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(tǒng)中，對ATP（列車超速防護系統(tǒng)）信號好進行解調(diào)、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(tài)，判定故障的功能。伴隨高速列車運輸系統(tǒng)的發(fā)展，鐵路運輸?shù)奶崴?、車載的需求，基于分立元器件和模擬信號處理技術的傳統(tǒng)鐵路信號設備越來越滿足不了鐵路系統(tǒng)安全性和實時性的要求。研究開發(fā)出基于計算機技術和數(shù)字信號處理技術的鐵路信號設備已成為鐵路信號的發(fā)展趨勢。

本文提出基于DSP技術的鐵路信號識別系統(tǒng)，以數(shù)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(tǒng)計分析和顯示多個功能，在重慶單軌交通系統(tǒng)中投入實驗測試，測試結果表明該系統(tǒng)具有較高的實時性和可靠性。

1 信號識別系統(tǒng)的整體結構

技術包括鐵路信號接收，信號處理和信號統(tǒng)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(xiàn)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(jīng)過A/D芯片（芯片型號：TLV320AIC23B）進行模數(shù)信號轉換，然后運用數(shù)字信號處理算法解調(diào)接收的移頻信號；信號統(tǒng)計分析：接收信號處理部分輸出的解調(diào)信息，在PC機上利用相關軟件進行統(tǒng)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(fā)板，先經(jīng)通過模數(shù)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(tǒng)計分析軟件完成信息的記錄、統(tǒng)計分析和結果顯示，根據(jù)解碼信息，獲得列車信號設備的工作狀態(tài)對列車進行控制。

圖1 鐵路信號識別系統(tǒng)整體結構

2 硬件設計

以32 bit浮點處理器TMS320C6713為數(shù)據(jù)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(tǒng)硬件結構框圖

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

考慮到本系統(tǒng)將投入某城市跨座式單軌交通系統(tǒng)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(jù)奈奎斯特定律可知系統(tǒng)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(tǒng)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 ?？梢栽?8 kHz ～ 96 kHz 采樣率范圍內(nèi)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(shù)據(jù)性能均滿足某城市單軌交通鐵路信號動態(tài)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(nèi)部寄存器配置，通過I2S總線協(xié)議完成與DSP的數(shù)據(jù)交換。高精度、高采樣率的采樣芯片提高了系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集時造成的時延，有效地提高系統(tǒng)的實時處理能力。

2.2 信號識別模塊

該模塊由DSP芯片協(xié)同SDRAM完成。根據(jù)鐵路信號識別系統(tǒng)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(yè)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(xiàn)無縫接口。通過合理的EMIF接口設計，可最大限度的發(fā)揮TMS320C6713強大的定點/浮點數(shù)據(jù)運算性能，提高硬件平臺的實時處理能力。

由于采樣數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)存放在64 MBSDRAM內(nèi)，通過EMIF與C6713完成數(shù)據(jù)交換。另外，為實現(xiàn)系統(tǒng)加電后能夠自動加載應用程序，進入工作狀態(tài)，程序代碼存放在512 KbFLASH內(nèi)，在系統(tǒng)加電后由Bootloader 加載到TMS320C6713片內(nèi)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(fā)送裝置) 通道實現(xiàn)DSP與上位機之間的通信，為了實現(xiàn)多種電平接口，系統(tǒng)采用TL16C752B作為通用異步收發(fā)器。芯片包含二路相互獨立的異步收發(fā)器，接收和發(fā)送各帶64 byte的FIFO，最高傳輸速率可達 1.5 Mbps，采用MAX3160多協(xié)議收發(fā)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(jù)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(tǒng)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(nèi)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(nèi)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(qū)域，每個區(qū)域能存儲一次信號識別所需采樣數(shù)據(jù)，A區(qū)采樣完成則B區(qū)開始采樣，任一區(qū)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(qū)設計使系統(tǒng)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(tǒng)完成一次信號識別所需時間，從而保證系統(tǒng)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(fā)送等。系統(tǒng)通過定時響應串口中斷程序完成DSP與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸。DSP與下位機信號顯示燈之間通過芯片內(nèi)置外設GPIO連接，信號燈實時顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)。

（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(diào)信號記錄存儲、統(tǒng)計分析和實時顯示的功能。

4 結術語

鐵路識別系統(tǒng)在重慶跨座式單軌軌道交通系統(tǒng)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(tǒng)具有運算速度快，精度高，實時性好和穩(wěn)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(yè)出版社，2005.

[2] 郎宗琰，郜成縉. 現(xiàn)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.