移頻軌道電路發碼裝置的研究與設計

楊 城,刁艷美

（南京工業大學浦江學院,南京 211200）

移頻軌道電路是重要的信號設備之一,與普通工頻軌道電路相比,移頻軌道電路不僅能檢測列車對軌道的占用,還能傳輸行車信息。移頻軌道電路發碼裝置基于移頻鍵控（FSK,Frequency-Shift Keying）原理,將行車信息調制成移頻信號,經放大器放大后傳輸到鋼軌上,車載信號設備利用設置在第一輪對前方的線圈感應移頻信號,經過解調可得到相應的行車信息,從而實現對機車信號機的控制。因此,移頻軌道電路的發碼裝置（簡稱：軌道電路發碼裝置）輸出信號的質量對機車信號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,雖然二者對應的列車速度等級不同,但基本原理一致,都基于FSK 調制方式。

既有ZPW-2000 和FTGS 軌道電路發碼裝置存在以下問題：（1）主要由分立元件構成,電路結構較復雜,維護保養及故障處理流程較繁瑣；（2）輸出信號質量會因個別元器件老化而下降；（3）利用專用的檢修環線檢修時,需要檢修人員登車檢查每個機車信號碼的顯示情況,耗時耗力、易錯檢漏檢。 為解決上述問題,眾多研究人員進行了相關研究,田更生[1]基于可編程邏輯控制器（PLC,Programmable Logic Controller）設計了機車信號發碼環線系統,將各種制式的數據預置在PLC 內存,可產生各種制式的編碼信息,實現了向列車發送信息的功能,但采用開環控制,不能將運行結果及時反饋,有待繼續研究；蘇寶平等人[2]基于高性能單片機設計了一種便攜式機車信號發碼器,利用STM8 系列單片機的數模轉換功能產生移頻信號,濾波后輸出到發射線圈上,但所產生的移頻信號質量與單片機的速率和控制精度有關,需要程序精準控制才能使上下邊頻相位連續,設計上有一定難度；李積英等人[3]基于AVR 單片機給出了一種帶閉環監測功能的軌道電路移頻信號發碼裝置的電子化方案,利用2 個定時器分別計算調制頻率和上下邊頻的中斷時間,實現移頻信號的輸出,但該方案同樣對單片機的速率和精度有較高的要求,需要嚴格控制上下邊頻相位的連續性,該方法分辨率也低于其他方案。

基于上述研究,本文設計一種高集成度、高精度、高分辨率的軌道電路發碼裝置,利用單片機控制直接數字頻率合成器（DDS,Direct Digital Synthesizer）芯片產生指定的移頻信號,經過功率放大,輸出到機車環線,可兼顧ZPW-2000 和FTGS 這2 種移頻軌道電路。

1 移頻信號發碼方案比選

1.1 移頻信號產生方法

產生移頻信號的方法較多,比較常見的有以下3 種[4]。

（1）利用單片機按正弦波幅值在連續的時間軸上產生相應寬度的脈沖寬度調制（PWM,Pulse Width Modulation）方波,使該信號能量分布在時域上與對應的正弦波一致,再將PWM 方波通過低通濾波器,即可得到相應的正弦波波形。該方法需要存儲大量移頻信號波形數據,在工作時比較耗費單片機資源,且輸出波形平滑度與單片機及濾波器性能有較大關系,因此輸出的信號質量會受到一定限制。

（2）利用單片機控制數模轉換器（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 芯片后級加上濾波器。單片機利用數模轉換生成正弦波,本質上也是離散的,且需要一定的轉換時間,該方法對單片機的資源和速度都有一定的要求。

（3）單片機控制DDS芯片,直接輸出相位連續的FSK 調制信號,其波形具有速度快、分辨率高、相位連續等特點,還有較好的正交性,適合用來設計軌道電路發碼裝置[5-7]。

因此,本文采用第3 種方法產生軌道電路發碼裝置所需要的移頻信號。

1.2 DDS 芯片選型

DDS 芯片與傳統的頻率合成器相比,具有成本低、功耗低、分辨率高和轉換時間短等優點,通過參考頻率源產生多個頻率,利用全數字化技術合成,輸出各種頻率的波形。性價比較高的DDS 芯片參數如表1 所示。

表1 DDS 芯片參數

綜合考慮表1 中各類DDS 芯片的參數和實際外圍電路設計的復雜程度,本文選擇AD9958 芯片作為移頻信號發生電路的核心[8],主要原因如下。

（1）AD9958 芯片的時鐘主頻為500 MHz,輸出信號的分辨率可達到0.12 Hz；

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

（3）單片機可通過串行I/O 接口控制AD9958芯片,易于硬件電路的設計。

2 軌道電路發碼裝置設計

軌道電路發碼裝置采用STM32L431 單片機作為裝置的主控芯片,該單片機基于Cortex-M4 內核、主頻80 MHz、Flash 256 KB、RAM 64 KB,屬于超低功耗型號,適用于便攜式設備及低功耗設備。AD9958 芯片作為移頻信號發生電路的核心,輸出的小功率移頻信號需要功率放大電路（簡稱：功放電路）放大。后級功放電路分為兩級,第1 級為運算放大器（簡稱：運放）,用于信號的調理；第2 級為功率放大器（簡稱：功放）。軌道電路發碼裝置還設計了RS-485 通信電路,方便上位機控制,并為便攜式設備提供了按鍵和有機發光二極管（OLED,Organic Light-Emitting Diode）顯示屏。軌道電路發碼裝置結構如圖1 所示。

圖1 軌道電路發碼裝置結構

軌道電路發碼裝置可通過RS-485 通信電路和OLED 顯示屏、按鍵來進行配置。STM32L431 主控芯片接收到配置信息,并將配置信息轉化成控制數據寫入到移頻信號發生電路的AD9958 芯片,從而輸出指定的小功率移頻信號；功放電路對AD9958 芯片輸出的小功率移頻信號進行功率放大,從而輸出給測試環線,供車輛接收。

2.1 移頻信號發生電路

AD9958 芯片是移頻信號發生電路的核心,采用引腳架構芯片級封裝（LFCSP,Lead Frame Chip Scale Package）,提供高速串行外設接口（SPI,Serial Peripheral Interface）,與STM32L431 單片機的通用型輸入輸出（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）和時鐘引腳,SDIO_0～SDIO_3 為數據引腳,有4 種編程模式供用戶靈活配置；P0～P3則為調制的數據引腳,用于控制芯片內部的累加器和輸出信號的振幅。AD9958 芯片的DDS 內核電源和I/O 電源分開設計,分別為1.8 V 和3.3 V,因此,AD9958 芯片的I/O 口可直接和單片機的GPIO 相連。AD9958 芯片內部有倍頻器,外接25 MHz 有源晶振提供時鐘,經過倍頻,AD9958 芯片構成的移頻信號發生電路時鐘主頻可達500 MHz。

AD9958 芯片共有2 組輸出通道,可設計成雙移頻信號通道輸出,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 芯片的信號以電流的形式輸出,在輸出端口上并聯51 Ω電阻,將輸出電流轉換成電壓信號。為提高輸出信號的質量,本文在AD9958 芯片后級添加濾波器,以改善輸出信號的諧波失真和雜散性,提高信號的平滑程度[9-11]。圖2 為移頻信號發生電路示意。

圖2 移頻信號發生電路示意

2.2 RS-485 通信電路

RS-485 通信電路用于軌道電路發碼裝置和上位機的數據通信,通信芯片采用RS-485 收發器SP485EN,考慮到工作現場電磁環境比較惡劣,利用光耦芯片TLP785 將通信電路和單片機隔離開,并在2 條通信線纜上分別并聯1 個瞬態電壓抑制器（TVS,Transient Voltage Suppressor）管,用來保護RS-485收發器SP485EN,防止通信接口受到瞬態電壓沖擊,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 作為軌道電路發碼裝置的通信電路,主要因其利用差分形式傳輸信號,具有較好的抗干擾能力,為保證接收數據的正確性,單片機串口在接收到一串控制數據后,采用CRC 校驗和應答機制來完成一次接收,如果校驗錯誤,則請求重發。

2.3 功放電路

由于AD9958 芯片輸出的信號功率較小,所以要利用功放電路對其進行放大,并發送到環線上。功放電路采用兩級放大,第1 級為運放,第2 級為功放。經過一次放大推動功放,利用運放高輸入阻抗和低輸出阻抗的特點,匹配AD9958 芯片和后級功放間的阻抗,對硬件電路有一定的保護作用。運放選型為OP07,該運放具有低噪音、低失調電壓的特點,不需要額外考慮調零問題,適合放大AD9958 芯片的小信號。

功放則采用D 類功放,其效率高、體積小、外圍電路簡單,不需要外加散熱片,提高了軌道電路發碼裝置的便攜性。所采用的功放芯片型號為TPA3116D2,該功放在21 V 供電,4 ΩBTL 負載情況下,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 芯片輸出端設計了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 單片機軟件設計

單片機程序主要負責與上位機通信,根據指令來控制AD9958 芯片產生調制信號,并在不同制式下靈活切換載頻、頻偏及低頻編碼?？紤]到本文設計方案可能會用在便攜式設備上,軌道電路發碼裝置允許現場人員利用按鍵和OLED 顯示屏來進行配置操作。

AD9958 芯片的驅動函數主要負責產生調制信號,AD9958 芯片驅動函數的流程如圖5 所示,在調用該函數時,應設置好軌道電路的制式、載頻、頻偏和低頻編碼等參數,單片機將這些數據存儲在移頻信號配置結構體內,使 AD9958 芯片復位,設置倍頻系數為20,把AD9958 芯片的主頻配置成500 MHz。選擇CH0_IOUT 為主輸出通道,再把移頻信號配置結構體內的信息轉換成具體的上邊頻和下邊頻、幅值和相位寫入AD9958 芯片的寄存器,從而控制AD9958 芯片的輸出。

圖5 移頻信號發生流程示意

2.5 上位機軟件設計

上位機軟件采用Visual C++ 6.0 編程,利用MSComm 控件控制計算機串口與發碼裝置通信,其操作界面如圖6 所示。

圖6 上位機操作界面

上位機軟件可采用2 種方式控制軌道電路發碼裝置：（1）在其操作界面的“頻率配置”框架內選擇載頻和低頻信號,軟件自動識別出對應的編碼名稱和機車信號顯示的顏色,點擊“開始發送”按鈕,上位機即可自動循環發送該編碼對應的數據,該方式采用廣播形式發送數據；（2）直接編輯字符串來控制發碼器,“字符串發送”框架內設置了4 個文本框,可用于輸入不同編碼的二進制數據,每一條字符串包括發碼器的地址、載頻信息、低頻信息、編碼名稱等信息,選中其右側的復選框,并選中“間隔發送”功能,就可同時控制單個或幾個編碼器。上述2 種方式均可適應不同的測試場合。

3 驗證與測試

根據TB/T 3533—2018《軌道電路讀取器（TCR）》[12]及TB /T3060—2016《機車信號信息定義及分配》[13]中關于軌道電路讀取器及機車信號的技術規定,對本文研發的軌道電路發碼裝置的功能進行測試。利用示波器觀察AD9958 芯片輸出的信號波形,選取1698.7 Hz 載頻及11.4 Hz 的L 碼波形進行測試,測試波形如圖7 所示。從波形來看,AD9958 芯片輸出的正弦波具有良好的平滑度,且移頻信號相位連續。

圖7 載頻及移頻信號測試波形圖

為進一步測試軌道電路發碼裝置的性能,使用CD97-3C 型機車信號測試儀對軌道電路發碼裝置輸出的ZPW-2000 的移頻信號的載頻和低頻進行了測試,測試結果如表2 和表3 所示。

表2 ZPW-2000 載頻測試結果表單位：Hz

表3 ZPW-2000 低頻測試結果表單位：Hz

利用軌道電路測試儀對FTGS 移頻軌道電路的中心頻率及上下邊頻進行了測試,測試結果如表4 所示。

表4 FTGS 軌道電路上下邊頻測試結果表單位：Hz

由表2～表4 中的數據可知,無論是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,測試結果的最大誤差均不超過0.06 Hz,ZPW-2000 軌道電路的低頻發碼最大誤差不超過0.01 Hz。綜上,DDS 芯片輸出信號質量滿足ZPW-2000和FTGS 移頻軌道電路技術指標,符合TB/T 3112.2-2017《鐵路車站電碼化設備第2 部分：發碼、檢測、調整器》[14]對發送器的技術要求。

4 結束語

目前,本文設計的移頻軌道電路發碼裝置已在南京地鐵一號線上線運行,主要用于對車載信號設備的檢測和測試,簡化了現場檢測的流程,降低了現場信號維護人員的工作強度,對機車信號設備的故障起到了一定的預防作用。該發碼裝置利用單片機直接控制DDS 芯片產生FSK 信號的方案,能夠輸出相位連續、分辨率高、諧波噪音小、穩定性高、符合使用要求的移頻信號,解決軌道電路發碼裝置技術老舊、信號質量降低、可靠性差的問題；其設計方案降低了移頻軌道電路發碼裝置的復雜程度,減少了潛在故障點,有利于故障排查和日常維修保養,也可設計成手持式便攜發碼裝置,方便機車出入庫的檢修作業。