基于LABVIEW的ZPW-2000A移頻信號(hào)測(cè)試仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

涂玉淵 任桂麗 張長(zhǎng)軍

1. 西南交通大學(xué)，交通運(yùn)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(guó)高速鐵路快速發(fā)展的大背景下，原鐵道部將ZPW-2000A無(wú)絕緣軌道電路確定為我國(guó)鐵路自動(dòng)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(shí)現(xiàn)機(jī)車信號(hào)主體化創(chuàng)造了必備條件，成為我國(guó)鐵路自動(dòng)閉塞系統(tǒng)的首選。加大對(duì)軌道電路的研究力度，創(chuàng)造性地研發(fā)適合我國(guó)高速鐵路發(fā)展的軌道電路，對(duì)我國(guó)高速鐵路的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理具有重要意義和經(jīng)濟(jì)效益。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的應(yīng)用實(shí)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(yùn)行提供技術(shù)保障。對(duì)軌道電路移頻信息的測(cè)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(cè)試系統(tǒng)對(duì)鐵路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理具有重要作用。目前針對(duì)ZPW-2000A軌道電路的智能信息測(cè)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(tái)上開發(fā)了相應(yīng)的測(cè)試仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其 18個(gè)低頻信號(hào)、8個(gè)載頻信號(hào)的各項(xiàng)指標(biāo)仿真測(cè)試。

1 ZPW-2000A低頻信息分配方式

ZPW-2000A無(wú)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(jìn)行分配。對(duì)各種頻率信息的測(cè)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(duì)保障鐵路行車安全及日常設(shè)備運(yùn)營(yíng)維護(hù)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(hào)解調(diào)算法

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

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

2.1 FSK信號(hào)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(hào)，其時(shí)域表達(dá)式為：

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

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

② 信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)最高頻率的兩倍[1]。對(duì)于帶通信號(hào)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(hào)采樣頻率。

原信號(hào)頻譜與欠采樣信號(hào)的頻譜有如下關(guān)系：

根據(jù)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)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(guò)DSP進(jìn)行2048點(diǎn)的FFT運(yùn)算，即可達(dá)到信號(hào)的頻率分辨率要求[4]。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(cè)試18種低頻信號(hào)與8種載頻信號(hào)的任意調(diào)制信號(hào)，即應(yīng)能夠進(jìn)行18×8=144項(xiàng)低頻與載頻信息的測(cè)試。另外還應(yīng)能測(cè)試各種載頻條件下的功放電壓。從測(cè)試方式來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)又應(yīng)該具有自動(dòng)測(cè)試（默認(rèn)測(cè)試）和自定義測(cè)試（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，有選擇地測(cè)試某些項(xiàng)）功能，以滿足鐵路現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的需求。對(duì)于一個(gè)智能的測(cè)試系統(tǒng)，還應(yīng)該有自己的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，用以存放測(cè)試數(shù)據(jù)，并且能夠根據(jù)測(cè)試所得數(shù)據(jù)結(jié)合歷史測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)分析ZPW-2000A軌道電路的相關(guān)信息。

本文根據(jù)鐵路現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際，開發(fā)了基于LabVIEW平臺(tái)的測(cè)試仿真系統(tǒng)，對(duì)各測(cè)試項(xiàng)進(jìn)行仿真。測(cè)試功能主要有：各種載頻條件下的低頻、載頻信息測(cè)試，各個(gè)功放電壓的測(cè)試；在測(cè)試方式上實(shí)現(xiàn)了默認(rèn)測(cè)試和自定義測(cè)試。

3.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)分三層設(shè)計(jì)：硬件層、應(yīng)用軟件層、人機(jī)界面層（如圖1所示）。本文對(duì)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(jì)算機(jī)層（應(yīng)用軟件層、人機(jī)界面層）與硬件層的紐帶。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)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(wú)誤后，將信號(hào)采集電路采集到的頻率信號(hào)及電壓信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理。處理后的信號(hào)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(lái)的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。

（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(hào)進(jìn)行處理、測(cè)試、存儲(chǔ)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(hào)進(jìn)行量化、存儲(chǔ)等處理。將采集到的數(shù)字信號(hào)量化成計(jì)算機(jī)測(cè)試軟件能夠識(shí)別以及能夠進(jìn)行相關(guān)操作的數(shù)據(jù)，并為之分配相應(yīng)的存儲(chǔ)空間。

② 計(jì)算機(jī)測(cè)試軟件。計(jì)算機(jī)測(cè)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(jī)界面層下達(dá)的測(cè)試命令，調(diào)取測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試分析。將測(cè)試結(jié)果的相關(guān)數(shù)據(jù)送入測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，并將相關(guān)測(cè)試結(jié)果送至人機(jī)界面層。

③ 測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)。測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)采集到的測(cè)試數(shù)據(jù)、測(cè)試結(jié)果，用于故障分析、測(cè)試數(shù)據(jù)回放、打印等。

（4）人機(jī)界面層。人機(jī)界面層負(fù)責(zé)向應(yīng)用軟件層傳輸用戶下達(dá)的測(cè)試命令，并將下層傳送的測(cè)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(jī)界面層是用戶對(duì)測(cè)試系統(tǒng)直接操作的層次。

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

3.2 系統(tǒng)仿真軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)采用三級(jí)雙層界面嵌套調(diào)用的方式，即測(cè)試主界面調(diào)用測(cè)試程序界面，測(cè)試程序內(nèi)部調(diào)用測(cè)試子程序的方式。測(cè)試子程序通過(guò)對(duì)一些通用測(cè)試模塊的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)測(cè)試分析功能。通過(guò)模塊化的設(shè)計(jì)思路，既使得設(shè)計(jì)思路清晰，又使得設(shè)計(jì)過(guò)程獨(dú)立，分散了故障發(fā)生的可能性。在測(cè)試主界面程序中，與測(cè)試程序進(jìn)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(dòng)作。

第1級(jí)是主測(cè)試界面，對(duì)應(yīng)于人機(jī)界面層；第2級(jí)和第3級(jí)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(guò)仿真獲得底層數(shù)據(jù)。

3.2.1 整體流程圖

圖2為主測(cè)試模塊流程圖，整個(gè)測(cè)試操作均在該模塊的運(yùn)行界面進(jìn)行，測(cè)試中不向第二級(jí)模塊直接操作。通過(guò)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(cè)試；Global值為0，默認(rèn)測(cè)試）來(lái)選擇自定義測(cè)試或默認(rèn)測(cè)試。對(duì)低頻、載頻、電壓測(cè)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(cè)試模塊后，系統(tǒng)將調(diào)用相應(yīng)的模塊，并進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試操作。

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

圖3為第二級(jí)模塊測(cè)試流程圖。整個(gè)流程主要由初始化、測(cè)試項(xiàng)選擇、數(shù)據(jù)讀取、計(jì)算分析和測(cè)試結(jié)果顯示等四部分組成。程序通過(guò)建立電子表格路徑，讀取相應(yīng)的電子表格測(cè)試項(xiàng)數(shù)據(jù)并讀入測(cè)試項(xiàng)數(shù)組中；程序初始化時(shí)，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(shí)現(xiàn)清除歷史測(cè)試記錄的功能。測(cè)試項(xiàng)選擇部分的程序，是在初始化結(jié)果的基礎(chǔ)上，選中要測(cè)試的項(xiàng)目，并通過(guò)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(guò)分析計(jì)算，通過(guò)表格控件的坐標(biāo)計(jì)算將相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果在表格控件的相應(yīng)位置中給予顯示出來(lái)。

圖3 低頻、載頻、電壓測(cè)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(jì)思路上，測(cè)試系統(tǒng)采用三級(jí)雙層界面嵌套調(diào)用的方式，主要模塊有：主測(cè)試模塊、低頻測(cè)試模塊、載頻測(cè)試模塊和功放電壓測(cè)試模塊。調(diào)用節(jié)點(diǎn)、調(diào)用方法、屬性節(jié)點(diǎn)的合理運(yùn)用給程序設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的便利，模塊中均大量運(yùn)用了這些控件。在選擇測(cè)試模塊或者讀取相關(guān)電子表格文件的時(shí)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(gè)工程文件包位置如何移動(dòng)，程序都能夠正常調(diào)用相應(yīng)的模塊。

（1）低頻測(cè)試模塊

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

① 測(cè)試項(xiàng)初始化。測(cè)試項(xiàng)初始化包括測(cè)試項(xiàng)讀取、清除測(cè)試項(xiàng)歷史記錄兩部分。其中測(cè)試項(xiàng)讀取的過(guò)程是向預(yù)先存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的電子表格讀取所有測(cè)試項(xiàng)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(cè)試項(xiàng)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(cè)試項(xiàng)選擇程序如圖6所示。

圖4 測(cè)試項(xiàng)目的讀取程序Fig.4 Reader procedure of the test items

圖5 測(cè)試項(xiàng)目的存儲(chǔ)方式Fig.5 Storage ways of the test items

圖6 測(cè)試項(xiàng)目選擇程序Fig.6 Selection procedure of the test items

（2）載頻與功放電壓測(cè)試模塊

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

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

圖8 載頻測(cè)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(cè)試系統(tǒng)功能

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

圖9 測(cè)試器主界面Fig.9 Main interface of the test device

4.2 測(cè)試仿真與分析

基于ZPW-2000A軌道電路對(duì)鐵路現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)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(cè)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(hào)測(cè)試仿真。系統(tǒng)在低頻信號(hào)測(cè)試仿真中以 0.03Hz為最大誤差允許范圍，測(cè)試仿真如圖10所示。低頻誤差在0.03Hz內(nèi)測(cè)試結(jié)果均為“正常”，誤差在 0.03Hz外，測(cè)試結(jié)果為“誤差太大”。系統(tǒng)測(cè)試仿真達(dá)到了低頻測(cè)試指標(biāo)的基本要求，這也是實(shí)際測(cè)試系統(tǒng)所必須達(dá)到的要求。

圖10 低頻測(cè)試仿真Fig.10 Low frequency test simulation

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

圖11 載頻測(cè)試仿真Fig.11 Carrier frequency test simulation

（3）功放電壓測(cè)試仿真。功放電壓對(duì)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(cè)試時(shí)，測(cè)試了各個(gè)載頻的電壓，如圖12所示。

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

5 結(jié) 論

在ZPW-2000A信號(hào)頻率測(cè)試中，低頻信息誤差控制范圍只有0.03Hz，一般的測(cè)試器難以達(dá)到這樣的精度?；谔摂M儀器的測(cè)試系統(tǒng)具有高分辨率、高精度，能夠很好地實(shí)現(xiàn)測(cè)試要求。此外，LabVIEW 強(qiáng)大的信號(hào)處理、數(shù)學(xué)分析工具，以及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)接口功能、遠(yuǎn)程訪問(wèn)和交互式操作，能夠很好實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的升級(jí)、故障自動(dòng)分析、遠(yuǎn)程測(cè)試等?；谔摂M儀器的測(cè)試系統(tǒng)能夠很好的滿足今后測(cè)試系統(tǒng)智能化的發(fā)展要求，是今后測(cè)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(hào)解調(diào)的新方法[J]. 測(cè)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(hào)高精度檢測(cè)[J]. 機(jī)車電傳動(dòng)，2009，02: 48-50，54.[3] 袁 薇，孫景峰，樊文俠. 欠采樣與ZFFT在移頻信號(hào)檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].西安：西安理工大學(xué)，2008.