国产ZP-89铁路移频信号发生器实验仪设计与应用

李建国, 王小农, 贺云鹏, 黄 勇

(1. 兰州交通大学 自动化与电气工程学院, 甘肃 兰州 730070；2. 兰州铁路集团公司兰州电务段, 甘肃 兰州 730050)

国产移频轨道电路有以下两种制式：有绝缘轨道电路ZP-89系列,无绝缘轨道电路ZPW-2000A系列[1]。国产移频自动闭塞主要指八信息、十八信息移频自动闭塞和ZPW-2000A无绝缘轨道电路,其中八信息和十八信息移动自动闭塞上行线采用的中心载频选择650 Hz和850 Hz,下行线采用的中心载频选择550 Hz和750 Hz,频偏55 Hz[2]。通过对铁路区间信号系统功能、构成原理、铁路专用2FSK(二进制频移键控)调制信号生成方法的研究,移频信号采用载波调制,结果为低频信号调制中心载频信号后产生的下边频和上边频两个载频交替变化的正弦信号[3]。

本文以低频信息15 Hz为例,选用AT89C51单片机,8位的DAC0832转换器件设计实现ZP-89移频信号发生器。证明选用晶振为12 MHz的单片机作为核心处理器件来设计上行移频信号发生器在理论上的可行性,通过硬件设计实现上下边频载频调制后输出波形信号。该实验仪具有系统性能稳定、可靠性高等特点。通过实验仪的设计调试过程,可以使学生将基础知识与专业知识相结合,将知识转化为能力,同时该实验仪为专业教学提供理论支持和实际应用。

1 2FSK技术简介

键控法[4-5]由数字电路实现,具有调制变换速率快和可靠性高特点,被广泛采用。二进制移频键控调制(2FSK),当调制信号输入正脉冲时,载频信号的频率为f0+Δf;当调制信号输入负脉冲时,载频信号的频率为f0-Δf,其中f0为中心频率,Δf为频移,其交替变换的速率即是调制信号的频率,也就是低频信息。每个低频信号它所代表的含义也是不同的,车载设备接收到低频信息后,车载信号就可以指挥行车。

由载频和频偏可以得出上边频和下边频分别为：fh=f0+Δf,fl=f0-Δf,对各载频f0进行2FSK调制计算,f0为2FSK信号的中心频率,S(t)是2FSK信号的基本表达式,如式(1),其中AS为2FSK信号的时域幅度,g(t)是相位变化量子式,如式(2)和式(3),fc(t)为低频调制信号,Kt为最大载频偏移量。假设调制后的波形每个周期由128个点构成,若要使得调制后的信号被解调后能够得到相应的低频信息,则根据采样定理要求,采样的工作频率至少为模拟信号频谱最高频率f2的2倍,其中,Tl=1/(fl×128),Th=1/(fh×128),f2=1/(Tl-Th)。不同载频下要求51单片机的工作频率见表1。

S(t)=Ascos[ω0t+g(t)]

(1)

(2)

(3)

表1 不同载频下采样工作频率

2 基于单片机移频信号发生器实验仪的理论计算

2.1 单片机运行时间参数

单片机的机器周期为T51=12/fosc(机械周期为振荡周期的12倍),晶振为12 MHz的单片机机器周期为1 μs,即51单片机的定时器设置为计数模式时最小定时时间为1 μs[6]。

2.2 计算验证

以低频fc=15 Hz为例,对载频f0=650 Hz进行调制。国产有绝缘轨道电路ZP-89的频偏为±55 Hz,其中：上边频fh=705 Hz,下边频fl=595 Hz。每个1/2fc之内输出频率为上下边频的正弦波,即在低频方波信号周期的一半之内输出正弦波的频率为fl,另一半周期内则输出正弦波的频率为fh,见图1。假设调制后的波形每个周期由128个点构成,若要使得调制后的信号被解调后能够得到相应的低频信息,理论上要求51单片机相邻采样点之间的时间间隔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。由采样定理知：理论上要求单片机的机器周期T51=1.024 345 9 μs,由计算得知单片机可以满足实现ZP-89型移频信号发生器的时序要求[7-8]。由于DAC0832用于控制D/A转换时间的脉冲宽度不小于500 ns,即500 ns×128=64 μs,当VCC提高到15 V,其脉宽不小于100 ns,则有100 ns×128=12.8 μs,明显D/A转换时间符合设计要求。

图1 ZP-89移频信号输出的简略示意图

3 ZP-89型移频信号发生器实验仪设计

3.1 ZP-89移频信号发生器实验仪硬件系统

ZP-89型移频信号发生器[9-11]的系统设计框图见图2,主要包括信号调制模块、D/A转换及波形显示模块、液晶显示模块D/A转换模块及波形显示模块主要由D/A转换器件DAC0832、运算放大器、示波器组成。D/A转换器件DAC0832将单片机IO的数字量信号转化为模拟电信号,并经放大电路放大该电信号达到示波器显示的范围之内,示波器显示对应波形的周期/频率,以及调节对应波形的振幅、输出通道,硬件电路原理图如图3所示。

图2 系统设计框图

图3 硬件电路原理图

3.2 ZP-89移频信号发生器实验仪软件流程

图4为ZP-89移频信号发生器试验仪软件流程图,首先对AT89C51单片机、D/A转换器、液晶显示器各功能端口进行初始化。当Flag=2时,液晶显示器其进行清屏操作,上行移频信号发生器返回初始状态。

3.3 ZP-89移频信号发生器实验仪仿真与系统测试

使用Proteus 软件进行ZP-89移频信号发生器实验仪系统仿真,Proteus仿真结果如图5所示,分析波形证明完成了设计任务。系统运行测试结果见图6,可以看出,其显示波形与仿真波形存在差异,可能原因是：

(1) 所用到的杜邦线之间存在干扰；

(2) 单片机开发板同示波器之间的连线过长；

(3) D/A器件的输出端与示波器的连接线接触不稳定。

图4 软件流程图

图5 低频信号为15.0 Hz时的仿真结果

图6 系统仿真运行测试结果

4 结论

本文详细介绍了国产ZP-89铁路移频信号发生器实验仪的设计,使得铁路信号专业的学生在全面了解移频信号原理的同时,结合已学习的单片机知识、软件编程知识等学以致用,掌握学习的主动权以及保证专业教学实验效果。通过学生的自我实践,加深对专业知识的学习,进一步掌握铁路信号专业技术和实际操作技能具有重要意义。

随着教学改革的不断发展、完善和改进的过程中,采用FPGA(field programmable gate array)[12]设计国产ZP-89移频信号发生器更具有实际意义。