基于OMAP-L138車載機(jī)車信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 威，聞 躍，杜普選，趙文山

（北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044）

基于OMAP-L138車載機(jī)車信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 威，聞 躍，杜普選，趙文山

（北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044）

本文以雙核處理器OMAP-L138為核心，設(shè)計(jì)了一款新型的實(shí)時(shí)高速車載機(jī)車信號處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以精確地研究與開發(fā)軌道信號的發(fā)送、接收、解調(diào)等工作。其獨(dú)特的板卡式設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性。通過對ZPW2000A信號的解調(diào)證實(shí)了系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

車載系統(tǒng)；外部存儲器接口；模/數(shù)轉(zhuǎn)換；解調(diào)

當(dāng)今的數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)為新一代機(jī)車信號設(shè)備研發(fā)提供了先進(jìn)的條件，信息存儲技術(shù)也為機(jī)車信號記錄提供了有利的條件，伴隨著JT1-CZ2000型車載機(jī)車信號系統(tǒng)中廣泛使用的STM320VC33系列的DSP芯片的漸退，選取一款新型的DSP芯片，為研發(fā)更加快速、安全、穩(wěn)定的機(jī)車信號車載系統(tǒng)顯得尤為重要。為此，在充分考查了DSP芯片的處理速度和數(shù)據(jù)傳輸效率等技術(shù)指標(biāo)后，本文設(shè)計(jì)了一種基于OMAP系列雙核浮點(diǎn)處理器的車載機(jī)車信號處理系統(tǒng)方案。

1 系統(tǒng)方案

1.1 OMAP-L138處理器簡介

OMAP-L138是一款使用C6748 VLIW DSP+ ARM926EJ-S RISC雙核結(jié)構(gòu)的高性能、低功耗浮點(diǎn)處理器，其雙核主頻高達(dá)300 MHz，單指令執(zhí)行周期小于5 ns，具有強(qiáng)大的定浮點(diǎn)高速運(yùn)算能力，內(nèi)存與外設(shè)采取統(tǒng)一編址，DSP與ARM利用共享128 kbit內(nèi)存空間進(jìn)行通信，這種方式結(jié)構(gòu)上更為簡單，性能更加安全可靠。最大可擴(kuò)展512 M的DDR2 SDRAM專用接口比現(xiàn)有的機(jī)車信號系統(tǒng)具有更大的存儲空間。外設(shè)接口豐富，如EMAC、McBSP、LCD、SATA、SD卡、USB等。

1.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)字信號處理系統(tǒng)是機(jī)車信號系統(tǒng)的核心，車載主機(jī)將軌面信息通過A/D芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再由DSP芯片進(jìn)行數(shù)字信號處理和譯碼分析，最后控制相應(yīng)的輸出顯示 。目前國內(nèi)鐵路大量使用的JT1-CZ2000型主體化機(jī)車信號主機(jī)，它的譯碼部分和輸出控制部分是由兩塊CPU分別完成的，其中采用32 bit浮點(diǎn)處理器TMS320VC33作為譯碼處理器，16 bit控制器TMS320F2407A作為輸出控制處理器，兩塊CPU之間通過雙口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這種結(jié)構(gòu)對芯片的布局和走線都有嚴(yán)格的要求，而且容易受到外界的破壞。

根據(jù)以上分析，本文提出了使用OMAP-L138雙核處理器代替上述結(jié)構(gòu)的一種新方法，一塊芯片上集成兩個(gè)CPU，交互數(shù)據(jù)模塊從昂貴的雙口RAM變成了共享RAM，可以方便的完成CPU間的數(shù)據(jù)交換工作，不僅簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，還降低了外部因素對系統(tǒng)造成破壞的可能性。該雙核系統(tǒng)采用板卡式結(jié)構(gòu)，使用DIM連接器實(shí)現(xiàn)核心板和擴(kuò)展板的鏈接，其中核心板采用SEEDDIM138評估套件，板上資源包括：OMAP-L138、NAND FLASH、DDR2、電源、ENET PHY、JTAG等。本文的主要工作在擴(kuò)展板的設(shè)計(jì)開發(fā)上，擴(kuò)展板主要包括以下幾個(gè)部分：輔助控制模塊、信號發(fā)生模塊、信號采集模塊 、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)輸出顯示模塊。該雙核系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙核系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模塊結(jié)構(gòu)

2 硬件實(shí)現(xiàn)及性能分析

2.1 輔助控制電路

OMAP-L138平臺的擴(kuò)展板上共需要3個(gè)時(shí)鐘輸出，分別控制AD7865采樣頻率的精確周期脈沖、MAX293低通濾波器的時(shí)鐘信號、DDS低頻的可變周期脈沖。但OMAP-L138核心板引出的時(shí)鐘輸出和I/O引腳有限，無法滿足時(shí)鐘輸出的要求。OMAP-L138的主時(shí)鐘為24 MHz，內(nèi)部頻率轉(zhuǎn)換后不能產(chǎn)生精確的8 192 Hz或16 384 Hz等2的冪次方的脈沖信號，若采樣頻率不是2的冪次方，則頻譜分析會比較麻煩。利用外部晶體用CPLD等硬件產(chǎn)生脈沖比較麻煩且不靈活。

綜上考慮，該系統(tǒng)選用低成本的微控制器STM32F103C6T6產(chǎn)生所需要的脈沖和輔助I/O信號，用其I2C接口與OMAP-L138通信，控制它產(chǎn)生各種頻率，同時(shí)可以擴(kuò)展矩陣鍵盤等，它的編程也很簡單。在硬件連接上，STM32的OSC_IN/OUT引腳連接一塊8 192 Hz晶體，STM32的PA0與MAX293的CLK連接（為MAX293提供300 kHz的時(shí)鐘輸入），STM32的PB1與AD7865的/CONVST連接，STM32的PA8、PB8、PB9分別與AD9831的FSEL、PSEL1、PSEL1。

2.2 信號發(fā)生模塊

該雙核系統(tǒng)的信號發(fā)生模塊是以AD9831為核心的DDS信號發(fā)生電路，可產(chǎn)生一些較復(fù)雜或較精確的信號，這些信號產(chǎn)生以后可以通過輸出端子輸出，也可以通過跳線連接到A/D端口作為信號源。通過AD9831內(nèi)部2個(gè)32 bit頻率寄存器控制其輸出信號的頻率，通過內(nèi)部4個(gè)12 bit相位寄存器控制輸出信號的相移。其中，頻率寄存器與輸出信號頻率，相位偏移寄存器與輸出信號偏移量的對應(yīng)關(guān)系由式（1）和式（2）給出：

在系統(tǒng)平臺的硬件連接上，STM32-F103C6T6的T1_CH1定時(shí)器1輸出與AD9831的FSELECT引腳連接在一起，通過控制定時(shí)器輸出時(shí)鐘的頻率，實(shí)現(xiàn)AD9831的兩個(gè)頻率寄存器的選擇以產(chǎn)生FSK信號。AD9831的兩個(gè)頻率寄存器選擇引腳PSEL0、PSEL1分別與STM32F103C6T6的通用輸入/輸出引腳相連。

2.3 信號采集模塊

該系統(tǒng)的A/D采樣轉(zhuǎn)換模塊包含兩個(gè)部分，分別是以MAX293為核心的輸入抗混疊低通濾波器及輸入緩沖電路、以AD7865為核心的并行接口A/D采樣轉(zhuǎn)換電路。

系統(tǒng)通過T1_CH2定時(shí)器為MAX293提供時(shí)鐘信號300 kHz，這樣MAX293抗混疊濾波電路的截頻就為3 kHz。這個(gè)頻率是可以通過軟件改變的。系統(tǒng)通過OMAP-L138的EMIFA（External Memory Interface A）接口并行連接AD7865芯片，采用軟件選擇的通道，通過雙向數(shù)據(jù)線DB0、DB1、DB2、DB3位決定。在選擇了轉(zhuǎn)換通道之后，給/CONVST一個(gè)負(fù)脈沖就可進(jìn)行一個(gè)轉(zhuǎn)換順序，在/CONVST 的上升沿各路模擬信號被同時(shí)采樣，最少70 ns 后BUSY 管腳輸出變?yōu)楦唠娖?，?biāo)志轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行，不能進(jìn)行新的轉(zhuǎn)換，當(dāng)它的輸出出現(xiàn)下降沿時(shí)標(biāo)志著各通道轉(zhuǎn)換結(jié)束。/CONVST 引腳與T2_CH1定時(shí)器輸出相連，可通過軟件控制AD7865的采樣頻率。BUSY 引腳與OMAP-L138的GP0相連，每次采樣完成后都會輸出一個(gè)正脈沖。/CS，/RD/，WR的控制信號由譯碼電路產(chǎn)生。

2.4 數(shù)據(jù)存儲與輸出顯示模塊

系統(tǒng)擴(kuò)展了DDR2 SDRAM芯片和NAND FLASH芯片。其中，通過外部存儲器接口EMIFA擴(kuò)展4 GB K9F4G08U0A 作為NAND FLASH芯片，可以用來存儲Bootloader和操作系統(tǒng)。通過OMAP-L138的DDR專用外部存儲器接口EMIFB擴(kuò)展512 MB K4T51163QG作為DDR2 SDRAM芯片，可以用來存儲和傳輸數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)板上利用OMAP-L138的 LCD專用接口擴(kuò)展了一塊LCM S92048A彩色液晶屏。OMAP-L138信號處理系統(tǒng)的LCD液晶顯示模塊獨(dú)立制板，LCD模塊與OMAP-L138采用連接器進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)液晶顯示功能。連接器選用40個(gè)引腳類型。系統(tǒng)前端采集到的數(shù)據(jù)信號，經(jīng)過DSP處理器的運(yùn)算分析后，結(jié)果經(jīng)共享內(nèi)存?zhèn)鬏斨罙RM處理器，由控制單元完成輸出顯示及上燈等操作，以便用戶實(shí)時(shí)觀測到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

3 軌道信號發(fā)送與解調(diào)實(shí)現(xiàn)

雙核系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)完成后，使用該系統(tǒng)進(jìn)行ZPW2000A軌道信號的發(fā)送與解調(diào)的實(shí)現(xiàn)。軟件控制AD9831循環(huán)發(fā)出多種ZPW2000A軌道信號，AD7865的采樣頻率為8 192 Hz，采用0.5 s的滾動窗口進(jìn)行數(shù)據(jù)的滾動處理，解調(diào)的結(jié)果由LCD顯示包括載頻頻率、調(diào)制頻率以及信號電壓，同時(shí)將結(jié)果存入到外部的大容量Flash 存儲器。

在對ZPW2000A信號的解調(diào)過程中，本文采用了頻域解調(diào)的方法。頻譜識別法能準(zhǔn)確直觀的找到特征功率譜，從而得出載頻和調(diào)制頻率。當(dāng)調(diào)制系數(shù)較小時(shí)，ZPW2000A頻譜能量最大值處的頻譜就是載頻，其余分量以載頻為中心等間隔排列，頻譜圖中的譜線間隔就是調(diào)制頻率。利用EDMA把采集到的數(shù)據(jù)從外部的DDR2搬移到內(nèi)部RAM中，對搬移到內(nèi)部RAM連續(xù)數(shù)據(jù)進(jìn)行8 192點(diǎn)的FFT變換，對得到的頻譜進(jìn)行功率譜的計(jì)算，在功率譜中找到最大功率的位置，為避開50 Hz奇次諧波的工頻干擾，在頻譜中取出以最大功率譜線為中心共80 Hz頻段進(jìn)行M點(diǎn)的IFFT變換，得到的新數(shù)據(jù)在做一次N點(diǎn)的FFT變換，其中M和N都是2的整次冪，此時(shí)得到的頻譜已經(jīng)被細(xì)化了N/M倍，對新的頻譜再做一次功率譜計(jì)算，找到最大值和兩個(gè)次大值的位置，其譜線間隔即為調(diào)制頻率。 具體流程圖如圖2所示。

圖2 發(fā)送與解調(diào)流程圖

上述算法在CCS3.3仿真環(huán)境下得到的ZPW2000A信號細(xì)化16倍的頻譜如圖3所示。

表1列出了實(shí)驗(yàn)中輸入和輸出的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

上述結(jié)果表明，經(jīng)該雙核系統(tǒng)處理得到載頻偏差和調(diào)制頻率偏差均符合鐵路的要求，因此，本文中實(shí)現(xiàn)的車載機(jī)車信號處理系統(tǒng)是可靠的。作為理想的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，它不僅可以在軌道信號處理中發(fā)揮作用，同時(shí)，在工業(yè)領(lǐng)域和教學(xué)領(lǐng)域也存在著許多有價(jià)值的潛在應(yīng)用。

圖5 ZPW2000A信號細(xì)化16倍頻譜

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文在硬件平臺上發(fā)送和解調(diào)的都是理想的鐵路信號，在實(shí)際的鐵路工程應(yīng)用中，還應(yīng)考慮多方面的因素。硬件上需考慮信號高可靠性的要求，如2乘2取2，或者2乘3取2原則。軟件設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮各種干擾，如抗工頻干擾、0線干擾、突發(fā)單頻干擾、調(diào)幅干擾以及各種線性、非線性干擾。

[1]杜普選，聞 越，張西峰，等. DSP技術(shù)及浮點(diǎn)處理器的應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[2]方 冬，章國寶.基于EMIF 接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（2）.

[3]付建偉.基于OMAP-L138的數(shù)字示波器微處理器數(shù)字系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2011.

責(zé)任編輯 陳 蓉

Design of on-board Signal Processing System based on OMAP-L138

LIU Wei, WEN Yue, DU Puxuan, ZHAO Wenshan

( School of Electronic and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China )

With the dual-core processor OMAP - L138 of TI company as the core, it was designed a new kind of high-speed on-board Locomotive Signal Processing System in real time. On the structure, the flexibility and extensibility was improved by the unique board card design of the System. In this article, the reach of the expected goal of the System was demonstrated through the implementation of ZPW2000A signal demodulation.

on –board system; External Memory Interface(EMIFA ); A/D; demodulation

U284.4∶TP39

A

1005-8451（2014）01-0049-04

2013-08-22

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（2012JBM006），北京交通大學(xué)人才基金（2011RC041） 。

劉 威，在讀碩士研究生；聞 躍，副教授。