基于DSP的鐵路信號識別技術

黃雪程，王 焱，劉 春

（1.北京大成通號軌道交通設備有限公司，北京100044；2.北京郵電大學信息與通信工程學院，北京100088）

鐵路信號識別技術應用于列車自動防護系統中，對ATP（列車超速防護系統）信號好進行解調、識別，ATP控制以識別結果提供對列車的防護，控制列車運行的追蹤間隔與運行速度，該技術還具備檢測自身工作狀態，判定故障的功能。伴隨高速列車運輸系統的發展，鐵路運輸的提速、車載的需求，基于分立元器件和模擬信號處理技術的傳統鐵路信號設備越來越滿足不了鐵路系統安全性和實時性的要求。研究開發出基于計算機技術和數字信號處理技術的鐵路信號設備已成為鐵路信號的發展趨勢。

本文提出基于DSP技術的鐵路信號識別系統，以數字信號處理芯片TMS320C6713為核心，能夠完成鐵路信號接收、識別、記錄、統計分析和顯示多個功能，在重慶單軌交通系統中投入實驗測試，測試結果表明該系統具有較高的實時性和可靠性。

1 信號識別系統的整體結構

技術包括鐵路信號接收，信號處理和信號統計分析3個部分。信號接收：由接收天線和信號放大器組成，用于實時接收現場信號；信號處理：包括A/D轉換模塊和解碼模塊，接收信號先經過A/D芯片（芯片型號：TLV320AIC23B）進行模數信號轉換，然后運用數字信號處理算法解調接收的移頻信號；信號統計分析：接收信號處理部分輸出的解調信息，在PC機上利用相關軟件進行統計分析。

整體工作流程如圖1：接收天線實時接收鐵路信號，由信號放大器放大通過I/O接口送入DSP開發板，先經通過模數信號完成轉換，再由TMS320c6713芯片完成解碼任務后，一方面完成上燈操作，另一方面將解碼信息送入上位PC機，PC機上統計分析軟件完成信息的記錄、統計分析和結果顯示，根據解碼信息，獲得列車信號設備的工作狀態對列車進行控制。

圖1 鐵路信號識別系統整體結構

2 硬件設計

以32 bit浮點處理器TMS320C6713為數據處理核心，采用外圍電路設計。硬件結構框圖如圖2。

圖2 鐵路信號識別系統硬件結構框圖

2.1 數據采集模塊

考慮到本系統將投入某城市跨座式單軌交通系統中使用，一方面某城市單軌交通中鐵路信號最大載頻為21 kHz，根據奈奎斯特定律可知系統采樣頻率必須大于或等于42 kHz；另一方面鐵路信號富含豐富的低頻信息，頻率間隔極小，系統要保證低頻信號的精確識別必須采用精度很高的芯片。所以采用音頻CODEC芯片TLV320AIC23B，TLV320AIC23B采樣帶寬48 kHz、最大采樣速率96 kHz 。可以在 8 kHz ～ 96 kHz 采樣率范圍內提供 16 bit、20 bit、24 bit和 32 bit采樣，音頻口耐壓范圍為0 V～2V。其所有數據性能均滿足某城市單軌交通鐵路信號動態范圍的要求。

音頻芯片TLV320AIC23B是通過I2C總線接收配置信息完成內部寄存器配置，通過I2S總線協議完成與DSP的數據交換。高精度、高采樣率的采樣芯片提高了系統信號識別的精度。另外采用高性能的音頻芯片TLV320AIC23B，能夠減小數據采集時造成的時延，有效地提高系統的實時處理能力。

2.2 信號識別模塊

該模塊由DSP芯片協同SDRAM完成。根據鐵路信號識別系統信號處理任務及實時性的要求，信號處理芯片選用的高性能32 bit浮點DSP 處理器TMS320C6713，其適用于專業音頻信號處理，主頻可達到300 MHz，處理速度高達2 400 MIPS/1 800MFLOPS。TMS320C6713 采用了2 級Cache結構，片上共有 264 K×8 bit存儲器 。TMS320C6713有32 bit的EMIF 地址總線，有4 個空間，每個空間均可與SDRAM 、SBSRAM 和異步外設實現無縫接口。通過合理的EMIF接口設計，可最大限度的發揮TMS320C6713強大的定點/浮點數據運算性能，提高硬件平臺的實時處理能力。

由于采樣數據量巨大，片上存儲器存儲空間不能滿足要求，所以信號采集電路將采集到的數據存放在64 MBSDRAM內，通過EMIF與C6713完成數據交換。另外，為實現系統加電后能夠自動加載應用程序，進入工作狀態，程序代碼存放在512 KbFLASH內，在系統加電后由Bootloader 加載到TMS320C6713片內RAM中運行。

2.3 UART通信電路設計

UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步接收/發送裝置) 通道實現DSP與上位機之間的通信，為了實現多種電平接口，系統采用TL16C752B作為通用異步收發器。芯片包含二路相互獨立的異步收發器，接收和發送各帶64 byte的FIFO，最高傳輸速率可達 1.5 Mbps，采用MAX3160多協議收發器，使得異步串口接口電平可配置為RS232/RS422/RS485 多種接口電平標準。TL16C752B與C6713的EMIF接口，配置在C6713的CE[3] 空間中。

3 軟件設計

軟件根據功能要求和編程平臺的不同可分為DSP程序設計、DSP與上位機通信設計和PC上位機軟件設計3個部分。

圖3 鐵路信號識別技術軟件流程圖

（1）DSP程序設計。系統主程序如圖3，包括信號處理芯片TMS320C6713、CODEC及串口芯片等初始化程序設計、信號識別算法設計和中斷服務程序設計。

a.DSP芯片初始化程序。完成內置定時器設置、CPU與外部存儲器接口EMIF設置和中斷向量設置。串口、CODEC芯片初始化程序完成內部控制寄存器設置。

b. 信號識別算法。采用ZFFT算法與頻率能量重心校正技術相結合，能夠精確識別出頻率間隔極小的低頻信號，保證鐵路信號的精確識別。

c. 中斷服務程序。由定時中斷程序，串口中斷程序和采樣中斷程序組成。采樣中斷程序流程如圖3b.，圖中Sample為一次采樣完成標志，Select為采樣片選信號。將采樣信號存儲空間分為A和B兩個區域，每個區域能存儲一次信號識別所需采樣數據，A區采樣完成則B區開始采樣，任一區采樣完成則將采樣完成標志Sample置為1，同時主程序開始信號識別計算工作。采樣中斷程序的分區設計使系統在響應采樣中斷程序的同時能夠完成信號計算的工作，降低了系統完成一次信號識別所需時間，從而保證系統的高實時性。

（2）DSP與PC上位機及下位機信號顯示燈通信設計。DSP與上位機之間通信采用RS232串口標準，DSP通過RS232控制寄存器來初始化串口：設置波特率，使能串口接收與發送等。系統通過定時響應串口中斷程序完成DSP與上位機之間的數據傳輸。DSP與下位機信號顯示燈之間通過芯片內置外設GPIO連接，信號燈實時顯示系統工作狀態。

（3）PC上位機軟件設計。該軟件由C++語言編寫完成，具有將解調信號記錄存儲、統計分析和實時顯示的功能。

4 結術語

鐵路識別系統在重慶跨座式單軌軌道交通系統已投入實驗測試階段，測試結果表明基于DSP技術的鐵路信號識別系統具有運算速度快，精度高，實時性好和穩定性強等特點。

[1] 李方慧，王飛，何佩琨. TMS320C6000系列DSPs原理與應用[M] .北京：電子工業出版社，2005.

[2] 郎宗琰，郜成縉. 現代鐵路信號技術[M] . 成都：西南交通大學出版社，2000.

[3] TLV320AIC23B Data Manual[S] . Texas Instruments Incorporated, 2002.

[4] TL16C752B Data Manual[S] . Texas Instruments Incorporated,2002.

[5] TMS320C6000 CPU and Instruction Set Reference Guide[S] .Texas Instruments Incorporated, 2000.