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移頻信號全稱為移頻鍵控信號(Frequency-Shift Keying)，利用高頻信號承載低頻信息，具有抗干擾能力強、傳輸距離遠等優點，是現代鐵路機車行駛中的速度控制信號。它可以準確確定列車的位置，與鐵路機車安全運行有密切的關系。為確保信號接收系統接收到準確、實時有效的信號，要求移頻信號發送系統在發送高精度移頻信號的同時，能夠保證自身系統的故障檢測。 現有的移頻信號發送系統，使用特定頻率晶振和CMOS器件，頻率相位精度低、通用性差，無法實現多載頻信號之間的自動切換，而且自檢能力不高，不能達到實時故障檢測，無法適應我國高速列車發展的需要。因此，設計一種新型的移頻信號發送系統就成為一個迫在眉睫的問題。本文提出采用雙CPU保護下的FPGA系統實現移頻信號發送的設計方案，以FPGA為系統核心，采用固定16MHz頻率晶振，完成CPU時序控制下FPGA的邏輯功能。在保證移頻信號高相位精度的前提下，實現了系統的自動多載頻信號切換和實時故障檢測。 1 FPGA芯片 本文選用的FPGA芯片是Xilinx公司推出的XC4005E-4IPQ100，該類型芯片具有5000最大邏輯門(Max Logic Gate)，其中可配置邏輯模塊(CLB)196個，以14×14矩陣結構排列；輸入輸出模塊(IOB)112個。可實現616級觸發器(Flip-Flops)，具有并行模式配置能力，存儲器容量為95?008 bits。使用亞微米多層金屬材料加工方法，使系統時鐘速率高達80MHz，而內部執行速度可以達到150MHz。 該類型芯片在原有XC3000系列芯片的基礎上，增加了內部軟啟動結構和時鐘驅動輸入輸出模塊的數目，并且提供了可選擇雙向RAM存儲器。 2 系統設計原理 系統設計原理如圖1所示，該系統以雙CPU保護下的FPGA為核心，配以輔助的前置光耦防護和后置安全與門及功率放大器。輸入為國家標準的鐵路用18路低頻信息和4種載頻觸發信號，輸出相應的調制后高精度移頻正弦信號。其中，4種載頻可以由觸發信號直接控制，自動切換。 FPGA內部邏輯被設計為分頻器、計數器、編碼器、存儲器、觸發器和電子開關等部分。經過邏輯組合，實現低載頻信息編碼、相位連續移頻信號調制和移頻信號檢測計數等三個主要功能，并接收CPU的控制信號，完成與CPU間的數據傳輸。 圖１中雙CPU使用W78E58型單片機。主、副CPU各自獨立工作，分別向FPGA發送控制信號，讀取低載頻信息編碼和移頻檢測計數結果，并以此為判據進行移頻信號發送精度檢測。發現誤碼情況，即時關閉安全與門，切斷移頻信號發送通道，保證故障安全。主、副CPU之間，每個程序循環周期通信一次，以確認對方處于正常工作狀態。 3 軟件設計 3.1 移頻信號調制結構設計 圖2示出了FPGA內部實現移頻信號調制的邏輯結構。FPGA芯片選用16MHz時鐘脈沖，在分頻模塊的作用下得到所需要的低頻和載頻信號；運用時鐘同步觸發器和電子開關實現頻率調制過程中的沿同步，從而在保證移頻信號頻率精度的前提下，實現了移頻信號的相位連續調制。 圖2中Kt為低頻方波信號，G1t、G2t為載頻方波信號，CLK為16MHz時鐘脈沖，CS1、CS2為電子開關使能信號。低頻分頻器、載頻分頻器1、載頻分頻器2、時鐘同步觸發器、反相器、電子開關和加法器由FPGA內部邏輯門陣列通過狀態機的方式實現。低頻分頻器和載頻分頻器的分頻數由輸入的低、載頻觸發信號控制，進行自動預置，使信號發送系統適用于多種載頻切換，達到系統的通用性。 FPGA內部邏輯結構使用VHDL語言編寫，圖3示出了移頻信號調制部分的VHDL語言程序流程圖。 3.2 移頻信號檢測時序設計 移頻信號檢測采用高頻插入的方法。將16MHz標準脈沖插入待測信號中，通過計數器確定待測信號的一個載頻周期Tz，得到其載頻頻率fz： fz＝＝1 式中Nz為一個載頻周期內的計數脈沖個數。 為了計算待測移頻信號中的低頻周期，需要存儲大量的載頻周期數Nz。利用CPU的定時器構成一定時間內(0.2S)的Nz數組，尋找移頻信號上下邊頻的切換點，通過計算兩個相鄰切換點之間的載頻周期數，確定低頻周期，得到低頻頻率fd? fd＝＝2 式中Nd為兩個相鄰上下邊頻切換點之間的頻率周期數。 在本文中，雙CPU各自獨立完成檢測計數數據的精度判斷和定時器控制，計數器部分在FPGA內部實現，圖4示出了移頻信號檢測原理圖。 CPU源程序使用C語言編寫，使程序結構化，并易于升級。圖5示出了移頻信號檢測部分的C語言程序流程圖。 4 性能分析 4.1 實驗結果 在完成調試樣機的基礎上，對新型移頻信號發送系統進行實驗檢測。其中，載頻信號取8種，中心頻率分別為550、650、750和850Hz，頻偏均為55Hz。低頻信息從國家鐵道移頻信號標準中隨機選取8種，分別為7、8、9、9.5、16.5、17.5、18.5和26Hz。 為檢測實際發送的移頻信號，利用HP3563A(Control Systems Analyzer)控制系統分析儀模擬通用移頻信號接收器進行頻譜分析。采樣頻率為2048點/s，加Hanning窗進行FFT變換，可得到如圖6所示的信號頻譜圖。 其中，兩個波峰處的相應頻率就是FSK信號的上下邊頻，其左右兩側的次高波峰處的相應頻率為上下邊頻的低頻頻偏頻率。考慮到上、下邊頻譜線之間的相互干擾，取能量最高的次高峰為低頻頻偏點，其與相鄰最高波峰之間的頻率差即為對應FSK信號所包含的低頻信息。 系統自檢部分的驗證，由Micropack公司提供的Easypack/E 8052F在線仿真系統完成。該系統模擬CPU的全部功能，并從FPGA直接讀取移頻檢測數據，數據格式為十六進制。 表1示出了系統實驗結果，其中頻率理論值和測量值單位均為Hz，系統自檢值Nd、Nz1、Nz2均為十六進制數。上、下邊頻自檢計數脈沖為16MHz，低頻自檢計數方波為上邊頻方波。 4.2 數據分析 對表1中實驗數據進行移頻測量值和自檢值的最大相對誤差分析，可以得到本文中新型系統的各方面精度，從而判斷其是否滿足設計要求。 移頻信號測量值的相對誤差可以由下式得到： E＝(3) 式中，fc、fl分別為頻率的測量值和理論值。 結合公式(1)和公式(2)，可以得到系統移頻自檢值的相對誤差計算方法： Ez＝＝(4) Ed＝＝(5) 式中，Ez、Ed分別為載頻自檢相對誤差和低頻自檢相對誤差，fc為對應的低頻或上下邊頻測量值。 由公式(3)、(4)、(5)得到系統頻率測量值和自檢值最大相對誤差如表2所示。 從表2可以看出，實際移頻信號的發送相對誤差不大于1%，完全滿足鐵道通信信號的精度要求；自檢系統更可以保證實時檢驗發送信號，實現故障安全。 綜上所述，新型移頻信號發送系統應用先進的可編程邏輯芯片(FPGA)和高性能CPU，通過巧妙的邏輯結構設計和時序控制，實現了系統的集成化、通用化，大幅度提高了系統運行速度和可靠性。實驗結果表明，該系統完全能夠滿足高速、高精度、故障安全的鐵道通信信號技術要求，具有很高的應用價值。 |
