基于DSP的鐵路信號(hào)識(shí)別技術(shù)

黃雪程，王 焱，劉 春

（1.北京大成通號(hào)軌道交通設(shè)備有限公司，北京100044；2.北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京100088）

鐵路信號(hào)識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)中，對(duì)ATP（列車超速防護(hù)系統(tǒng)）信號(hào)好進(jìn)行解調(diào)、識(shí)別，ATP控制以識(shí)別結(jié)果提供對(duì)列車的防護(hù)，控制列車運(yùn)行的追蹤間隔與運(yùn)行速度，該技術(shù)還具備檢測自身工作狀態(tài)，判定故障的功能。伴隨高速列車運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展，鐵路運(yùn)輸?shù)奶崴?、車載的需求，基于分立元器件和模擬信號(hào)處理技術(shù)的傳統(tǒng)鐵路信號(hào)設(shè)備越來越滿足不了鐵路系統(tǒng)安全性和實(shí)時(shí)性的要求。研究開發(fā)出基于計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的鐵路信號(hào)設(shè)備已成為鐵路信號(hào)的發(fā)展趨勢(shì)。

本文提出基于DSP技術(shù)的鐵路信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)，以數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320C6713為核心，能夠完成鐵路信號(hào)接收、識(shí)別、記錄、統(tǒng)計(jì)分析和顯示多個(gè)功能，在重慶單軌交通系統(tǒng)中投入實(shí)驗(yàn)測試，測試結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較高的實(shí)時(shí)性和可靠性。

1 信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

技術(shù)包括鐵路信號(hào)接收，信號(hào)處理和信號(hào)統(tǒng)計(jì)分析3個(gè)部分。信號(hào)接收：由接收天線和信號(hào)放大器組成，用于實(shí)時(shí)接收現(xiàn)場信號(hào)；信號(hào)處理：包括A/D轉(zhuǎn)換模塊和解碼模塊，接收信號(hào)先經(jīng)過A/D芯片（芯片型號(hào)：TLV320AIC23B）進(jìn)行模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換，然后運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理算法解調(diào)接收的移頻信號(hào)；信號(hào)統(tǒng)計(jì)分析：接收信號(hào)處理部分輸出的解調(diào)信息，在PC機(jī)上利用相關(guān)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

整體工作流程如圖1：接收天線實(shí)時(shí)接收鐵路信號(hào)，由信號(hào)放大器放大通過I/O接口送入DSP開發(fā)板，先經(jīng)通過模數(shù)信號(hào)完成轉(zhuǎn)換，再由TMS320c6713芯片完成解碼任務(wù)后，一方面完成上燈操作，另一方面將解碼信息送入上位PC機(jī)，PC機(jī)上統(tǒng)計(jì)分析軟件完成信息的記錄、統(tǒng)計(jì)分析和結(jié)果顯示，根據(jù)解碼信息，獲得列車信號(hào)設(shè)備的工作狀態(tài)對(duì)列車進(jìn)行控制。

圖1 鐵路信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

以32 bit浮點(diǎn)處理器TMS320C6713為數(shù)據(jù)處理核心，采用外圍電路設(shè)計(jì)。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2。

圖2 鐵路信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

考慮到本系統(tǒng)將投入某城市跨座式單軌交通系統(tǒng)中使用，一方面某城市單軌交通中鐵路信號(hào)最大載頻為21 kHz，根據(jù)奈奎斯特定律可知系統(tǒng)采樣頻率必須大于或等于42 kHz；另一方面鐵路信號(hào)富含豐富的低頻信息，頻率間隔極小，系統(tǒng)要保證低頻信號(hào)的精確識(shí)別必須采用精度很高的芯片。所以采用音頻CODEC芯片TLV320AIC23B，TLV320AIC23B采樣帶寬48 kHz、最大采樣速率96 kHz ?？梢栽?8 kHz ～ 96 kHz 采樣率范圍內(nèi)提供 16 bit、20 bit、24 bit和 32 bit采樣，音頻口耐壓范圍為0 V～2V。其所有數(shù)據(jù)性能均滿足某城市單軌交通鐵路信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的要求。

音頻芯片TLV320AIC23B是通過I2C總線接收配置信息完成內(nèi)部寄存器配置，通過I2S總線協(xié)議完成與DSP的數(shù)據(jù)交換。高精度、高采樣率的采樣芯片提高了系統(tǒng)信號(hào)識(shí)別的精度。另外采用高性能的音頻芯片TLV320AIC23B，能夠減小數(shù)據(jù)采集時(shí)造成的時(shí)延，有效地提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理能力。

2.2 信號(hào)識(shí)別模塊

該模塊由DSP芯片協(xié)同SDRAM完成。根據(jù)鐵路信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)信號(hào)處理任務(wù)及實(shí)時(shí)性的要求，信號(hào)處理芯片選用的高性能32 bit浮點(diǎn)DSP 處理器TMS320C6713，其適用于專業(yè)音頻信號(hào)處理，主頻可達(dá)到300 MHz，處理速度高達(dá)2 400 MIPS/1 800MFLOPS。TMS320C6713 采用了2 級(jí)Cache結(jié)構(gòu)，片上共有 264 K×8 bit存儲(chǔ)器 。TMS320C6713有32 bit的EMIF 地址總線，有4 個(gè)空間，每個(gè)空間均可與SDRAM 、SBSRAM 和異步外設(shè)實(shí)現(xiàn)無縫接口。通過合理的EMIF接口設(shè)計(jì)，可最大限度的發(fā)揮TMS320C6713強(qiáng)大的定點(diǎn)/浮點(diǎn)數(shù)據(jù)運(yùn)算性能，提高硬件平臺(tái)的實(shí)時(shí)處理能力。

由于采樣數(shù)據(jù)量巨大，片上存儲(chǔ)器存儲(chǔ)空間不能滿足要求，所以信號(hào)采集電路將采集到的數(shù)據(jù)存放在64 MBSDRAM內(nèi)，通過EMIF與C6713完成數(shù)據(jù)交換。另外，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)加電后能夠自動(dòng)加載應(yīng)用程序，進(jìn)入工作狀態(tài)，程序代碼存放在512 KbFLASH內(nèi)，在系統(tǒng)加電后由Bootloader 加載到TMS320C6713片內(nèi)RAM中運(yùn)行。

2.3 UART通信電路設(shè)計(jì)

UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步接收/發(fā)送裝置) 通道實(shí)現(xiàn)DSP與上位機(jī)之間的通信，為了實(shí)現(xiàn)多種電平接口，系統(tǒng)采用TL16C752B作為通用異步收發(fā)器。芯片包含二路相互獨(dú)立的異步收發(fā)器，接收和發(fā)送各帶64 byte的FIFO，最高傳輸速率可達(dá) 1.5 Mbps，采用MAX3160多協(xié)議收發(fā)器，使得異步串口接口電平可配置為RS232/RS422/RS485 多種接口電平標(biāo)準(zhǔn)。TL16C752B與C6713的EMIF接口，配置在C6713的CE[3] 空間中。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件根據(jù)功能要求和編程平臺(tái)的不同可分為DSP程序設(shè)計(jì)、DSP與上位機(jī)通信設(shè)計(jì)和PC上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)3個(gè)部分。

圖3 鐵路信號(hào)識(shí)別技術(shù)軟件流程圖

（1）DSP程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主程序如圖3，包括信號(hào)處理芯片TMS320C6713、CODEC及串口芯片等初始化程序設(shè)計(jì)、信號(hào)識(shí)別算法設(shè)計(jì)和中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)。

a.DSP芯片初始化程序。完成內(nèi)置定時(shí)器設(shè)置、CPU與外部存儲(chǔ)器接口EMIF設(shè)置和中斷向量設(shè)置。串口、CODEC芯片初始化程序完成內(nèi)部控制寄存器設(shè)置。

b. 信號(hào)識(shí)別算法。采用ZFFT算法與頻率能量重心校正技術(shù)相結(jié)合，能夠精確識(shí)別出頻率間隔極小的低頻信號(hào)，保證鐵路信號(hào)的精確識(shí)別。

c. 中斷服務(wù)程序。由定時(shí)中斷程序，串口中斷程序和采樣中斷程序組成。采樣中斷程序流程如圖3b.，圖中Sample為一次采樣完成標(biāo)志，Select為采樣片選信號(hào)。將采樣信號(hào)存儲(chǔ)空間分為A和B兩個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域能存儲(chǔ)一次信號(hào)識(shí)別所需采樣數(shù)據(jù)，A區(qū)采樣完成則B區(qū)開始采樣，任一區(qū)采樣完成則將采樣完成標(biāo)志Sample置為1，同時(shí)主程序開始信號(hào)識(shí)別計(jì)算工作。采樣中斷程序的分區(qū)設(shè)計(jì)使系統(tǒng)在響應(yīng)采樣中斷程序的同時(shí)能夠完成信號(hào)計(jì)算的工作，降低了系統(tǒng)完成一次信號(hào)識(shí)別所需時(shí)間，從而保證系統(tǒng)的高實(shí)時(shí)性。

（2）DSP與PC上位機(jī)及下位機(jī)信號(hào)顯示燈通信設(shè)計(jì)。DSP與上位機(jī)之間通信采用RS232串口標(biāo)準(zhǔn)，DSP通過RS232控制寄存器來初始化串口：設(shè)置波特率，使能串口接收與發(fā)送等。系統(tǒng)通過定時(shí)響應(yīng)串口中斷程序完成DSP與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。DSP與下位機(jī)信號(hào)顯示燈之間通過芯片內(nèi)置外設(shè)GPIO連接，信號(hào)燈實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)。

（3）PC上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。該軟件由C++語言編寫完成，具有將解調(diào)信號(hào)記錄存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)分析和實(shí)時(shí)顯示的功能。

4 結(jié)術(shù)語

鐵路識(shí)別系統(tǒng)在重慶跨座式單軌軌道交通系統(tǒng)已投入實(shí)驗(yàn)測試階段，測試結(jié)果表明基于DSP技術(shù)的鐵路信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)具有運(yùn)算速度快，精度高，實(shí)時(shí)性好和穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。

[1] 李方慧，王飛，何佩琨. TMS320C6000系列DSPs原理與應(yīng)用[M] .北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2] 郎宗琰，郜成縉. 現(xiàn)代鐵路信號(hào)技術(shù)[M] . 成都：西南交通大學(xué)出版社，2000.

[3] TLV320AIC23B Data Manual[S] . Texas Instruments Incorporated, 2002.

[4] TL16C752B Data Manual[S] . Texas Instruments Incorporated,2002.

[5] TMS320C6000 CPU and Instruction Set Reference Guide[S] .Texas Instruments Incorporated, 2000.