李建國, 王小農(nóng), 賀云鵬, 黃 勇

(1. 蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070；2. 蘭州鐵路集團(tuán)公司蘭州電務(wù)段, 甘肅 蘭州 730050)

國產(chǎn)移頻軌道電路有以下兩種制式：有絕緣軌道電路ZP-89系列,無絕緣軌道電路ZPW-2000A系列[1]。國產(chǎn)移頻自動(dòng)閉塞主要指八信息、十八信息移頻自動(dòng)閉塞和ZPW-2000A無絕緣軌道電路,其中八信息和十八信息移動(dòng)自動(dòng)閉塞上行線采用的中心載頻選擇650 Hz和850 Hz,下行線采用的中心載頻選擇550 Hz和750 Hz,頻偏55 Hz[2]。通過對鐵路區(qū)間信號系統(tǒng)功能、構(gòu)成原理、鐵路專用2FSK(二進(jìn)制頻移鍵控)調(diào)制信號生成方法的研究,移頻信號采用載波調(diào)制,結(jié)果為低頻信號調(diào)制中心載頻信號后產(chǎn)生的下邊頻和上邊頻兩個(gè)載頻交替變化的正弦信號[3]。

本文以低頻信息15 Hz為例,選用AT89C51單片機(jī),8位的DAC0832轉(zhuǎn)換器件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)ZP-89移頻信號發(fā)生器。證明選用晶振為12 MHz的單片機(jī)作為核心處理器件來設(shè)計(jì)上行移頻信號發(fā)生器在理論上的可行性,通過硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上下邊頻載頻調(diào)制后輸出波形信號。該實(shí)驗(yàn)儀具有系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠性高等特點(diǎn)。通過實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)調(diào)試過程,可以使學(xué)生將基礎(chǔ)知識與專業(yè)知識相結(jié)合,將知識轉(zhuǎn)化為能力,同時(shí)該實(shí)驗(yàn)儀為專業(yè)教學(xué)提供理論支持和實(shí)際應(yīng)用。

1 2FSK技術(shù)簡介

鍵控法[4-5]由數(shù)字電路實(shí)現(xiàn),具有調(diào)制變換速率快和可靠性高特點(diǎn),被廣泛采用。二進(jìn)制移頻鍵控調(diào)制(2FSK),當(dāng)調(diào)制信號輸入正脈沖時(shí),載頻信號的頻率為f0+Δf;當(dāng)調(diào)制信號輸入負(fù)脈沖時(shí),載頻信號的頻率為f0-Δf,其中f0為中心頻率,Δf為頻移,其交替變換的速率即是調(diào)制信號的頻率,也就是低頻信息。每個(gè)低頻信號它所代表的含義也是不同的,車載設(shè)備接收到低頻信息后,車載信號就可以指揮行車。

由載頻和頻偏可以得出上邊頻和下邊頻分別為：fh=f0+Δf,fl=f0-Δf,對各載頻f0進(jìn)行2FSK調(diào)制計(jì)算,f0為2FSK信號的中心頻率,S(t)是2FSK信號的基本表達(dá)式,如式(1),其中AS為2FSK信號的時(shí)域幅度,g(t)是相位變化量子式,如式(2)和式(3),fc(t)為低頻調(diào)制信號,Kt為最大載頻偏移量。假設(shè)調(diào)制后的波形每個(gè)周期由128個(gè)點(diǎn)構(gòu)成,若要使得調(diào)制后的信號被解調(diào)后能夠得到相應(yīng)的低頻信息,則根據(jù)采樣定理要求,采樣的工作頻率至少為模擬信號頻譜最高頻率f2的2倍,其中,Tl=1/(fl×128),Th=1/(fh×128),f2=1/(Tl-Th)。不同載頻下要求51單片機(jī)的工作頻率見表1。

S(t)=Ascos[ω0t+g(t)]

(1)

(2)

(3)

表1 不同載頻下采樣工作頻率

2 基于單片機(jī)移頻信號發(fā)生器實(shí)驗(yàn)儀的理論計(jì)算

2.1 單片機(jī)運(yùn)行時(shí)間參數(shù)

單片機(jī)的機(jī)器周期為T51=12/fosc(機(jī)械周期為振蕩周期的12倍),晶振為12 MHz的單片機(jī)機(jī)器周期為1 μs,即51單片機(jī)的定時(shí)器設(shè)置為計(jì)數(shù)模式時(shí)最小定時(shí)時(shí)間為1 μs[6]。

2.2 計(jì)算驗(yàn)證

以低頻fc=15 Hz為例,對載頻f0=650 Hz進(jìn)行調(diào)制。國產(chǎn)有絕緣軌道電路ZP-89的頻偏為±55 Hz,其中：上邊頻fh=705 Hz,下邊頻fl=595 Hz。每個(gè)1/2fc之內(nèi)輸出頻率為上下邊頻的正弦波,即在低頻方波信號周期的一半之內(nèi)輸出正弦波的頻率為fl,另一半周期內(nèi)則輸出正弦波的頻率為fh,見圖1。假設(shè)調(diào)制后的波形每個(gè)周期由128個(gè)點(diǎn)構(gòu)成,若要使得調(diào)制后的信號被解調(diào)后能夠得到相應(yīng)的低頻信息,理論上要求51單片機(jī)相鄰采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔T=1/f=2.048 691 8 μs,f=128/(tl-th)=488 116.368 Hz,tl=1/fl=1.680 7 μs,th=1/fh=1.418 4 μs。由采樣定理知：理論上要求單片機(jī)的機(jī)器周期T51=1.024 345 9 μs,由計(jì)算得知單片機(jī)可以滿足實(shí)現(xiàn)ZP-89型移頻信號發(fā)生器的時(shí)序要求[7-8]。由于DAC0832用于控制D/A轉(zhuǎn)換時(shí)間的脈沖寬度不小于500 ns,即500 ns×128=64 μs,當(dāng)VCC提高到15 V,其脈寬不小于100 ns,則有100 ns×128=12.8 μs,明顯D/A轉(zhuǎn)換時(shí)間符合設(shè)計(jì)要求。

圖1 ZP-89移頻信號輸出的簡略示意圖

3 ZP-89型移頻信號發(fā)生器實(shí)驗(yàn)儀設(shè)計(jì)

3.1 ZP-89移頻信號發(fā)生器實(shí)驗(yàn)儀硬件系統(tǒng)

ZP-89型移頻信號發(fā)生器[9-11]的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖見圖2,主要包括信號調(diào)制模塊、D/A轉(zhuǎn)換及波形顯示模塊、液晶顯示模塊D/A轉(zhuǎn)換模塊及波形顯示模塊主要由D/A轉(zhuǎn)換器件DAC0832、運(yùn)算放大器、示波器組成。D/A轉(zhuǎn)換器件DAC0832將單片機(jī)IO的數(shù)字量信號轉(zhuǎn)化為模擬電信號,并經(jīng)放大電路放大該電信號達(dá)到示波器顯示的范圍之內(nèi),示波器顯示對應(yīng)波形的周期/頻率,以及調(diào)節(jié)對應(yīng)波形的振幅、輸出通道,硬件電路原理圖如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

圖3 硬件電路原理圖

3.2 ZP-89移頻信號發(fā)生器實(shí)驗(yàn)儀軟件流程

圖4為ZP-89移頻信號發(fā)生器試驗(yàn)儀軟件流程圖,首先對AT89C51單片機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換器、液晶顯示器各功能端口進(jìn)行初始化。當(dāng)Flag=2時(shí),液晶顯示器其進(jìn)行清屏操作,上行移頻信號發(fā)生器返回初始狀態(tài)。

3.3 ZP-89移頻信號發(fā)生器實(shí)驗(yàn)儀仿真與系統(tǒng)測試

使用Proteus 軟件進(jìn)行ZP-89移頻信號發(fā)生器實(shí)驗(yàn)儀系統(tǒng)仿真,Proteus仿真結(jié)果如圖5所示,分析波形證明完成了設(shè)計(jì)任務(wù)。系統(tǒng)運(yùn)行測試結(jié)果見圖6,可以看出,其顯示波形與仿真波形存在差異,可能原因是：

(1) 所用到的杜邦線之間存在干擾；

(2) 單片機(jī)開發(fā)板同示波器之間的連線過長；

(3) D/A器件的輸出端與示波器的連接線接觸不穩(wěn)定。

圖4 軟件流程圖

圖5 低頻信號為15.0 Hz時(shí)的仿真結(jié)果

圖6 系統(tǒng)仿真運(yùn)行測試結(jié)果

4 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了國產(chǎn)ZP-89鐵路移頻信號發(fā)生器實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì),使得鐵路信號專業(yè)的學(xué)生在全面了解移頻信號原理的同時(shí),結(jié)合已學(xué)習(xí)的單片機(jī)知識、軟件編程知識等學(xué)以致用,掌握學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)以及保證專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)效果。通過學(xué)生的自我實(shí)踐,加深對專業(yè)知識的學(xué)習(xí),進(jìn)一步掌握鐵路信號專業(yè)技術(shù)和實(shí)際操作技能具有重要意義。

隨著教學(xué)改革的不斷發(fā)展、完善和改進(jìn)的過程中,采用FPGA(field programmable gate array)[12]設(shè)計(jì)國產(chǎn)ZP-89移頻信號發(fā)生器更具有實(shí)際意義。