基于AD9833的ZPW－2000R移频测试信号研究*

何 平，郭 苑，马星宇，张洪健

(哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨 150001)

1 引言

现今，铁路交通在我国国民经济中起着举足轻重的作用。如何有效控制铁路信号已成为如今不可回避的话题。自动闭塞系统是控制铁路信号，保证运行列车安全，提高铁路运输能力的重要装备［1］。目前铁道部主推的闭塞系统的主要型号有北京全路通信信号研究设计院和北京铁路信号工厂研制的ZPW－2000A型［2］和黑龙江瑞兴科技有限公司研制的 ZPW －2000R 型［3］。

本文旨在研究ZPW－2000R型移频自动闭塞系统的接收机生产测试过程中测试信号的产生和调理，在产品质量检测环节中提供高精度、高可靠性的测试信号，为接收机测试系统实现全自动化检测参数奠定基础。由于系统对待测信号的测量精度要求很高，在采集、处理数据过程中采用大量软件滤波算法，因此本系统采用高速DSP芯片TMS320F2812为主控芯片，提高测试效率。在测试接收机双套检测电阻等关键性能参数时，系统需设置两片AD9833信号发生芯片，通过F2812内部SPI接口和GPIO模拟SPI接口控制实现双路幅值、频率可调的移频信号的产生。经实际应用验证，接收机测试系统产生的双路移频信号精度高，可靠性好，满足测试要求。

2 频率可调的双路移频信号

2.1 AD9833 控制时序

AD9833是ADI公司生产的可编程、低功耗波形产生芯片。通过软件控制对它写相应字，可以输出相应波形，且输出信号精度高。当它主频时钟为1MHz时，其精度可以达到0.0004Hz，符合测试信号的要求［4］。

串行外围接口SPI(Serial Peripheral Interface)是一种高速、同步、全双工的串行输入输出(I/O)接口，通常用于DSP与外围设备或其他控制器之间进行通信［5］。本系统通过 SPI接口，与 AD9833芯片进行通讯，通过软件编程控制输出频率和相位，实现相应测试信号的输出。SPI控制AD9833产生测试信号时，AD9833的3根串行接口线FSYNC、SCLK、SDATAX分别与TMS320F2812的MDRA，SPICLKA，SPISIMOA三个端口相连。在串口时钟SCLK的作用下，数据以16位的方式加载到AD9833上。引脚FSYNC是使能引脚，低电平触发。进行串行数据传输时，引脚FSYNC必须置低。引脚FSYNC置低后，在16个SCLK的下降沿传送的数据被送到AD9833的输入移位寄存器，在第16个 SCLK的下降沿FSYNC被置高。并且，在写数据时SCLK时钟为高低电平脉冲，而在FSYNC刚开始变为低时，SCLK必须为高电平。

2.2 GPIO模拟SPI控制AD9833时序

为实现双路信号的产生，本系统将MCLKR、MFSR、SPISOMI三个 GPIO 与 AD9833的 SCLK，FSYNC，SDATA分别相连，通过GPIO口模拟SPI控制AD9833控制时序来控制AD9833产生所需信号。具体测试流程图如图1所示。

测试时，控制F2812的SPI接口和GPIO口向AD9833写入控制字0x5555。图2通道0、通道1、通道2为F2812内部SPI时序图;通道3、通道4、通道5为GPIO模拟SPI控制时序。通道0、通道3为片选控制端，通道1、通道4为时钟信号端，通道2、通道5为数据传送端;由图2可知，用GPIO模拟SPI的控制时序与SPI控制时序基本一致，可以实现控制功能。

2.3 双路移频信号产生

2.3.1 双路移频信号的产生

移频信号是以频率作为控制信息，用调制频率的手段将低频频率信号整合到高频频率信号中，实现调制信号频率按低频信号频率做周期性交替变化［6］，以此控制铁路信号设备，指挥列车的运行与调度。

为了产生双路移频信号，本系统通过F2812内部定时器中断交替向两片AD9833写入相应信号控制字实现移频信号的产生:开启F2812内部定时器0，进入定时器0中断，分别设置两路信号的下偏移频率，并通过 SPI接口和 GPIO模拟 SPI接口向AD9833写入控制字产生相应频率的正弦信号;一个定时器时钟周期后，再次进入定时器0中断，设置两路信号频率为上偏移频率，写入AD9833。上述过程交替进行，实现双路移频信号的发送。

3 移频信号的幅值可调

为了产生双路测试信号，本系统设置两路AD9833信号产生模块，一路AD9833控制端与SPI串行外围接口相连;另一路与GPIO模拟的SPI口相连。信号发生芯片AD9833的外围电路简单，只需加外接晶振和若干滤波电容即可。其电路原理图如图3所示。由于AD9833产生的正弦波叠有直流成分，因此需将AD9833输出的正弦信号经过RC高通滤波器，滤除直流分量。经实验证明，由AD9833直接输出的正弦波波峰值约为600mV，波谷值为0mV，其中叠有300mV的直流分量。将此信号通过RC高通滤波器后，波峰值为300mV，波谷值为－300mV，信号的直流分量被滤除，且频率没有改变。然后，利用精密运算放大器OPA277建立反相比例电路，将滤除直流分量后的正弦信号的幅值进行放大为1.871V，从而为下一步实现正弦信号的幅值连续可调做准备。

图3 移频信号产生原理图

为了实现信号的输出幅值连续可调，本系统将经放大电路输出的信号作为数模转换芯片AD7521的电压参考源。AD7521是一参考端可变的高精度模数转换芯片，通过GPIO口向AD7521写入不同控制字，AD7521将输出不同幅值的信号。由于AD7521的输出量为电流量，因此在AD7521输出端设置双路运放芯片OPA2727，实现电流量至电压量的转换。其电路原理图如图3所示。

12位的模数转换芯片AD7521有效位为11位，最高位为符号控制位。当数字位输入为0x000时，AD7521输出端信号有效值为VREF;当数字为输入为0x7FF时，AD7521输出信号有效值为VREF/211;当数字位输入为0x800时，AD7521输出信号有效值为0V。本系统输入至AD7521的信号参考端有效值为1.187V，理论上最小步长可达到0.580mV。

4 实验结果

4.1 双路移频信号的频率可控

实验中仅选取一路信号进行测试，另一路因控制方法一样，因此测试结果一致。为了让所产生的移频信号效果明显，这里设置移频信号载频为600Hz，上、下频率偏移为200Hz，低频调制信号频率为100Hz。具体效果图如图4所示，通道1为移频信号的低频频率指示波;通道2为载频信号;通道3为最终产生的移频信号。由图4可知，本系统产生的移频信号波形光滑，频率稳定。

图4 移频信号效果图

本系统实际所需发送的移频信号，采用4种载频，4种载频又分为F1和F2两种，共8种载频信息;低频调制频率共有18种［7］。高频信号频率测试值如表1所示。经实验测得，信号的高频频率实际值与理论值相差最大值为0.5Hz;满足测试条件要求。另外，由于移频信号的低频频率由F2812定时器控制，其精确度很高，误差远远小于1，如表2所示。因此，各载频的移频信号，满足测试条件要求。

表1 移频信号高频精度测试

表2 移频信号低频精度测试

4.2 移频信号的幅值可调

图5为信号幅值可调的测试图，为了使其实验效果明显，设置AD9833产生方波。测试时，控制AD7521 输出 20mV、40mV、60mV、80mV、100mV、120mV波形的幅值大小。实际产生的信号，幅值精度在5mV左右。由此可见，输出信号经过AD7521后，幅值大小连续可调，产生的波形平滑稳定，精度高，满足测试要求。

5 结束语

本文设计的接收机测试系统的信号发生模块，通过F2812内部SPI接口及GPIO模拟的SPI接口分别对两片AD9833写入控制字，能同时产生双路频率可调的移频信号，信号波形平滑，频率控制精确，低频、高频精度均在1以上;通过GPIO对AD7521写入控制字，实现测试信号幅值的连续可调，信号的幅值准确，信号的幅值误差小于10mV。经实验验证，本测试系统所产生的双路移频测试信号精度高，误差小，波形稳定，可靠，完全满足测试需求。

图5 信号的幅值可调测试图

［1］唐大勇.ZPW－2000轨道电路在站联轨道区段的应用［J］.铁路通信信号工程技术，2011，8(3):80 －82.

［2］仝广兴.ZPW－2000A移频自动闭塞设备故障分析［J］.铁道通信信号，2011，47(11):46 －47.

［3］彭立群，邓迎宏，肖彩霞.ZPW－2000R型无绝缘移频自动闭塞系统［J］.铁道通信信号，2007，43(6):4 －8.

［4］刘国良，廖力清，施进平.AD9833型高精度可编程波形发生器及其应用［J］.国外电子元器件，2006(6):44－47.

［5］孙丽明.TMS320F2812原理及其 C语言程序开发［M］.北京:清华大学出版社，2008:195－196.

［6］耿浩和.基于DSP的移频轨道电路参数在线检测方法研究［D］.西安:西北工业大学，2007:7－10.

［7］郭红星.轨道电路FSK移频信号参数检测方法研究与实现［D］.北京:西安工业大学，2011:10－11.