便攜式地鐵車地通信檢測系統(tǒng)設計

都慶慶， 梁鑒如， 楊明來, 陸鑫源, 陸善婷

(1.上海工程技術大學 電子電氣工程學院，上海 201620； 2.上海應用技術大學 軌道交通學院，上海 201418；3.上海軌道交通維護保障有限公司通號分公司，上海 200002； 4.上海工程技術大學 工程實訓中心，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)信號系統(tǒng)中，實現(xiàn)車載設備與軌旁設備之間數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)姆前踩ㄐ抛酉到y(tǒng)。在實際應用中，隨著溫度及電磁環(huán)境的變化，軌旁FSK信號收發(fā)裝置電感、電容值會發(fā)生漂移，進而影響到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)定的情況會影響TGC數(shù)據(jù)傳輸，最終造成列車運行出現(xiàn)晚點、不停站或沖出站臺等問題[1～3]。

上海地鐵二號線列車自動控制(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)重要性進一步顯現(xiàn)。二號線TGC系統(tǒng)是中央、軌旁和列車信息交換系統(tǒng)，也是列車自動運行(automatic train operation,ATO)系統(tǒng)運行、中央時刻表調整的重要環(huán)節(jié)。因此，TGC系統(tǒng)運行質量將直接影響到二號線整體運營質量。但隨著時間的推移，系統(tǒng)出現(xiàn)一些問題和故障：有些站臺的發(fā)車指示燈時常發(fā)生不亮的現(xiàn)象，多次造成列車晚點，影響正常運營，經過分析認為，問題主要集中在TGC系統(tǒng)上。據(jù)統(tǒng)計，二號線信號系統(tǒng)發(fā)生的故障中，與TGC有關的故障占25 %左右。

目前上海地鐵二號線對TGC系統(tǒng)的檢測必須動車測試，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，使得維護人員的整體維護效率大大降低。

本文設計的便攜式地鐵車地通信檢測系統(tǒng)能夠對TGC系統(tǒng)中的FSK信號進行實時檢測，可對FSK信號進行接收、解調(采用非侵入式設計，不解調通信內容)等操作，并對接收到的波形、幅值、通信質量等信息進行實時存儲、分析和顯示，可為TGC系統(tǒng)的維護提供有效的數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)維護的效率。

1 系統(tǒng)硬件設計

本裝置硬件部分分為采樣模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊，采樣模塊負責對FSK信號進行采樣、解調、分析，數(shù)據(jù)存儲模塊負責將采樣模塊處理后的數(shù)據(jù)進行處理、存儲，并通過通用分組無線業(yè)務(general packet radio service,GPRS)傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)上傳至云端服務器保存，方便工作人員遠程查看,同時數(shù)據(jù)存儲模塊還可以與地鐵巡檢人員的手持終端進行連接，方便巡檢人員實時查看設備保存的數(shù)據(jù)。

1.1 采樣模塊設計

采樣模塊由濾波、整形、解析、數(shù)據(jù)打包四個部分組成，由于TGC采用的FSK信號通常有大量的諧波，本文通過LC濾波電路進行濾波，然后經過整形電路對信號進行整形，單片機(micro controller unit,MCU)對整形后的信號進行AD采樣，并通過快速傅立葉變換(fast Fourier transform,FFT)進行解析[4]，最后對解析的數(shù)據(jù)打包后通過RS-232傳送到數(shù)據(jù)存儲模塊。采樣模塊設計框圖如圖1。

圖1 采樣模塊框圖

1.2 存儲模塊設計

存儲模塊通過RS-232從采樣模塊接收數(shù)據(jù)。將接收到的數(shù)據(jù)進行處理過濾。通過全球移動通信(global system for mobile communication,GSM)系統(tǒng)模塊SIM900A獲取當前標準時間，將處理后的數(shù)據(jù)加上時間標簽后存儲到FLASH中。同時數(shù)據(jù)也會通過GPRS發(fā)送到后臺服務器上，便于遠程監(jiān)測。存儲模塊還有一個功能是通過藍牙與地鐵巡檢人員的便攜檢測設備通信，將保存到FLASH的數(shù)據(jù)根據(jù)需要傳送到檢測設備上。儲存模塊設計框圖如圖2。

圖2 存儲模塊框圖

2 采樣原理分析

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

圖3 數(shù)字解調器原理

3 硬件電路設計

3.1 采樣模塊設計

采樣模塊接入的是室內機房信號發(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，因此需要對信號進行分壓處理。在設計過程中為了盡量減小對地鐵通信系統(tǒng)的影響，采用了無感電阻先進行分壓然后再用比例較小的變壓器對信號進行隔離。信號經變壓器副邊輸出到采樣模塊的輸入端，再經過A/D轉換、傅里葉變換得到解調的FSK信號2個頻率對應的電壓幅值，同時根據(jù)信號采樣時間的分析得到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)存儲模塊。采樣模塊采用單片機STM32F303RCT6，原理如圖4。

圖4 采樣模塊電路原理

3.2 數(shù)據(jù)存儲模塊設計

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

數(shù)據(jù)的發(fā)送是通過SIM900A的GPRS功能和HC-05藍牙實現(xiàn)的。使用GPRS可以將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠程服務器，藍牙模塊與手持便攜式檢測裝置配套使用。當手持便攜式檢測裝置經過對碼與其成功連接后，存儲模塊可以把存儲在FLASH里的數(shù)據(jù)傳送給手持測試儀。

4 軟件設計與流程

4.1 采樣模塊

采樣模塊的作用是解調輸入FSK信號，為了獲取載波頻率f1,f2以及對應的幅值，本文采用FTT對FSK信號進行解調。采樣模塊軟件設計流程如圖5所示。

圖5 采樣模塊流程

4.2 存儲模塊

該部分電路功能為：從采樣模塊通過RS-232傳送來的2個頻率信號以及對應的電壓和通信成功率加上時間戳,采用收到后即時存儲方式保存在FLASH里。該部分模塊具有藍牙組件和GPRS組件，當手持便攜式檢測裝置經過對碼與其成功連接后，存儲模塊可以把存儲在FLASH里的數(shù)據(jù)傳送給手持測試儀，也可以通過GPRS組件傳送給后臺服務器用于數(shù)據(jù)處理。由于該模塊具有GPRS組件，因此具有自動對時功能。其流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)存儲模塊流程

5 系統(tǒng)測試與分析

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間約為130 ms，通信斷開時間約為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間間隔大于1 000 ms的時間[10]。在正常通信狀態(tài)下，測量得到信號通信時間和信號幅值如圖7所示。地鐵公司提供的安全偏差范圍為0 %～7 %；經過測試，本裝置能夠準確檢測到TGC系統(tǒng)通信成功率，與實際情況相符。

圖7 正常通信狀態(tài)下的通信信號波形

6 結 論

便攜式地鐵TGC檢測系統(tǒng)可為地鐵維護提供指導和幫助信息。經過實驗室多次實驗及二號線車輛段試車線現(xiàn)場試驗驗證，本裝置可對現(xiàn)場信息進行采集和處理，且能夠將通信質量及信號接收等情況實時反映到顯示界面上，使得維護人員能夠直觀看到2FSK信號的載頻偏差率和通信成功率，從而根據(jù)接收信號的情況來判斷信號發(fā)送端硬件設備是否完好，大大減少維護人員的工作量，提高工作效率，減少維護的時間，降低維護費用。