基于AD9833的ZPW－2000R移頻測試信號研究*

何 平，郭 苑，馬星宇，張洪健

(哈爾濱工業大學航天學院，哈爾濱 150001)

1 引言

現今，鐵路交通在我國國民經濟中起著舉足輕重的作用。如何有效控制鐵路信號已成為如今不可回避的話題。自動閉塞系統是控制鐵路信號，保證運行列車安全，提高鐵路運輸能力的重要裝備［1］。目前鐵道部主推的閉塞系統的主要型號有北京全路通信信號研究設計院和北京鐵路信號工廠研制的ZPW－2000A型［2］和黑龍江瑞興科技有限公司研制的 ZPW －2000R 型［3］。

本文旨在研究ZPW－2000R型移頻自動閉塞系統的接收機生產測試過程中測試信號的產生和調理，在產品質量檢測環節中提供高精度、高可靠性的測試信號，為接收機測試系統實現全自動化檢測參數奠定基礎。由于系統對待測信號的測量精度要求很高，在采集、處理數據過程中采用大量軟件濾波算法，因此本系統采用高速DSP芯片TMS320F2812為主控芯片，提高測試效率。在測試接收機雙套檢測電阻等關鍵性能參數時，系統需設置兩片AD9833信號發生芯片，通過F2812內部SPI接口和GPIO模擬SPI接口控制實現雙路幅值、頻率可調的移頻信號的產生。經實際應用驗證，接收機測試系統產生的雙路移頻信號精度高，可靠性好，滿足測試要求。

2 頻率可調的雙路移頻信號

2.1 AD9833 控制時序

AD9833是ADI公司生產的可編程、低功耗波形產生芯片。通過軟件控制對它寫相應字，可以輸出相應波形，且輸出信號精度高。當它主頻時鐘為1MHz時，其精度可以達到0.0004Hz，符合測試信號的要求［4］。

串行外圍接口SPI(Serial Peripheral Interface)是一種高速、同步、全雙工的串行輸入輸出(I/O)接口，通常用于DSP與外圍設備或其他控制器之間進行通信［5］。本系統通過 SPI接口，與 AD9833芯片進行通訊，通過軟件編程控制輸出頻率和相位，實現相應測試信號的輸出。SPI控制AD9833產生測試信號時，AD9833的3根串行接口線FSYNC、SCLK、SDATAX分別與TMS320F2812的MDRA，SPICLKA，SPISIMOA三個端口相連。在串口時鐘SCLK的作用下，數據以16位的方式加載到AD9833上。引腳FSYNC是使能引腳，低電平觸發。進行串行數據傳輸時，引腳FSYNC必須置低。引腳FSYNC置低后，在16個SCLK的下降沿傳送的數據被送到AD9833的輸入移位寄存器，在第16個 SCLK的下降沿FSYNC被置高。并且，在寫數據時SCLK時鐘為高低電平脈沖，而在FSYNC剛開始變為低時，SCLK必須為高電平。

2.2 GPIO模擬SPI控制AD9833時序

為實現雙路信號的產生，本系統將MCLKR、MFSR、SPISOMI三個 GPIO 與 AD9833的 SCLK，FSYNC，SDATA分別相連，通過GPIO口模擬SPI控制AD9833控制時序來控制AD9833產生所需信號。具體測試流程圖如圖1所示。

測試時，控制F2812的SPI接口和GPIO口向AD9833寫入控制字0x5555。圖2通道0、通道1、通道2為F2812內部SPI時序圖;通道3、通道4、通道5為GPIO模擬SPI控制時序。通道0、通道3為片選控制端，通道1、通道4為時鐘信號端，通道2、通道5為數據傳送端;由圖2可知，用GPIO模擬SPI的控制時序與SPI控制時序基本一致，可以實現控制功能。

2.3 雙路移頻信號產生

2.3.1 雙路移頻信號的產生

移頻信號是以頻率作為控制信息，用調制頻率的手段將低頻頻率信號整合到高頻頻率信號中，實現調制信號頻率按低頻信號頻率做周期性交替變化［6］，以此控制鐵路信號設備，指揮列車的運行與調度。

為了產生雙路移頻信號，本系統通過F2812內部定時器中斷交替向兩片AD9833寫入相應信號控制字實現移頻信號的產生:開啟F2812內部定時器0，進入定時器0中斷，分別設置兩路信號的下偏移頻率，并通過 SPI接口和 GPIO模擬 SPI接口向AD9833寫入控制字產生相應頻率的正弦信號;一個定時器時鐘周期后，再次進入定時器0中斷，設置兩路信號頻率為上偏移頻率，寫入AD9833。上述過程交替進行，實現雙路移頻信號的發送。

3 移頻信號的幅值可調

為了產生雙路測試信號，本系統設置兩路AD9833信號產生模塊，一路AD9833控制端與SPI串行外圍接口相連;另一路與GPIO模擬的SPI口相連。信號發生芯片AD9833的外圍電路簡單，只需加外接晶振和若干濾波電容即可。其電路原理圖如圖3所示。由于AD9833產生的正弦波疊有直流成分，因此需將AD9833輸出的正弦信號經過RC高通濾波器，濾除直流分量。經實驗證明，由AD9833直接輸出的正弦波波峰值約為600mV，波谷值為0mV，其中疊有300mV的直流分量。將此信號通過RC高通濾波器后，波峰值為300mV，波谷值為－300mV，信號的直流分量被濾除，且頻率沒有改變。然后，利用精密運算放大器OPA277建立反相比例電路，將濾除直流分量后的正弦信號的幅值進行放大為1.871V，從而為下一步實現正弦信號的幅值連續可調做準備。

圖3 移頻信號產生原理圖

為了實現信號的輸出幅值連續可調，本系統將經放大電路輸出的信號作為數模轉換芯片AD7521的電壓參考源。AD7521是一參考端可變的高精度模數轉換芯片，通過GPIO口向AD7521寫入不同控制字，AD7521將輸出不同幅值的信號。由于AD7521的輸出量為電流量，因此在AD7521輸出端設置雙路運放芯片OPA2727，實現電流量至電壓量的轉換。其電路原理圖如圖3所示。

12位的模數轉換芯片AD7521有效位為11位，最高位為符號控制位。當數字位輸入為0x000時，AD7521輸出端信號有效值為VREF;當數字為輸入為0x7FF時，AD7521輸出信號有效值為VREF/211;當數字位輸入為0x800時，AD7521輸出信號有效值為0V。本系統輸入至AD7521的信號參考端有效值為1.187V，理論上最小步長可達到0.580mV。

4 實驗結果

4.1 雙路移頻信號的頻率可控

實驗中僅選取一路信號進行測試，另一路因控制方法一樣，因此測試結果一致。為了讓所產生的移頻信號效果明顯，這里設置移頻信號載頻為600Hz，上、下頻率偏移為200Hz，低頻調制信號頻率為100Hz。具體效果圖如圖4所示，通道1為移頻信號的低頻頻率指示波;通道2為載頻信號;通道3為最終產生的移頻信號。由圖4可知，本系統產生的移頻信號波形光滑，頻率穩定。

圖4 移頻信號效果圖

本系統實際所需發送的移頻信號，采用4種載頻，4種載頻又分為F1和F2兩種，共8種載頻信息;低頻調制頻率共有18種［7］。高頻信號頻率測試值如表1所示。經實驗測得，信號的高頻頻率實際值與理論值相差最大值為0.5Hz;滿足測試條件要求。另外，由于移頻信號的低頻頻率由F2812定時器控制，其精確度很高，誤差遠遠小于1，如表2所示。因此，各載頻的移頻信號，滿足測試條件要求。

表1 移頻信號高頻精度測試

表2 移頻信號低頻精度測試

4.2 移頻信號的幅值可調

圖5為信號幅值可調的測試圖，為了使其實驗效果明顯，設置AD9833產生方波。測試時，控制AD7521 輸出 20mV、40mV、60mV、80mV、100mV、120mV波形的幅值大小。實際產生的信號，幅值精度在5mV左右。由此可見，輸出信號經過AD7521后，幅值大小連續可調，產生的波形平滑穩定，精度高，滿足測試要求。

5 結束語

本文設計的接收機測試系統的信號發生模塊，通過F2812內部SPI接口及GPIO模擬的SPI接口分別對兩片AD9833寫入控制字，能同時產生雙路頻率可調的移頻信號，信號波形平滑，頻率控制精確，低頻、高頻精度均在1以上;通過GPIO對AD7521寫入控制字，實現測試信號幅值的連續可調，信號的幅值準確，信號的幅值誤差小于10mV。經實驗驗證，本測試系統所產生的雙路移頻測試信號精度高，誤差小，波形穩定，可靠，完全滿足測試需求。

圖5 信號的幅值可調測試圖

［1］唐大勇.ZPW－2000軌道電路在站聯軌道區段的應用［J］.鐵路通信信號工程技術，2011，8(3):80 －82.

［2］仝廣興.ZPW－2000A移頻自動閉塞設備故障分析［J］.鐵道通信信號，2011，47(11):46 －47.

［3］彭立群，鄧迎宏，肖彩霞.ZPW－2000R型無絕緣移頻自動閉塞系統［J］.鐵道通信信號，2007，43(6):4 －8.

［4］劉國良，廖力清，施進平.AD9833型高精度可編程波形發生器及其應用［J］.國外電子元器件，2006(6):44－47.

［5］孫麗明.TMS320F2812原理及其 C語言程序開發［M］.北京:清華大學出版社，2008:195－196.

［6］耿浩和.基于DSP的移頻軌道電路參數在線檢測方法研究［D］.西安:西北工業大學，2007:7－10.

［7］郭紅星.軌道電路FSK移頻信號參數檢測方法研究與實現［D］.北京:西安工業大學，2011:10－11.