基于dsp的轨道移频信号检测设计(tms320f(编辑修改稿)

基于dsp的轨道移频信号检测设计(tms320f(编辑修改稿)内容摘要：

cuit design .................................... 47 Chapter 6Software design process ....................................................... 48 Software flow design .................................................................. 48 Subroutine design ....................................................................... 49 A/D progra m design .............................................................. 49 Keyboard programming ........................................................ 50 The display circuit design program ...................................... 51 The serial co mmunicatio n software design........................... 53 Conclusion........................................................................................... 55 Acknowledgements .................................................. 错误 !未定义书签。 References ........................................................................................... 56 Appendix ............................................................................................. 58 1 第 1 章 绪论 课题研究背景 铁路作为国民经济的重要基础设施，是交通大动脉，作为人员和 大众 货物的主要运输工具，为经济发展、社会进步、提高人们生活质量做 出很大 贡献。 随着科技发展，列车运行速度不断提高以及重载发展对铁路运输系统是一个很大的挑战。 为了提高运输能力，除了提高列车运行速度，增加新干线外，信号通信 设备 的技术改造及干线通信测量系统的配套建设，积极发展铁路自动化，也具有十分重要的意义。 信号设备一般分为车站联锁设备、区间闭塞设备、机车信号和列车运行控制设备、调度监督和调度集中设备、驼峰调车设备和道口信号 设备。 闭塞是区间的行车组织方法。 区间闭塞设备主要有半自动闭塞和自动闭塞 [1]。 当前机车运行所用的检测控制信号基本上为移频信号，故 对自动闭塞区间的移频信号进行深入探究具有很大的意义。 国内外研究现状 我国铁路应用的列车信号是建立在机车轨道电路基础上的连续或者接近连续式的列车信号。 历史上， 我国 不同线路的区段有各种类型的自动闭塞，不同 的自动闭塞制式产生不同制式的机车信号。 不通的机车信号与相应的自动闭塞制式配套，但 相互之间 不能通用，同时相同 制式下的非电气化和电气化的区段内不能通用。 所以建立2 一套铁路列车信号的 统一规范标准是非常重要的。 当前，我国 铁路列车信号实行统一标准规范化， 目的是 能够 保证铁路运行 过程中 的 快速 性和 安全 性。 我国铁路信号主要是用相位连续的移频键控调制方式（简称 FSK 方式）。 FSK 信号是利用数字信号 对载波频率进行键控调制的信号。 通过此种信号对 列车 的 位置等工作状态进行检测，其中有几项参数必须检测，分别是载频频率、低频频率和频偏以及 上下边频。 在信号检测方面，一些发达国家已经具有非常成熟的理论基础并研制出适合本国需求的检测仪表。 现如今，传统方法已经不能满足当今铁路快速发展，随着 芯片产业的发展，使得现如今的 芯片具有速度更快，容量更大，消耗功率更低等明显优势，这为我国的移频信号控制系统发展提供了有利条件。 本世纪初至今，我国一些科研机构以及高校对此进行了大量研究并取得了一些成果。 论文主要研究内容 本 论文的目的是研究 轨道 移频信号 的 检测方法 ， 并分析如何能快速准确的检测出信号的参数，主要检测的参数有：低频调制频率、载频中心频率、频偏、以及上下边频频率。 现将各部分分别介绍如下： 第一部 分主要 介绍 轨道电路 以及闭塞 原理 并介绍它们的载频分配特点以及低频配置情况 ； 第二部分主要 利用傅里叶变换 对信号进行频谱分析 ，说明移频信号频谱特点， 同时介绍在工程中非常实用的快速傅里叶变换（ FFT）以及欠采样技术。 对以上各部分给出 MATLAB 仿 真 ； 第三部分主要 介绍 移频信号检测系统的主要硬件设计 方案 以及硬件选择 ； 3 第四部分主要说明整个系统工作流程，给出相应的 总 程序流程图以及 子程序流程图。 4 第 2 章 移频轨道电路 轨道电路 轨道电路概述 轨道电路 是 以一段铁路线路的钢轨为导体构成的电路，用于自动、连续检测这段线路是否被机车车辆占用，也用于控制信号装置或转辙装置，以保证行车安全的设备。 整个轨道系统路网以 适当距离区分成许多闭塞 区间，各闭塞区间以轨道绝缘接头 隔开 ，形成一独立轨道电路，各区间的起始点皆设有号志机（色灯式号志），当列车进入 某 闭塞区间后， 则该区间 轨道电路立即反应，并 向相邻闭塞区间 传达本区间已有列车通行，禁止其他列车进入的信息至信号机，此时位于区间入口的 信号机 ，立即显示险阻禁行的信息。 轨道电路构成 轨道电路由钢轨线路和钢轨绝缘构成，其有两个作用，一是监督铁道路线的占用情况，也就是利用轨道电路监督机车在区间或机车和调车车列在站内的占用情况，反映该区间段线路是否空闲，为开放信号和建立进站提供依据 [2]。 二是将列车 的运行和信号显示联系起来，就是通过轨道电路像机车传递列车行驶信息。 移频自动闭塞系统使用轨道电路是为了传递不同频率的信息来反映在当前列车前面行驶列车的确切位置，并决定了各个信号机信号灯的显示，为列5 车的行驶提供确切的运行命令。 轨道电路的线路是由钢轨绝缘、钢轨条和轨端连接线等组成。 钢轨绝缘是为了分割划分回路而设置的。 两个绝缘节之间的钢轨线路，称为轨道电路。 轨端连接线是为了减小钢轨接头处的电阻值并接通钢轨电路。 轨道电路由铁路的钢轨作为导体，并在两段加上机械或电气绝缘，以及送电设备和受电设备所组成的电路。 实际电路图 请见图 21。 轨道电路的工作原理 送 电 端钢 轨受 电 端钢 轨 绝 缘轨 端 连 接 线轨 道 继 电 器 G J轨 道 电 源 E限 流 器引 接 线 图 21 轨道电路构成示意图 根据上图来对轨道电路工作原理进行具体分析 [3]：当铁路的某个区段内为空闲时，轨道继电器与轨道电源可以组成回路，所以轨道继电器 GJ 线圈吸合，并发送指令命令相关路段的信号灯显示为绿色。 6 当该区段有列车通过时，由于列车的车轮具有非常良好的导电性，所以，轨道继电器流过的电流会大大减小，于是轨道继电器内的电流也会减少很多，其线圈由于吸力过小而 使 原来吸合的衔铁释放，此时接通了红色信号 机的 电路，于是信号灯变成红色，而绿色信号灯熄灭。 此电路的目的是防止 列车的后方列车距离前方列车的距离过短，从而防止追尾等事故的发生。 闭塞方式分类 闭塞设备是提高运输效率、保证区间行车安全的区间信号设备。 我国目前主要采用的是半自动闭塞和自动闭塞。 半自动闭塞大多用于单线铁路 ,而自动闭塞则更多用于双线铁路。 人工闭塞 是以人工记录列车的运行位置和控制色灯信号机的闭塞方法。 在发车前，接发车双方的车站或线路所共同确认闭塞区间是处于空闲状态，然后发车的车站或线路所使用路签机、路牌、路票等记录本段区间已 经被占用，并把占用信息通过电话、电报等手段通知接车的车站或线路所。 接车的车站或线路所有责任在列车到达后检查车辆到达编组是否完整，是否有部分车厢滞留在区间未到达。 在列车到达前，发车车站应阻止后续运行的列车进入这一区间，接车车站应阻止反向运行的列车进入这一区间。 半自动闭塞 是以人工确认区间空闲，发车后由轨道电路判断车辆进入区间7 后自动把区间设置为占用状态的闭塞方法。 此种闭塞需人工办理闭塞手续，列车凭出站信号机的进行显示发车，但列车出发后，出站信号机能自动关闭，所以叫半自动闭塞。 列车 进入区间后，轨道 电路会 连锁 控制色灯信号机，把占用信息通知到双方车站。 车辆到达后，仍需要人工检查车辆到达编组完整，由人工把区间状态复位 为空闲状态。 自动闭塞 是以计轴设备自动计算进入该区间的车轴数目和离开该区间的车轴数目，从而自动判断区间空闲状态的闭塞方法。 通过列车运行及闭塞分区的情况，通过色灯信号机可以自动变换显示，列车凭信号机的显示行车，这种闭塞方法完全是自动控制进行的，不需要人工操纵，故叫自动闭塞。 自动闭塞是由运行中的列车自动完成闭塞任务的一种设备。 车辆进入或离开区间将自动连锁控制色灯信号机的状态。 移频自动闭塞 由于轨道信号传输的距离较长，为了增加信号传输距离并增加信号的抗干扰性，所以出现了使用移频信号来传送信息的方法。 现以图示说明来解释 移频自动闭塞区段 信号传输，当列车 A 占用闭塞分区 a 时 ， 防护该闭塞区间的通过信号机 2 显示红灯。 此 时通过信号机 2 的发送设备则自动向后方闭塞分区的 接收 设备 b， 发送以 26Hz为低频、 中心载频 850Hz 的移频信号 ， 当防护闭塞分区 b 的通过信号机 4 的接收 设备 收到此移频信号后 ， 使通过信号机 4 显示黄灯。 此时通过信号机 4 的发送设备也自动向其后方闭塞分区 c 发送以8 15Hz 为低频， 调制中 心频率 650Hz 的移频信号 ， 在防护闭塞分区 c的通过信号机 6 的接受设备收到此移频信号后 ， 使通过信号机 6 显示绿灯。 同样 ， 信号机 6 的发送设备又自动向闭塞分区 d 发送以 11Hz调制中心频率 850Hz 的移频信号 ,当防护闭塞分区 d 的通过信号信号机 8 的接受设备收到此移频信号时 ， 通过信号机 8 也点亮绿灯。 因此追踪列车 B 的司机 可以以正常运行状态 驾驶机车 [ 4]。 上 行 方 向8642Babcd6 5 08 5 06 5 06 5 08 5 0( 1 1 H Z )( 2 6 H Z )( 1 5 H Z ) 图 22 移频自动闭塞区段信号传输示意图 移频自动闭塞特点 根据移频自动闭塞的调频原理，再通过合理设 置低频和载频的频率，并对系统结构进行优化，使得此种制式具有以下几个特点：一是既 适用 非电化区段 ，同时也适应电气化区段；二是具有较高的抗干扰性，并且通过系统结构改造和采用 高速 芯片处理技术，可以加快处理速度，增加信息量。 三是符合故障 —— 安全的原则，在受到干扰 或故障 情况下，能够以最快的速度消除干扰和故障。 9 在移频自动闭塞中，低频信号用于控制通过信号机的显示信号，载频 是作为低频的载频，并且能很大程度上的增加抗干扰能力，整个移频信号中最重要的是 基 频的测量信号，直接指挥列车的运行，因此准确测量移 频信号中的 基频 信息非常重要。 轨道 移频信号频率参数的配置 移频信号以载频 为中心， 选择频偏 即可确定上下边频 ，实际在传输信号的时候上下边频交替变换，每交替一次所用时间称作时间 T，这个时间 T 称为信号的低频周期。 我国自动移频闭塞设备的中心频率一共采用四种，即上行线路采用 650Hz 和 850Hz，下行线路采用 550Hz 和 750Hz。 而低频控制信号频率有四种分别为 11Hz、 15Hz、 20Hz、 26Hz，分别对四种中心频率 进行调制后的信号 波形，频偏 统一为 55Hz。 由此可知，每个闭塞区间轨道中所传输的移频信号，实际上市上边频 和下边频 两个交替变换的正弦交流信号，即有 再有每秒内变换 次，它们的频率如表 21 所示： 表 21 国产 18 信息 铁路移频信号频率表 （ Hz） （ Hz） （ Hz） （ Hz） （ Hz） （ Hz） （ Hz） （ Hz） 550 55 495 605 750 55 695 805 650 55 595 705 850 55 795 905 在工程应用中，需要在信号检测时达到的频率指标为： 载频频率误差： ≤ 低频调制频率误差：≤ 10 频率分辨率：≤ 11 第 3 章 移频轨道信号的特点 分析 轨道 移频 信号 频谱分析 移频键控（简称 FSK）调制 是 一种利用。