基于TMS320F2812的通用式機車信號主機

摘 要：采用TMS320F2812 DSP芯片設計了通用式機車信號車載系統的主機，給出了系統組成和軟件工作原理。針對鐵路軌道極頻信號、交流計數（25周、50周）、國內移頻信號、ZPW2000等制式進行信息采集和譯碼，并最終輸出譯碼結果幫助司機進行行車時的速度控制。機車信號的研制有效地保證了行車安全，提高了運行效率，也改善了司機的工作條件。經過大量的計算機仿真和實際道路試驗，證明該主機具有集成度高、實時性好、抗干擾能力強以及高可靠性等優點。

關鍵詞：機車信號；DSP；采樣；譯碼

1 概述

機車信號是保證列車安全運行的重要手段之一，隨著鐵路跨越式飛速發展和鐵路裝備的現代化技術日益成熟，機車信號設備技術的研制也在不斷改進和完善。目前，我國鐵路機車信號主要采用相位連續的頻移鍵控FSK調制方式，它具有數字通信的諸多優點，也有非線性調制的特點，借助數字信號處理技術及DSP芯片對FSK信號進行調制解調，進而實現數字化譯碼，具有很高的實時性和可靠性，非常適合于鐵路信號的分析和處理。基于TMS320F2812的通用式機車信號主機采用“二取二”的容錯安全結構，32位DSP數字信號處理，時域、頻域相結合的分析方式，雙線圈感應器接收，以及一體化大容量機車信號記錄器等，有效的保證軟硬件的安全性結合，為機車信號一體化提供了基礎保障。文章介紹了基于TMS320F2812的通用式機車信號主機的軟件組成及軟件基本譯碼原理，對移頻和UM71的譯碼算法進行了簡略的描述，并分析了機車信號主機在運行時可能產生的故障和解決措施。

2 主機板軟件組成

基于TMS320F2812的通用式機車信號主機由A、B兩個主機及一個記錄板組成，如圖1所示。A、B兩個主機分別接收線圈1和2傳來的信號，作為譯碼的依據，并且形成雙機熱備。當班主機把最終譯碼結果送個監控設備LKJ作為行車監控的依據，并向記錄板輸出譯碼結果用來記錄故障、分析原因。主機板把點燈信息輸出給雙面八顯示信號機，即圖中的顯示機構，八種信號燈具有不同的含義，控制著列車的速度等級、進站、出站、停車等信息。

A、B兩個主機板內部，分別有4個DSP進行譯碼和輸出控制，內部結構如圖2所示。從線圈接收到的信號通過隔離放大器分別進入兩個譯碼DSP，針對不同制式進行譯碼，并通過雙口RAM分別將譯碼結果送到兩個控制DSP。主控DSP對兩個譯碼DSP的結果進行雙路對比，雙路對比一致，則輸出最終結果。

3 主機板軟件的工作流程和譯碼原理

3.1 工作流程

每次開機后由動態電路輸出信號對DSP進行復位，然后自動進入自檢工作狀態。自檢過程主要包括對雙口RAM、SRAM、信號繼電器等的檢查，歷時大約1s。自檢后亮白色燈，代表自檢成功。DSP屬于被動接收狀態，A/D采樣芯片通過中斷使DSP啟動工作。在每次采樣的間隙，DSP進行譯碼和控制輸出等工作。每次采樣中斷后，DSP需要執行一次譯碼程序和控制輸出程序，然后接著等待下一次中斷。處理過程包括濾波、譯碼、輸入輸出控制、反饋檢測等。反饋電路隨時檢查燈反饋是否正確，確保譯碼結果能被順利的反應到燈機構上。每次需要變換燈色時，DSP芯片先通過光電開關切斷繼電器節點上的50V點燈電源，然后動作繼電器，最后控制光電開關導通接上50V點燈電源，實現節點無電轉換。

3.2 譯碼原理

極頻信號和交流計數均屬于時域信號，處理起來相對簡單，這里主要敘述國內移頻率和ZPW2000的譯碼原理。

3.2.1 國內移頻信號譯碼原理。國內移頻信息的譯碼可以分為濾波、信號解調、低頻譯碼三部分。（1）濾波。A/D采樣的數據需要經過50Hz陷波器和帶通濾波器進行濾波，這樣，50Hz工頻干擾被濾除，并且得到了通帶內的信號。（2）信號解調。對帶通濾波器的輸出信號進行FFT變換，使其變成頻域信號，然后對上邊頻、下邊頻進行低通濾波，得到低頻包絡信號，這就是比較規整的能量分布信號。FSK信號的頻譜是離散的，它以載頻為中心，以調制頻率為等差級數向兩邊分布。根據這個特點，對此包絡信號進行幅度和相位的檢查，滿足一定比例的情況認為得到了正確的低頻方波，不滿足則認為是鄰線干擾等造成的，不會得到正確的低頻方波。（3）低頻譯碼。由于A/D中斷的時間很短，所以如果在一個周期內斷定低頻方波是不科學的。根據響應時間的要求，在響應時間內的幾個中斷周期譯碼結果一致，則認為此結果可靠。這樣，DSP可以連續的實時的輸出譯碼結果。

3.2.2 ZPW2000信號譯碼原理。ZPW2000的譯碼過程同樣分為濾波、信號調制、低頻譯碼三個部分。只是針對不同的輸入信號，帶通濾波器的設計和參數略有不同。解調過程包括制式的選擇、低通整形、幅度檢查，最后提取方波。低頻譯碼同樣是周期性譯碼，只是根據各種頻率對響應時間的要求，周期上會有些差異。

4 故障分析及處理

機車信號是對安全性和實時性要求非常高的產品，所以對于故障的檢查和處理必須要做到“故障——安全”的要求，使系統形成多個閉環回路。因此，基于TMS320F2812的通用式機車信號主機對可能產生的故障做出分析，并提出相應的解決方案。（1）雙路通信故障。與SCI通信故障超過800ms，進行SCI軟復位，超過2s，認為出現通信故障，進行切機處理。（2）線圈故障。在2s之內的所有周期始終譯為無碼，并且上燈為白燈或者紅燈的情況下，認為產生了線圈故障，強行進行切機處理。（3）運算數據故障（雙口RAM通信故障）。超過2s，始終無法發送或者接收雙口RAM的數據時，認為產生了雙口RAM通信故障，進行切機處理。（4）燈反饋故障。在1.2s之內沒有得到燈反饋信息，認為產生了燈反饋故障，進行切機處理。（5）降級顯示故障。在2.5s內始終，兩個DSP譯碼始終不一致，則按照降級顯示處理。（6）無碼切機故障。在2.5s內，本板始終無碼，認為產生無碼切機故障。進行切機處理。

5 結束語

通過以上敘述，可以看出基于TMS320F2812的通用式機車信號主機具有高度的可靠性、實時性、具有嚴謹的故障分析和診斷功能，經過大量的計算機仿真實驗和現場試驗，此設備符合鐵路交通安全準則，可以對列車的運行起到指導作用。

參考文獻

[1]嚴國志，羅歡，徐箭，等.基于DSP的通用式機車信號檢測[J].元器件與應用，2003（4）.

[2]TB/T 3287-2013.機車信號車載系統設備[S].