专利名称：轨道电路移频信号参数测量系统的制作方法
技术领域：
本发明为铁路交通系统中轨道电路移频键控信号参数测量系统，用于轨道电路 FSK移频键控信号参数的自动测量，涉及移频轨道电路自动检测技术。
背景技术：
在铁路交通系统中，通常利用移频键控信号检查有无列车、传递列车占用信息及 实现地面与列车间互通信息。轨道移频键控信号是一种用低频信号(调制信号)的高低电 平分别选通高频信号(载频信号)而产生的。目前，国内主要采用的轨道移频键控电路有国 产移频轨道电路信号和引进UM71无绝缘轨道电路。国产移频轨道电路的低频调制频率从 10. 3Hz到29Hz中选取了 18种作为低频调制频率，引进UM71低频调制频率从7Hz到29Hz 中选取了 18种作为低频调制频率。轨道电路提供的信号作为行车凭证，司机完全按照该信 号操纵列车运行。研制稳定、可靠的检测设备来实时、高精度地检测轨道电路信号参数，确 保轨道电路信号受到实时监测，及时发现故障隐患，对于列车安全运行具有重要意义。轨道电路FSK移频键控信号是一种周期信号，当前采用的测量方法可分为频域方 法和时域方法两类。频域方法即为鉴频法，通常采用频谱分析方法对轨道电路信号进行分 析，该方法进行FFT变换时需要对轨道信号进行整周期采样，而在实际的轨道电路信号不 但具有数字通信的优点，而且具有非线性调制的特点，因此很难满足对所有信号都进行整 周期采样。另外，频谱分析法虽能测出信号的频率参数和有效值参数，但是丢失了载频和频 偏信息，进而不能确定信号的上、下边频。因而利用常规的频谱分析方法对所有轨道电路信 号进行实时高精度检测具有存在一定的困难。近年来，国内的相关研究中比较前沿的是提 出了运用现代谱估计参数检测方法。其基本思想是在进行谱估计过程中对观测到的有限数 据不作任何确定性假设，在对这些数据如何产生具有一定先验知识的基础上，采用外推或 预测的方法，推断求出以后的数据。其中比较成熟的是现代谱估计方法中的Burg方法。另 外还有人尝试着将短时傅立叶变换和小波变换甚至分形理论应用到轨道信号的检测中去。 这些理论方面的研究虽然已经取得了一定的成绩，但要将其应用到实际工程中去还需要进 一步的努力。时域方法多采用移频信号过零周期检测法。机车信号的调制频率在一段时间即半 调制周期之内其数值不会发生变化，其对实时性的要求不高，因而我们可以利用这段时间 以内的全部信号来进行处理，进而可以增加利用软件进行数学方法处理的可能。过零周期 检测法就是根据这一特点进行的。移频信号过零周期检测法的处理过程为首先对移频信 号进行滤波处理，将工频干扰和大部分噪声滤除以后，经过整形形成方波信号，然后通过计 数器进行计数得到一个计数序列N1, N2-, Nn，最后通过CPU处理单元进行软件解调得到信 号的各参数。这种时域检测法有明显的时间效果，对信号的品质和计数脉冲的稳定性有较 高的要求，对信号前置滤波器的要求也较高。在小噪声条件下，时域检测方法的测量精度主 要取决于高频计数时钟的频率大小，频率越大则精度越高。当前时域检测法主要采用单片 机进行过零周期检测实现轨道信号的参数测量。由于单片机工作频率较低，计数时钟频率较低，因此实际测量精度和结果较差。当信号中含有较大的噪声干扰时，干扰信号会改变原 信号的过零点位置，导致测量结果和精度急剧下降。
发明内容
本发明给出了一种轨道电路移频键控信号测量方案，系统以一块高性能FPGA和 ARM作为核心处理器单元，前级信号处理电路包括信号滤波和整形，然后进行鉴频，并将运 算结果输出到LCD上显示，轨道电路信号参数测量系统结构框图见图1，FPGA主要完成对 由FSK信号变换的方波信号进行整周期计数，并将计数结果存入内部双口 RAM进行缓冲， 然后将数据送入ARM进行处理和软件解调；系统测量方波周期的精度在很大程度上决定于 高频量化时钟的大小，如果高频量化时钟太大，则计数值的宽度增加，存储计数值时需要的 RAM单元增加，本系统采用30M高频高稳定的时钟进行整周期计数，有效的保证了系统的测 量精度，同时FPGA的快速性保证了系统的响应速度；FPGA测量轨道电路信号原理见图2所 示，ARM主要完成轨道电路信号电压测量，并对FPGA测量的数据进行计算，并将测量结果在 IXD上显示。在本发明中，轨道电路FSK信号参数测量系统具有以下技术特征(a)采用FPGA和ARM实现FSK信号测量，传统的时域测量方式一般以单片机或DSP 单CPU为核心，CPU在测周期的同时还要负担电压测量与实时显示等任务，测量的实时性较 差，系统中将测周期与电压测量和显示分开，FPGA专用于周期测量，ARM用于电压测量和实 时显示控制，保证了系统的实时性和高精度；(b)信号采用非过零比较方式进行信号整形，传统时域方法多采用过零周期检测 法，这种方法容易受到外界干扰，外界有干扰时，零点产生偏移，导致检测过零位置不准确， 造成载波频率出现较大偏差，本系统对移频信号的检测采用一种非过零比较方法，使零点 偏移几乎对系统检测精度不产生影响；(c)利用FPGA实现双口 RAM和模拟串口功能，采用FPGA内嵌的RAM模块M4K实 现双口 RAM用于数据缓存，保证数据的高速双向传输，实现模拟串口功能与ARM进行实时通(d)利用ARM处理器实现接收测量数据，并对测量数据进行解调，FPGA将测量数据 通过模拟串口送ARM处理器，在ARM中进行软件解调；(e)对畸变数据和误差进行补偿，由于上、下边频交换时非整周期切换，导致交 界点可能是一个周期的任意点上，交界点可能是前一频率的后半部分和后一频率的前半 部分结合，交界点处计数值为随机的，导致系统的调制频率较难准确地测量，见图3所示， 假设两种上、下边频信号为fu，fd，那么在理论量化时钟的计数值分别为Cu，Cd，其中Cu = 30000000/fu, Cd = 30000000/fd，两种频率交界点处畸变为 Cs，Cs = C' U+C' d，其中 C' u， C' d分别为交界点处随机值Cs属于载频信号fu，fd部分；根据轨道电路移频键控信号相位连续的特征，可以得到》+’ = 1，由此可以计算出交界点处的随机计数值分配到不同载Cu Crf频信号的分量:c: = Cfd;Cs)，rc"、。本方案实施效果该移频键控信号测量系统适用于国产18信息和引进技术的ZPW2000两种制式的轨道电路信号，并自动进行识别，当ARM处理器接收到测量数据后，对 畸变数进行有效处理，并将测量结果用U8X64的LCD进行显示，系统可达到以下的测量精 度和技术指标中心频率和频偏(或上、下边频)频率分辨能力< 0. IHz中心频率检测误差彡0. 2Hz频偏检测误差彡0.2Hz低频调制频率频率分辨能力彡0. OlHz检测误差<0·03Ηζ移频信号电压
电压测量分辨率彡0. 1 %电压测量误差彡0.5%处理时间彡3s
附图1本发明方法所需硬件结构框图；附图2FPGA测量轨道移频信号原理；附图3是高速光信号向混合光电信号转换流程图。
具体实施例方式在本实施例中，整个系统由前级移频信号处理单元、FPGA计数单元、ARM计算处理 单元三个部分构成，为了实现准确测量轨道移频信号，需解决关键性技术问题及具体实施 方式如下移频信号前级信号处理单元主要对原始移频信号滤波并将高频正弦载波信号变 换成方波信号，通过选适当的光耦电路参数保证方波信号的上升沿和下降沿在有效范围 内。载波和调制频率计算是通过FPGA计数每个方波期间脉冲数，然后将计数值送到 ARM处理器进行处理，处理中虽然测量载波和调制信号组数越多，计算结果越准确，但是测 量周期过多，容易导致系统响应速度降低。载波频率测量抗干扰措施，载波信号测量采用非过零检测的时域方法，提高了移 频信号测量的抗扰能力。畸变数据及误差处理，畸变数据是造成计算上、下边频出错的主要原因，因此需要 对畸变数据进行科学归类，对测量误差进行补偿。权利要求
1.一种新型轨道电路移频信号参数测量系统，通过对轨道电路FSK信号进行滤波、整 形后，利用高速FPGA对方波信号进行高速计数，并将结果通过模拟串口传输给ARM，ARM处 理器对载波信号在上、下边频切换点处的畸变数据和测量误差进行补偿，解调出轨道电路 FSK信号的相关参数，其特征在于a.采用陷波和低通滤波电路进行滤波，采用高速非过零比较电路实现信号整形；b.利用FPGA实现双口RAM、模拟串口和脉宽测量功能，利用ARM处理器实现畸变数据 补偿和信号解调；
2.如权利要求1所述的滤波、整形电路，其特征是滤波电路可以滤除工频干扰和高频 噪声，整形电路对移频信号进行高速整形，保证整形后信号的上升时间和下降时间较短；
3.如权利要求1所述的FPGA和ARM处理器电路，其特征是通过FPGA内部R4K存储 单元实现双口 RAM，利用VHDL语言实现模拟串口功能，并通过该模拟串口将数据发送到ARM 处理单元，ARM处理器对载频信号在上、下边频切换点处的数据进行补偿，解调出移频信号 参数。
全文摘要
一种能对轨道移频键控电路信号参数进行在线测量的系统。轨道电路FSK信号首先通过带阻滤波和低通滤波电路进行滤波，有效地滤除工频干扰和高频噪声，然后通过高速非过零比较电路整形成方波信号，利用FPGA对整形后的方波信号进行高速计数，将高速计数结果存入双口RAM，并将双口RAM中数据通过模拟串口发送给ARM处理器，ARM处理器对上、下边频切换点处产生的畸变数据进行补偿，从而解调出低频调制信号和载波信号频率。该系统使用FPGA和ARM7处理器，移频信号测量速度快，测量范围广，精度高，并对畸变数据和测量误差进行有效补偿，具有一定的容错能力，能够满足轨道电路移频键控信号参数测量要求。
文档编号G01R23/10GK102043090SQ20091021850
公开日2011年5月4日 申请日期2009年10月23日 优先权日2009年10月23日
发明者史忠科, 宁成军, 马帅旗 申请人:西安费斯达自动化工程有限公司