一种发送器的制作方法

[0001]
本实用新型涉及列车控制领域，尤其涉及列车控制领域中的一种发送器。


背景技术：

[0002]
轨道电路是列车控制系统中用于检查列车占用信息的重要设备。整个轨道按规定距离分成多个闭塞区间，各闭塞区间以绝缘节隔离成多个独立轨道电路；各区间的起始点设有信号机，两端设有轨道电路发送器和接收器(如图1所述)。
[0003]
当区间无列车行驶时，接收器可经钢轨接收来自发送器的移频信号；当有列车驶入闭塞区间后钢轨被车轮短路，接收器无法接收到有效信号，上报控制系统本区间有列车通行，禁止其他列车进入，同时控制区间入口信号机显示禁行状态。发送器的输出信号是由几种不同载频下的多种低频信息调制成的fsk(frequency shift keying:频移键控)信号，可用于表示某些区段占用/ 空闲、允许速度、紧急停车、前方道岔等信息。
[0004]
轨道电路系统中的发送器设计是一个技术难点，涉及数字通信、高精度频率合成、模拟信号处理、安全控制、反馈调节、功率放大等多种技术，发送器的主要功能为：
[0005]
·
与列控系统接口设备通信，接收需下发的轨道电路载频和低频信息；
[0006]
·
产生4种载频、18种低频、5种输出电压等级的高精度、高稳定性fsk 信号(如表1所述)；
[0007]
表1
[0008][0009][0010]
现有轨道电路系统多来自国外引进设备，系统中的发送器基本架构类似，一般都包括双通道二取二逻辑结构、fsk编码生成、安全控制、功率放大等部分，既有技术可能存在如下缺陷：
[0011]
·
现场应用产品多为引进设备，所用电子元器件为八九十年代产品，型号老旧，面临器件老化、可靠性下降、器件停产无法替换等问题。
[0012]
·
功率放大部分一般使用线性模拟放大器，效率低、发热高、耗能大，因此需要配备大面积散热器，造成体积大、成本高、安装结构复杂，常发生因高温损坏故障。
[0013]
·
一般只具有一级反馈校验，输出fsk信号幅值、频率精度相对较低，易受外界电磁环境干扰。
[0014]
·
属于高功率电子产品，缺少必要的温度监控措施。


技术实现要素：

[0015]
本实用新型要解决的技术问题是提供一种发送器，能够提高可靠性、降低成本及功耗。
[0016]
为了解决上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种发送器，包括：
[0017]
信号处理单元和功率放大模块；
[0018]
所述信号处理单元，设置为根据列车控制系统的编码条件获取频移键控 fsk信号并处理所述fsk信号后发送到所述功率放大模块；接收并校验来自所述功率放大模块输出的fsk信号；
[0019]
所述功率放大模块，设置为对所述fsk信号处理模块发送的fsk信号进行功率放大；并将功率放大后的信号反馈给所述信号处理单元；
[0020]
其中，所述功率放大模块包括数字功率放大器和隔离变压器；所述数字功率放大器，设置为对接收的所述fsk信号处理模块发送的fsk信号进行功率放大；所述隔离变压器，设置为将功率放大后的信号作为fsk功率信号反馈给所述信号处理单元。
[0021]
一种示例性的实施例中，上述发送器还具有下面特点：
[0022]
所述隔离变压器的输入端与所述数字功率放大器的输出端连接；所述数字功率放大器的输入端作为所述功率放大模块的输入端，所述隔离变压器的输出端作为所述功率放大模块的输出端；
[0023]
所述隔离变压器包括反馈绕组；所述反馈绕组，设置为供所述隔离变压器将功率放大后的信号作为fsk功率信号反馈给所述信号处理单元。
[0024]
一种示例性的实施例中，上述发送器还具有下面特点：
[0025]
所述功率放大模块还包括：温度传感器；
[0026]
所述温度传感器，设置为采集所述功率放大模块的温度，并将所采集的温度发送给所述信号处理单元。
[0027]
一种示例性的实施例中，上述发送器还具有下面特点：
[0028]
所述数字功率放大器为集成型d类数字功率放大器；
[0029]
所述集成型d类数字功率放大器包括输入电阻、积分电路、d类算法器、驱动器、反相器和低通滤波器；其中，所述输入电阻的一端设置所述集成型 d类数字功率放大器的输入端；所述输入电阻、积分电路、d类算法器、驱动器、反相器和低通滤波器依次串行连接；所述低通滤波器的输出端设置为所述集成型d类数字功率放大器的输出端。
[0030]
一种示例性的实施例中，上述发送器还具有下面特点：
[0031]
所述信号处理单元包括：逻辑控制模块、fsk信号处理模块和故障安全控制模块；
[0032]
所述逻辑控制模块，设置为根据列车控制系统的编码条件获取fsk信号并发送到所述fsk信号处理模块，根据所获取的fsk信号产生使能信号并发送到所述故障安全控制模块；接收并校验来自所述fsk信号处理模块输出的fsk信号，接收并校验来自所述功率放大模块输出的fsk信号；
[0033]
所述fsk信号处理模块，设置为对所述逻辑控制模块获取的fsk信号进行处理，并将处理后的fsk信号发送给所述故障安全控制模块及反馈给所述逻辑控制模块；
[0034]
所述故障安全控制模块，设置为接收所述fsk信号处理模块的fsk信号；接收所述逻辑控制模块发出的使能信号；当使能信号有效时向所述功率放大模块输出所接收的fsk信号；当使能信号失效时停止向所述功率放大模块输出所接收的fsk信号。
[0035]
一种示例性的实施例中，上述发送器还具有下面特点：
[0036]
所述逻辑控制模块包括：两个cpu、两个协处理器cop；cpu与cop 一一对应；
[0037]
每个cpu，分别设置为接收及解析来自列车控制系统的编码条件，根据所述编码条件向对应的cop发送发码控制命令，接收并校验来自所述fsk 信号处理模块输出的fsk信号，接收并校验来自所述功率放大模块输出的 fsk信号；并将校验结果发送给对应的cop；
[0038]
每个cop，分别设置为接收来自对应的cpu的发码控制命令，根据所述发码控制命令获取fsk信号并发送到所述fsk信号处理模块；比较两个cop 获取的fsk信号，根据校验结果和比较结果向所述故障安全控制模块输出使能信号。
[0039]
一种示例性的实施例中，上述发送器还具有下面特点：所述fsk信号处理模块包括：数据选择器、整形滤波器和电压放大器；
[0040]
所述数据选择器，设置为对获取的fsk信号进行选择；将所选择的fsk 信号发送给所述整形滤波器；
[0041]
所述整形滤波器，设置为对接收到的所述数据选择器发送的fsk信号进行整形、滤波，并发送给所述电压放大器；
[0042]
所述电压放大器，设置为对接收到的整形滤波器后的fsk信号进行电压放大；并将放大后的fsk信号发送给所述故障安全控制模块及反馈给所述逻辑控制模块。
[0043]
一种示例性的实施例中，上述发送器还具有下面特点：
[0044]
所述信号处理单元还包括温控模块，设置为接收所述功率放大模块的温度，并根据温度发出相应的保护命令。
[0045]
一种示例性的实施例中，上述发送器还具有下面特点：
[0046]
所述逻辑控制模块还包括数据交换总线、系统总线和本地总线；所述数据交换总线供两个cop通信；所述系统总线供所述逻辑控制模块与列车控制系统通信；所述本地总线供所述cpu与对应的所述cop通信。
[0047]
一种示例性的实施例中，上述发送器还具有下面特点：
[0048]
所述cpu为以下任一种：arm、dsp、powerpc；
[0049]
所述cop为以下任一种：fpga、cpld、直接数字频率合成器dds、高速数模转换器dac；
[0050]
所述故障安全控制模块为双输入动态安全与门。
[0051]
综上，本实用新型实施例提供的发送器，采用新型电子器材，并采用数字功放作为后级功率放大，二级反馈校验架构，解决了器件停产替代问题，提高了可靠性和输出fsk信
号精度、降低了成本及功耗。
附图说明
[0052]
图1为轨道电路原理图。
[0053]
图2为根据本实用新型实施例一的发送器的示意图。
[0054]
图3为根据本实用新型实施例二的轨道电路发送器的结构。
[0055]
图4为根据本实用新型实施例二的fsk信号处理模块结构。
[0056]
图5为根据本实用新型实施例二的功率放大模块结构。
[0057]
图6为根据本实用新型实施例二的d类数字功率放大器结构。
具体实施方式
[0058]
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
[0059]
实施例一
[0060]
图2为本实用新型实施例一的发送器的示意图，如图2所示，本实施例的一种发送器，包括：
[0061]
信号处理单元和功率放大模块；
[0062]
所述信号处理单元，设置为根据列车控制系统的编码条件获取频移键控 fsk信号并处理所述fsk信号后发送到所述功率放大模块；接收并校验来自所述功率放大模块输出的fsk信号；
[0063]
所述功率放大模块，设置为对所述fsk信号处理模块发送的fsk信号进行功率放大；并将功率放大后的信号反馈给所述信号处理单元；
[0064]
其中，所述功率放大模块包括数字功率放大器和隔离变压器；所述数字功率放大器，设置为对接收的所述fsk信号处理模块发送的fsk信号进行功率放大；所述隔离变压器，设置为将功率放大后的信号作为fsk功率信号反馈给所述信号处理单元。
[0065]
一种可选实施方式中，可以直接读取或接收生成好的fsk信号，后者可以生成fsk信号。这里的生成fsk信号可以使用现有软件实现。
[0066]
一种可选实施方式中，隔离变压器设置为将功率放大后的fsk信号进行隔离及电压变换后作为fsk功率信号，并将功率放大后的fsk信号反馈给所述信号处理单元。
[0067]
一种可选实施方式中，所述隔离变压器的输入端与所述数字功率放大器的输出端连接；所述数字功率放大器的输入端作为所述功率放大模块的输入端，所述隔离变压器的输出端作为所述功率放大模块的输出端；
[0068]
所述隔离变压器包括反馈绕组；所述反馈绕组，设置为供所述隔离变压器将功率放大后的信号作为fsk功率信号反馈给所述信号处理单元。
[0069]
一种可选实施方式中，所述功率放大模块还包括：温度传感器；
[0070]
所述温度传感器，设置为采集所述功率放大模块的温度，并将所采集的温度发送给所述信号处理单元。
[0071]
一种可选实施方式中，所述数字功率放大器为集成型d类数字功率放大器；
[0072]
所述集成型d类数字功率放大器包括输入电阻、积分电路、d类算法器、驱动器、反相器和低通滤波器；其中，所述输入电阻的一端设置所述集成型 d类数字功率放大器的输入端；所述输入电阻、积分电路、d类算法器、驱动器、反相器和低通滤波器依次串行连接；所述低通滤波器的输出端设置为所述集成型d类数字功率放大器的输出端。
[0073]
一种可选实施方式中，所述信号处理单元包括：逻辑控制模块、fsk信号处理模块和故障安全控制模块；
[0074]
所述逻辑控制模块，设置为根据列车控制系统的编码条件获取fsk信号并发送到所述fsk信号处理模块，根据所获取的fsk信号产生使能信号并发送到所述故障安全控制模块；接收并校验来自所述fsk信号处理模块输出的fsk信号，接收并校验来自所述功率放大模块输出的fsk信号；
[0075]
所述fsk信号处理模块，设置为对所述逻辑控制模块获取的fsk信号进行处理，并将处理后的fsk信号发送给所述故障安全控制模块及反馈给所述逻辑控制模块；
[0076]
所述故障安全控制模块，设置为接收所述fsk信号处理模块的fsk信号；接收所述逻辑控制模块发出的使能信号；当使能信号有效时向所述功率放大模块输出所接收的fsk信号；当使能信号失效时停止向所述功率放大模块输出所接收的fsk信号。
[0077]
一种可选实施方式中，所述逻辑控制模块包括：两个cpu、两个协处理器cop；cpu与cop一一对应；
[0078]
每个cpu，分别设置为接收及解析来自列车控制系统的编码条件，根据所述编码条件向对应的cop发送发码控制命令，接收并校验来自所述fsk 信号处理模块输出的fsk信号，接收并校验来自所述功率放大模块输出的 fsk信号；并将校验结果发送给对应的cop；
[0079]
每个cop，分别设置为接收来自对应的cpu的发码控制命令，根据所述发码控制命令获取fsk信号并发送到所述fsk信号处理模块；比较两个cop 获取的fsk信号，根据校验结果和比较结果向所述故障安全控制模块输出使能信号。
[0080]
需要说明的是，cpu接收到来自fsk信号处理模块的反馈和来自最末级功率放大模块输出的反馈这两级反馈信息后，将对欲发送的信号参数与已发送的信号进行对比，若完全符合则继续发送，否则判断为发送错误，尝试重发纠错机制；若多次重发都反馈错误，说明系统有故障，则触发故障安全控制模块关断输出。
[0081]
一种可选实施方式中，所述fsk信号处理模块包括：数据选择器、整形滤波器和电压放大器；
[0082]
所述数据选择器，设置为对获取的fsk信号进行选择；将所选择的fsk 信号发送给所述整形滤波器；
[0083]
所述整形滤波器，设置为对接收到的所述数据选择器发送的fsk信号进行整形、滤波，并发送给所述电压放大器；
[0084]
所述电压放大器，设置为对接收到的整形滤波器后的fsk信号进行电压放大；并将放大后的fsk信号发送给所述故障安全控制模块及反馈给所述逻辑控制模块。
[0085]
一种可选实施方式中，所述信号处理单元还包括温控模块，设置为接收所述功率放大模块的温度，并根据温度发出相应的保护命令。
[0086]
一种可选实施方式中，所述逻辑控制模块还包括数据交换总线、系统总线和本地总线；所述数据交换总线供两个cop通信；所述系统总线供所述逻辑控制模块与列车控制系
统通信；所述本地总线供所述cpu与对应的所述 cop通信。
[0087]
一种可选实施方式中，所述cpu为以下任一种：arm、dsp、powerpc；
[0088]
所述cop为以下任一种：fpga、cpld、直接数字频率合成器dds、高速数模转换器dac；
[0089]
所述故障安全控制模块为双输入动态安全与门。
[0090]
实施例二
[0091]
本发送器在设计上采用模块化思想，整体分为三个信号通道，其中第一、第二逻辑控制通道都包含各自的cpu及协处理器cop，逻辑控制通道负责总线通信、数据解析计算及fsk生成、发码控制、反馈校验等功能；第三通道为fsk通道，实现fsk信号处理、故障-安全控制、功率放大等功能，整体逻辑结构见图3。
[0092]
以下内容分别描述不同组件的功能和实现。
[0093]
·
双通道cpu
[0094]
功能
[0095]
发送器双通道各有一个cpu，功能包括：
[0096]
1.通过系统总线接收及解析来自列车控制系统的编码条件，通过本地总线控制cop(co-processor：协处理器)进行fsk(frequency shift keying：频移键控)信号的产生和发送；
[0097]
2.接收并校验来自fsk信号处理模块的fsk频率信息；
[0098]
3.接收并校验来自功率放大器模块的fsk频率、幅值信息；
[0099]
cpu接收到来自fsk信号处理模块的反馈和来自最末级功率放大模块输出的反馈这两级反馈信息后，将对欲发送的信号参数与已发送的信号进行对比，若完全符合则继续发送，否则判断为发送错误，尝试重发纠错机制；若多次重发都反馈错误，说明系统有故障，则触发故障安全控制模块关断输出。
[0100]
4.通过系统总线向列车控制系统上报本板地址、工作状态、发码信息等系统通信协议规定的信息。
[0101]
其中，fsk信号的产生、校验只用硬件完成或者利用现有的程序/ 代码即可实现。
[0102]
实现
[0103]
为适应铁路产品生命周期长的特点，cpu可灵活选用不同类型的微控制器实现，包括arm、dsp(digital signal processor：数字信号处理器)、powerpc等，如可选用工业专用长生命周期dsp器件实现，因需处理fsk编解码运算，需要具有浮点运算单元。
[0104]
系统总线可以支持can(controller area network：控制器局域网)、profibus、rs485/422、lvds(low voltage differential signal：低压差分信号)、并行总线等板件互联总线；本地总线可以使用并行总线、spi(serial peripheral interface：串行外设接口)、uart等器件互联总线实现。
[0105]
·
双通道cop
[0106]
功能
[0107]
发送器双通道各有一个cop，功能包括：
[0108]
1.通过本地总线接收来自cpu的发码控制命令，生成规定低频和载频的fsk信号并发送到信号处理模块；
[0109]
2.通过本地总线上报cpu所需的状态、参数等信息；
[0110]
3.通过1-2通道数据交换总线进行发码命令及状态比较，完全一致后使能故障-安全控制模块，开放fsk信号输出；
[0111]
实现
[0112]
为适应铁路产品生命周期长的特点，cop可灵活选用不同类型的器件实现，包括fpga(field programable gate array：现场可编程门阵列)、cpld(complex programable logic device：复杂可编程逻辑器件)、dds(direct digital synthesis：直接数字频率合成器)、高速dac(digital-analog converter：数模转换器)等器件。
[0113]
如选用通用可编程逻辑器件fpga具有灵活、可移植的特点。
[0114]
1-2通道数据交换总线可使用同步串行通信、uart(universalasynchronous receiver/transmitter：通用异步收发器)等器件互联总线实现。
[0115]
·
fsk信号处理模块
[0116]
功能
[0117]
1.fsk信号处理模块主要功能为：对来自cop的fsk信号进行选择、整形、滤波、适配后级功放模块的电压放大等。
[0118]
2.给cpu提供处理完成的fsk信号作为反馈校验；
[0119]
实现
[0120]
fsk信号处理模块主要由数据选择器、整形滤波器、电压放大器三部分构成，结构如图4所示。
[0121]
·
故障-安全控制模块
[0122]
功能
[0123]
故障-安全控制模块实际为一个条件开关，当来自两个cop的开启条件均有效时才动作，将开关打开使信号通过；任一cop条件失效或自身故障则开关断开，切断输出，使系统导向无输出的安全侧。
[0124]
实现
[0125]
故障-安全控制模块为固有安全电路，一般使用铁路常用的双输入动态安全与门实现，接收来自两路控制逻辑的脉冲驱动，生成一个开关控制量，当且仅当两路控制脉冲都有效时才打开开关；当因cpu 或cop软硬件故障死机、控制软件发现错误主动关闭控制脉冲等情况下，开关断开，系统导向无输出安全侧。
[0126]
·
功率放大模块
[0127]
功能
[0128]
功率放大模块的功能如下：
[0129]
1.接收来自上级电路的fsk安全输出信号，对其进行电压、电流双重功率放大；
[0130]
2.对前级控制部分和功率输出部分进行隔离；
[0131]
3.给cpu提供最终有效输出的fsk信号作为反馈校验；
[0132]
4.给cpu提供功率驱动部分的温度监控数据作为高温报警信息，提高可靠性；
[0133]
实现
[0134]
功率放大模块(如图5所示)主要由集成型d类数字功率放大器(如图6所示)、隔离变压器、温度传感器等组件构成；
[0135]
其中，
[0136]
1.功率放大使用d类集成型数字功率放大器芯片，工作在高效率开关模式，转换效率可达95％以上，正常运行情况下发热很低，仅需要很小的散热器即可满足要求。
[0137]
2.隔离变压器采用全屏蔽r型高精度信号变压器，带有多个输出绕组，适应不同等级的电压输出要求；带有2个反馈绕组，提供给cpu 所需的fsk反馈回读信号；
[0138]
3.为提高抗干扰性和精确度，采用高灵敏数字型温度传感器作为温度监控器件，将功率部分温升情况准确上报cpu，系统根据温度情况可发出相应的保护命令，如申请维护或触发冷却系统工作等；
[0139]
本实用新型采用新型微控制器、可编程逻辑器件、新型放大器、数字温度传感器等新一代器件，适应铁路产品长寿命周期。输出级采用d类数字型功率放大器，解决线性模拟放大器效率低、发热高、耗能大，需要配备大面积散热器，造成体积大、成本高、安装结构复杂，常发生因高温损坏等问题。输出fsk信号幅值、频率采用两级反馈回读模式，控制精度更高，动作更灵敏，不易受外界电磁环境干扰。功率部分配备温度传感器，对温度实时监控，提高了产品可靠性；二取二双通道故障-安全控制结构，满足sil4(safetyintegrity level4：安全完整性等级4)级别功能安全要求；支持工业常用不同种类的系统总线和本地总线，应用灵活，局限性小。
[0140]
本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本实用新型不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
[0141]
以上仅为本实用新型的优选实施例，当然，本实用新型还可有其他多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。