜式地鐵TGC檢測(cè)系統(tǒng)可為地鐵維護(hù)提供指導(dǎo)和幫助信息。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室多次實(shí)驗(yàn)及二號(hào)線車輛段試車線現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，本裝置可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信息進(jìn)行采集和處理，且能夠?qū)⑼ㄐ刨|(zhì)量及信號(hào)接收等情況實(shí)時(shí)反映到顯示界面上，使得維護(hù)人員能夠直觀看到2FSK信號(hào)的載頻偏差率和通信成功率，從而根據(jù)接收信號(hào)的情況來判斷信號(hào)發(fā)送端硬件設(shè)備是否完好，大大減少維護(hù)人員的工作量，提高工作效率，減少維護(hù)的時(shí)間，降低維護(hù)費(fèi)用。