國產ZP-89鐵路移頻信號發生器實驗儀設計與應用

李建國, 王小農, 賀云鵬, 黃 勇

(1. 蘭州交通大學 自動化與電氣工程學院, 甘肅 蘭州 730070；2. 蘭州鐵路集團公司蘭州電務段, 甘肅 蘭州 730050)

國產移頻軌道電路有以下兩種制式：有絕緣軌道電路ZP-89系列,無絕緣軌道電路ZPW-2000A系列[1]。國產移頻自動閉塞主要指八信息、十八信息移頻自動閉塞和ZPW-2000A無絕緣軌道電路,其中八信息和十八信息移動自動閉塞上行線采用的中心載頻選擇650 Hz和850 Hz,下行線采用的中心載頻選擇550 Hz和750 Hz,頻偏55 Hz[2]。通過對鐵路區間信號系統功能、構成原理、鐵路專用2FSK(二進制頻移鍵控)調制信號生成方法的研究,移頻信號采用載波調制,結果為低頻信號調制中心載頻信號后產生的下邊頻和上邊頻兩個載頻交替變化的正弦信號[3]。

本文以低頻信息15 Hz為例,選用AT89C51單片機,8位的DAC0832轉換器件設計實現ZP-89移頻信號發生器。證明選用晶振為12 MHz的單片機作為核心處理器件來設計上行移頻信號發生器在理論上的可行性,通過硬件設計實現上下邊頻載頻調制后輸出波形信號。該實驗儀具有系統性能穩定、可靠性高等特點。通過實驗儀的設計調試過程,可以使學生將基礎知識與專業知識相結合,將知識轉化為能力,同時該實驗儀為專業教學提供理論支持和實際應用。

1 2FSK技術簡介

鍵控法[4-5]由數字電路實現,具有調制變換速率快和可靠性高特點,被廣泛采用。二進制移頻鍵控調制(2FSK),當調制信號輸入正脈沖時,載頻信號的頻率為f0+Δf;當調制信號輸入負脈沖時,載頻信號的頻率為f0-Δf,其中f0為中心頻率,Δf為頻移,其交替變換的速率即是調制信號的頻率,也就是低頻信息。每個低頻信號它所代表的含義也是不同的,車載設備接收到低頻信息后,車載信號就可以指揮行車。

由載頻和頻偏可以得出上邊頻和下邊頻分別為：fh=f0+Δf,fl=f0-Δf,對各載頻f0進行2FSK調制計算,f0為2FSK信號的中心頻率,S(t)是2FSK信號的基本表達式,如式(1),其中AS為2FSK信號的時域幅度,g(t)是相位變化量子式,如式(2)和式(3),fc(t)為低頻調制信號,Kt為最大載頻偏移量。假設調制后的波形每個周期由128個點構成,若要使得調制后的信號被解調后能夠得到相應的低頻信息,則根據采樣定理要求,采樣的工作頻率至少為模擬信號頻譜最高頻率f2的2倍,其中,Tl=1/(fl×128),Th=1/(fh×128),f2=1/(Tl-Th)。不同載頻下要求51單片機的工作頻率見表1。

S(t)=Ascos[ω0t+g(t)]

(1)

(2)

(3)

表1 不同載頻下采樣工作頻率

2 基于單片機移頻信號發生器實驗儀的理論計算

2.1 單片機運行時間參數

單片機的機器周期為T51=12/fosc(機械周期為振蕩周期的12倍),晶振為12 MHz的單片機機器周期為1 μs,即51單片機的定時器設置為計數模式時最小定時時間為1 μs[6]。

2.2 計算驗證

以低頻fc=15 Hz為例,對載頻f0=650 Hz進行調制。國產有絕緣軌道電路ZP-89的頻偏為±55 Hz,其中：上邊頻fh=705 Hz,下邊頻fl=595 Hz。每個1/2fc之內輸出頻率為上下邊頻的正弦波,即在低頻方波信號周期的一半之內輸出正弦波的頻率為fl,另一半周期內則輸出正弦波的頻率為fh,見圖1。假設調制后的波形每個周期由128個點構成,若要使得調制后的信號被解調后能夠得到相應的低頻信息,理論上要求51單片機相鄰采樣點之間的時間間隔T=1/f=2.048 691 8 μs,f=128/(tl-th)=488 116.368 Hz,tl=1/fl=1.680 7 μs,th=1/fh=1.418 4 μs。由采樣定理知：理論上要求單片機的機器周期T51=1.024 345 9 μs,由計算得知單片機可以滿足實現ZP-89型移頻信號發生器的時序要求[7-8]。由于DAC0832用于控制D/A轉換時間的脈沖寬度不小于500 ns,即500 ns×128=64 μs,當VCC提高到15 V,其脈寬不小于100 ns,則有100 ns×128=12.8 μs,明顯D/A轉換時間符合設計要求。

圖1 ZP-89移頻信號輸出的簡略示意圖

3 ZP-89型移頻信號發生器實驗儀設計

3.1 ZP-89移頻信號發生器實驗儀硬件系統

ZP-89型移頻信號發生器[9-11]的系統設計框圖見圖2,主要包括信號調制模塊、D/A轉換及波形顯示模塊、液晶顯示模塊D/A轉換模塊及波形顯示模塊主要由D/A轉換器件DAC0832、運算放大器、示波器組成。D/A轉換器件DAC0832將單片機IO的數字量信號轉化為模擬電信號,并經放大電路放大該電信號達到示波器顯示的范圍之內,示波器顯示對應波形的周期/頻率,以及調節對應波形的振幅、輸出通道,硬件電路原理圖如圖3所示。

圖2 系統設計框圖

圖3 硬件電路原理圖

3.2 ZP-89移頻信號發生器實驗儀軟件流程

圖4為ZP-89移頻信號發生器試驗儀軟件流程圖,首先對AT89C51單片機、D/A轉換器、液晶顯示器各功能端口進行初始化。當Flag=2時,液晶顯示器其進行清屏操作,上行移頻信號發生器返回初始狀態。

3.3 ZP-89移頻信號發生器實驗儀仿真與系統測試

使用Proteus 軟件進行ZP-89移頻信號發生器實驗儀系統仿真,Proteus仿真結果如圖5所示,分析波形證明完成了設計任務。系統運行測試結果見圖6,可以看出,其顯示波形與仿真波形存在差異,可能原因是：

(1) 所用到的杜邦線之間存在干擾；

(2) 單片機開發板同示波器之間的連線過長；

(3) D/A器件的輸出端與示波器的連接線接觸不穩定。

圖4 軟件流程圖

圖5 低頻信號為15.0 Hz時的仿真結果

圖6 系統仿真運行測試結果

4 結論

本文詳細介紹了國產ZP-89鐵路移頻信號發生器實驗儀的設計,使得鐵路信號專業的學生在全面了解移頻信號原理的同時,結合已學習的單片機知識、軟件編程知識等學以致用,掌握學習的主動權以及保證專業教學實驗效果。通過學生的自我實踐,加深對專業知識的學習,進一步掌握鐵路信號專業技術和實際操作技能具有重要意義。

隨著教學改革的不斷發展、完善和改進的過程中,采用FPGA(field programmable gate array)[12]設計國產ZP-89移頻信號發生器更具有實際意義。