移頻軌道電路發(fā)碼裝置的研究與設(shè)計(jì)

楊 城,刁艷美

（南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院,南京 211200）

移頻軌道電路是重要的信號(hào)設(shè)備之一,與普通工頻軌道電路相比,移頻軌道電路不僅能檢測(cè)列車(chē)對(duì)軌道的占用,還能傳輸行車(chē)信息。移頻軌道電路發(fā)碼裝置基于移頻鍵控（FSK,Frequency-Shift Keying）原理,將行車(chē)信息調(diào)制成移頻信號(hào),經(jīng)放大器放大后傳輸?shù)戒撥壣?車(chē)載信號(hào)設(shè)備利用設(shè)置在第一輪對(duì)前方的線(xiàn)圈感應(yīng)移頻信號(hào),經(jīng)過(guò)解調(diào)可得到相應(yīng)的行車(chē)信息,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車(chē)信號(hào)機(jī)的控制。因此,移頻軌道電路的發(fā)碼裝置（簡(jiǎn)稱(chēng)：軌道電路發(fā)碼裝置）輸出信號(hào)的質(zhì)量對(duì)機(jī)車(chē)信號(hào)的可靠性具有一定影響。

目前,比較有代表性的移頻軌道電路有ZPW-2000 和FTGS,雖然二者對(duì)應(yīng)的列車(chē)速度等級(jí)不同,但基本原理一致,都基于FSK 調(diào)制方式。

既有ZPW-2000 和FTGS 軌道電路發(fā)碼裝置存在以下問(wèn)題：（1）主要由分立元件構(gòu)成,電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,維護(hù)保養(yǎng)及故障處理流程較繁瑣；（2）輸出信號(hào)質(zhì)量會(huì)因個(gè)別元器件老化而下降；（3）利用專(zhuān)用的檢修環(huán)線(xiàn)檢修時(shí),需要檢修人員登車(chē)檢查每個(gè)機(jī)車(chē)信號(hào)碼的顯示情況,耗時(shí)耗力、易錯(cuò)檢漏檢。 為解決上述問(wèn)題,眾多研究人員進(jìn)行了相關(guān)研究,田更生[1]基于可編程邏輯控制器（PLC,Programmable Logic Controller）設(shè)計(jì)了機(jī)車(chē)信號(hào)發(fā)碼環(huán)線(xiàn)系統(tǒng),將各種制式的數(shù)據(jù)預(yù)置在PLC 內(nèi)存,可產(chǎn)生各種制式的編碼信息,實(shí)現(xiàn)了向列車(chē)發(fā)送信息的功能,但采用開(kāi)環(huán)控制,不能將運(yùn)行結(jié)果及時(shí)反饋,有待繼續(xù)研究；蘇寶平等人[2]基于高性能單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種便攜式機(jī)車(chē)信號(hào)發(fā)碼器,利用STM8 系列單片機(jī)的數(shù)模轉(zhuǎn)換功能產(chǎn)生移頻信號(hào),濾波后輸出到發(fā)射線(xiàn)圈上,但所產(chǎn)生的移頻信號(hào)質(zhì)量與單片機(jī)的速率和控制精度有關(guān),需要程序精準(zhǔn)控制才能使上下邊頻相位連續(xù),設(shè)計(jì)上有一定難度；李積英等人[3]基于AVR 單片機(jī)給出了一種帶閉環(huán)監(jiān)測(cè)功能的軌道電路移頻信號(hào)發(fā)碼裝置的電子化方案,利用2 個(gè)定時(shí)器分別計(jì)算調(diào)制頻率和上下邊頻的中斷時(shí)間,實(shí)現(xiàn)移頻信號(hào)的輸出,但該方案同樣對(duì)單片機(jī)的速率和精度有較高的要求,需要嚴(yán)格控制上下邊頻相位的連續(xù)性,該方法分辨率也低于其他方案。

基于上述研究,本文設(shè)計(jì)一種高集成度、高精度、高分辨率的軌道電路發(fā)碼裝置,利用單片機(jī)控制直接數(shù)字頻率合成器（DDS,Direct Digital Synthesizer）芯片產(chǎn)生指定的移頻信號(hào),經(jīng)過(guò)功率放大,輸出到機(jī)車(chē)環(huán)線(xiàn),可兼顧ZPW-2000 和FTGS 這2 種移頻軌道電路。

1 移頻信號(hào)發(fā)碼方案比選

1.1 移頻信號(hào)產(chǎn)生方法

產(chǎn)生移頻信號(hào)的方法較多,比較常見(jiàn)的有以下3 種[4]。

（1）利用單片機(jī)按正弦波幅值在連續(xù)的時(shí)間軸上產(chǎn)生相應(yīng)寬度的脈沖寬度調(diào)制（PWM,Pulse Width Modulation）方波,使該信號(hào)能量分布在時(shí)域上與對(duì)應(yīng)的正弦波一致,再將PWM 方波通過(guò)低通濾波器,即可得到相應(yīng)的正弦波波形。該方法需要存儲(chǔ)大量移頻信號(hào)波形數(shù)據(jù),在工作時(shí)比較耗費(fèi)單片機(jī)資源,且輸出波形平滑度與單片機(jī)及濾波器性能有較大關(guān)系,因此輸出的信號(hào)質(zhì)量會(huì)受到一定限制。

（2）利用單片機(jī)控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC,Digital to Analog Converter）芯片,直接控制輸出正弦波波形,為讓輸出波形更加平滑,需要在DAC 芯片后級(jí)加上濾波器。單片機(jī)利用數(shù)模轉(zhuǎn)換生成正弦波,本質(zhì)上也是離散的,且需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間,該方法對(duì)單片機(jī)的資源和速度都有一定的要求。

（3）單片機(jī)控制DDS芯片,直接輸出相位連續(xù)的FSK 調(diào)制信號(hào),其波形具有速度快、分辨率高、相位連續(xù)等特點(diǎn),還有較好的正交性,適合用來(lái)設(shè)計(jì)軌道電路發(fā)碼裝置[5-7]。

因此,本文采用第3 種方法產(chǎn)生軌道電路發(fā)碼裝置所需要的移頻信號(hào)。

1.2 DDS 芯片選型

DDS 芯片與傳統(tǒng)的頻率合成器相比,具有成本低、功耗低、分辨率高和轉(zhuǎn)換時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn),通過(guò)參考頻率源產(chǎn)生多個(gè)頻率,利用全數(shù)字化技術(shù)合成,輸出各種頻率的波形。性?xún)r(jià)比較高的DDS 芯片參數(shù)如表1 所示。

表1 DDS 芯片參數(shù)

綜合考慮表1 中各類(lèi)DDS 芯片的參數(shù)和實(shí)際外圍電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度,本文選擇AD9958 芯片作為移頻信號(hào)發(fā)生電路的核心[8],主要原因如下。

（1）AD9958 芯片的時(shí)鐘主頻為500 MHz,輸出信號(hào)的分辨率可達(dá)到0.12 Hz；

（2）在功耗方面,AD9958 芯片功耗較低,在設(shè)備不工作的情況下,可便捷地通過(guò)軟件或者硬件將芯片設(shè)置成斷電模式；

（3）單片機(jī)可通過(guò)串行I/O 接口控制AD9958芯片,易于硬件電路的設(shè)計(jì)。

2 軌道電路發(fā)碼裝置設(shè)計(jì)

軌道電路發(fā)碼裝置采用STM32L431 單片機(jī)作為裝置的主控芯片,該單片機(jī)基于Cortex-M4 內(nèi)核、主頻80 MHz、Flash 256 KB、RAM 64 KB,屬于超低功耗型號(hào),適用于便攜式設(shè)備及低功耗設(shè)備。AD9958 芯片作為移頻信號(hào)發(fā)生電路的核心,輸出的小功率移頻信號(hào)需要功率放大電路（簡(jiǎn)稱(chēng)：功放電路）放大。后級(jí)功放電路分為兩級(jí),第1 級(jí)為運(yùn)算放大器（簡(jiǎn)稱(chēng)：運(yùn)放）,用于信號(hào)的調(diào)理；第2 級(jí)為功率放大器（簡(jiǎn)稱(chēng)：功放）。軌道電路發(fā)碼裝置還設(shè)計(jì)了RS-485 通信電路,方便上位機(jī)控制,并為便攜式設(shè)備提供了按鍵和有機(jī)發(fā)光二極管（OLED,Organic Light-Emitting Diode）顯示屏。軌道電路發(fā)碼裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 軌道電路發(fā)碼裝置結(jié)構(gòu)

軌道電路發(fā)碼裝置可通過(guò)RS-485 通信電路和OLED 顯示屏、按鍵來(lái)進(jìn)行配置。STM32L431 主控芯片接收到配置信息,并將配置信息轉(zhuǎn)化成控制數(shù)據(jù)寫(xiě)入到移頻信號(hào)發(fā)生電路的AD9958 芯片,從而輸出指定的小功率移頻信號(hào)；功放電路對(duì)AD9958 芯片輸出的小功率移頻信號(hào)進(jìn)行功率放大,從而輸出給測(cè)試環(huán)線(xiàn),供車(chē)輛接收。

2.1 移頻信號(hào)發(fā)生電路

AD9958 芯片是移頻信號(hào)發(fā)生電路的核心,采用引腳架構(gòu)芯片級(jí)封裝（LFCSP,Lead Frame Chip Scale Package）,提供高速串行外設(shè)接口（SPI,Serial Peripheral Interface）,與STM32L431 單片機(jī)的通用型輸入輸出（GPIO,General-purpose Input/Output）口相連接,CS 引腳和SCLK 分別是SPI 接口的片選（低電平有效）和時(shí)鐘引腳,SDIO_0～SDIO_3 為數(shù)據(jù)引腳,有4 種編程模式供用戶(hù)靈活配置；P0～P3則為調(diào)制的數(shù)據(jù)引腳,用于控制芯片內(nèi)部的累加器和輸出信號(hào)的振幅。AD9958 芯片的DDS 內(nèi)核電源和I/O 電源分開(kāi)設(shè)計(jì),分別為1.8 V 和3.3 V,因此,AD9958 芯片的I/O 口可直接和單片機(jī)的GPIO 相連。AD9958 芯片內(nèi)部有倍頻器,外接25 MHz 有源晶振提供時(shí)鐘,經(jīng)過(guò)倍頻,AD9958 芯片構(gòu)成的移頻信號(hào)發(fā)生電路時(shí)鐘主頻可達(dá)500 MHz。

AD9958 芯片共有2 組輸出通道,可設(shè)計(jì)成雙移頻信號(hào)通道輸出,CH0_IOUT 作為主輸出, CH1_IOUT為備用,在主輸出故障的情況下使用。AD9958 芯片的信號(hào)以電流的形式輸出,在輸出端口上并聯(lián)51 Ω電阻,將輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。為提高輸出信號(hào)的質(zhì)量,本文在AD9958 芯片后級(jí)添加濾波器,以改善輸出信號(hào)的諧波失真和雜散性,提高信號(hào)的平滑程度[9-11]。圖2 為移頻信號(hào)發(fā)生電路示意。

圖2 移頻信號(hào)發(fā)生電路示意

2.2 RS-485 通信電路

RS-485 通信電路用于軌道電路發(fā)碼裝置和上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信,通信芯片采用RS-485 收發(fā)器SP485EN,考慮到工作現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境比較惡劣,利用光耦芯片TLP785 將通信電路和單片機(jī)隔離開(kāi),并在2 條通信線(xiàn)纜上分別并聯(lián)1 個(gè)瞬態(tài)電壓抑制器（TVS,Transient Voltage Suppressor）管,用來(lái)保護(hù)RS-485收發(fā)器SP485EN,防止通信接口受到瞬態(tài)電壓沖擊,圖3 為RS-485 通信電路示意。

圖3 RS-485 通信電路示意

采用RS-485 作為軌道電路發(fā)碼裝置的通信電路,主要因其利用差分形式傳輸信號(hào),具有較好的抗干擾能力,為保證接收數(shù)據(jù)的正確性,單片機(jī)串口在接收到一串控制數(shù)據(jù)后,采用CRC 校驗(yàn)和應(yīng)答機(jī)制來(lái)完成一次接收,如果校驗(yàn)錯(cuò)誤,則請(qǐng)求重發(fā)。

2.3 功放電路

由于AD9958 芯片輸出的信號(hào)功率較小,所以要利用功放電路對(duì)其進(jìn)行放大,并發(fā)送到環(huán)線(xiàn)上。功放電路采用兩級(jí)放大,第1 級(jí)為運(yùn)放,第2 級(jí)為功放。經(jīng)過(guò)一次放大推動(dòng)功放,利用運(yùn)放高輸入阻抗和低輸出阻抗的特點(diǎn),匹配AD9958 芯片和后級(jí)功放間的阻抗,對(duì)硬件電路有一定的保護(hù)作用。運(yùn)放選型為OP07,該運(yùn)放具有低噪音、低失調(diào)電壓的特點(diǎn),不需要額外考慮調(diào)零問(wèn)題,適合放大AD9958 芯片的小信號(hào)。

功放則采用D 類(lèi)功放,其效率高、體積小、外圍電路簡(jiǎn)單,不需要外加散熱片,提高了軌道電路發(fā)碼裝置的便攜性。所采用的功放芯片型號(hào)為T(mén)PA3116D2,該功放在21 V 供電,4 ΩBTL 負(fù)載情況下,可輸出50 W 功率,效率為90%以上。TPA3116D2芯片的2 路功放通道,1 路提供給AD9958 芯片的主通道,另外1 路提供給備用通道,TPA3116D2 芯片輸出端設(shè)計(jì)了LC 濾波器和EMI C-RC 緩沖器,圖4為功放電路示意。

圖4 功放電路示意

2.4 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)程序主要負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信,根據(jù)指令來(lái)控制AD9958 芯片產(chǎn)生調(diào)制信號(hào),并在不同制式下靈活切換載頻、頻偏及低頻編碼?？紤]到本文設(shè)計(jì)方案可能會(huì)用在便攜式設(shè)備上,軌道電路發(fā)碼裝置允許現(xiàn)場(chǎng)人員利用按鍵和OLED 顯示屏來(lái)進(jìn)行配置操作。

AD9958 芯片的驅(qū)動(dòng)函數(shù)主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生調(diào)制信號(hào),AD9958 芯片驅(qū)動(dòng)函數(shù)的流程如圖5 所示,在調(diào)用該函數(shù)時(shí),應(yīng)設(shè)置好軌道電路的制式、載頻、頻偏和低頻編碼等參數(shù),單片機(jī)將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在移頻信號(hào)配置結(jié)構(gòu)體內(nèi),使 AD9958 芯片復(fù)位,設(shè)置倍頻系數(shù)為20,把AD9958 芯片的主頻配置成500 MHz。選擇CH0_IOUT 為主輸出通道,再把移頻信號(hào)配置結(jié)構(gòu)體內(nèi)的信息轉(zhuǎn)換成具體的上邊頻和下邊頻、幅值和相位寫(xiě)入AD9958 芯片的寄存器,從而控制AD9958 芯片的輸出。

圖5 移頻信號(hào)發(fā)生流程示意

2.5 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用Visual C++ 6.0 編程,利用MSComm 控件控制計(jì)算機(jī)串口與發(fā)碼裝置通信,其操作界面如圖6 所示。

圖6 上位機(jī)操作界面

上位機(jī)軟件可采用2 種方式控制軌道電路發(fā)碼裝置：（1）在其操作界面的“頻率配置”框架內(nèi)選擇載頻和低頻信號(hào),軟件自動(dòng)識(shí)別出對(duì)應(yīng)的編碼名稱(chēng)和機(jī)車(chē)信號(hào)顯示的顏色,點(diǎn)擊“開(kāi)始發(fā)送”按鈕,上位機(jī)即可自動(dòng)循環(huán)發(fā)送該編碼對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù),該方式采用廣播形式發(fā)送數(shù)據(jù)；（2）直接編輯字符串來(lái)控制發(fā)碼器,“字符串發(fā)送”框架內(nèi)設(shè)置了4 個(gè)文本框,可用于輸入不同編碼的二進(jìn)制數(shù)據(jù),每一條字符串包括發(fā)碼器的地址、載頻信息、低頻信息、編碼名稱(chēng)等信息,選中其右側(cè)的復(fù)選框,并選中“間隔發(fā)送”功能,就可同時(shí)控制單個(gè)或幾個(gè)編碼器。上述2 種方式均可適應(yīng)不同的測(cè)試場(chǎng)合。

3 驗(yàn)證與測(cè)試

根據(jù)TB/T 3533—2018《軌道電路讀取器（TCR）》[12]及TB /T3060—2016《機(jī)車(chē)信號(hào)信息定義及分配》[13]中關(guān)于軌道電路讀取器及機(jī)車(chē)信號(hào)的技術(shù)規(guī)定,對(duì)本文研發(fā)的軌道電路發(fā)碼裝置的功能進(jìn)行測(cè)試。利用示波器觀察AD9958 芯片輸出的信號(hào)波形,選取1698.7 Hz 載頻及11.4 Hz 的L 碼波形進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試波形如圖7 所示。從波形來(lái)看,AD9958 芯片輸出的正弦波具有良好的平滑度,且移頻信號(hào)相位連續(xù)。

圖7 載頻及移頻信號(hào)測(cè)試波形圖

為進(jìn)一步測(cè)試軌道電路發(fā)碼裝置的性能,使用CD97-3C 型機(jī)車(chē)信號(hào)測(cè)試儀對(duì)軌道電路發(fā)碼裝置輸出的ZPW-2000 的移頻信號(hào)的載頻和低頻進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表2 和表3 所示。

表2 ZPW-2000 載頻測(cè)試結(jié)果表單位：Hz

表3 ZPW-2000 低頻測(cè)試結(jié)果表單位：Hz

利用軌道電路測(cè)試儀對(duì)FTGS 移頻軌道電路的中心頻率及上下邊頻進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表4 所示。

表4 FTGS 軌道電路上下邊頻測(cè)試結(jié)果表單位：Hz

由表2～表4 中的數(shù)據(jù)可知,無(wú)論是ZPW-2000移頻軌道電路的載頻,還是FTGS 移頻軌道電路的上下邊頻,測(cè)試結(jié)果的最大誤差均不超過(guò)0.06 Hz,ZPW-2000 軌道電路的低頻發(fā)碼最大誤差不超過(guò)0.01 Hz。綜上,DDS 芯片輸出信號(hào)質(zhì)量滿(mǎn)足ZPW-2000和FTGS 移頻軌道電路技術(shù)指標(biāo),符合TB/T 3112.2-2017《鐵路車(chē)站電碼化設(shè)備第2 部分：發(fā)碼、檢測(cè)、調(diào)整器》[14]對(duì)發(fā)送器的技術(shù)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前,本文設(shè)計(jì)的移頻軌道電路發(fā)碼裝置已在南京地鐵一號(hào)線(xiàn)上線(xiàn)運(yùn)行,主要用于對(duì)車(chē)載信號(hào)設(shè)備的檢測(cè)和測(cè)試,簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的流程,降低了現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)維護(hù)人員的工作強(qiáng)度,對(duì)機(jī)車(chē)信號(hào)設(shè)備的故障起到了一定的預(yù)防作用。該發(fā)碼裝置利用單片機(jī)直接控制DDS 芯片產(chǎn)生FSK 信號(hào)的方案,能夠輸出相位連續(xù)、分辨率高、諧波噪音小、穩(wěn)定性高、符合使用要求的移頻信號(hào),解決軌道電路發(fā)碼裝置技術(shù)老舊、信號(hào)質(zhì)量降低、可靠性差的問(wèn)題；其設(shè)計(jì)方案降低了移頻軌道電路發(fā)碼裝置的復(fù)雜程度,減少了潛在故障點(diǎn),有利于故障排查和日常維修保養(yǎng),也可設(shè)計(jì)成手持式便攜發(fā)碼裝置,方便機(jī)車(chē)出入庫(kù)的檢修作業(yè)。