便携式地铁车地通信检测系统设计

都庆庆， 梁鉴如， 杨明来, 陆鑫源, 陆善婷

(1.上海工程技术大学 电子电气工程学院，上海 201620； 2.上海应用技术大学 轨道交通学院，上海 201418；3.上海轨道交通维护保障有限公司通号分公司，上海 200002； 4.上海工程技术大学 工程实训中心，上海 201620)

0 引 言

车地通信(train-ground communication,TGC)系统是在移频键控(frequency shift keying,FSK)信号系统中，实现车载设备与轨旁设备之间数据信息传输的非安全通信子系统。在实际应用中，随着温度及电磁环境的变化，轨旁FSK信号收发装置电感、电容值会发生漂移，进而影响到FSK通信的LC谐振电路，使得谐振电路的中心频率发生偏移，这种不稳定的情况会影响TGC数据传输，最终造成列车运行出现晚点、不停站或冲出站台等问题[1～3]。

上海地铁二号线列车自动控制(ATC)系统投用以来，轨旁ATC与车载ATC子系统之间的密切性日益体现，特别是TGC系统重要性进一步显现。二号线TGC系统是中央、轨旁和列车信息交换系统，也是列车自动运行(automatic train operation,ATO)系统运行、中央时刻表调整的重要环节。因此，TGC系统运行质量将直接影响到二号线整体运营质量。但随着时间的推移，系统出现一些问题和故障：有些站台的发车指示灯时常发生不亮的现象，多次造成列车晚点，影响正常运营，经过分析认为，问题主要集中在TGC系统上。据统计，二号线信号系统发生的故障中，与TGC有关的故障占25 %左右。

目前上海地铁二号线对TGC系统的检测必须动车测试，通过查看指示灯闪烁的情况，了解通信效果，不能够定量确定数据包的丢失率、波形失真情况等，使得维护人员的整体维护效率大大降低。

本文设计的便携式地铁车地通信检测系统能够对TGC系统中的FSK信号进行实时检测，可对FSK信号进行接收、解调(采用非侵入式设计，不解调通信内容)等操作，并对接收到的波形、幅值、通信质量等信息进行实时存储、分析和显示，可为TGC系统的维护提供有效的数据，提高了系统维护的效率。

1 系统硬件设计

本装置硬件部分分为采样模块和数据存储模块，采样模块负责对FSK信号进行采样、解调、分析，数据存储模块负责将采样模块处理后的数据进行处理、存储，并通过通用分组无线业务(general packet radio service,GPRS)传输的方式将数据上传至云端服务器保存，方便工作人员远程查看,同时数据存储模块还可以与地铁巡检人员的手持终端进行连接，方便巡检人员实时查看设备保存的数据。

1.1 采样模块设计

采样模块由滤波、整形、解析、数据打包四个部分组成，由于TGC采用的FSK信号通常有大量的谐波，本文通过LC滤波电路进行滤波，然后经过整形电路对信号进行整形，单片机(micro controller unit,MCU)对整形后的信号进行AD采样，并通过快速傅立叶变换(fast Fourier transform,FFT)进行解析[4]，最后对解析的数据打包后通过RS-232传送到数据存储模块。采样模块设计框图如图1。

图1 采样模块框图

1.2 存储模块设计

存储模块通过RS-232从采样模块接收数据。将接收到的数据进行处理过滤。通过全球移动通信(global system for mobile communication,GSM)系统模块SIM900A获取当前标准时间，将处理后的数据加上时间标签后存储到FLASH中。同时数据也会通过GPRS发送到后台服务器上，便于远程监测。存储模块还有一个功能是通过蓝牙与地铁巡检人员的便携检测设备通信，将保存到FLASH的数据根据需要传送到检测设备上。储存模块设计框图如图2。

图2 存储模块框图

2 采样原理分析

二进制频移键控(2FSK)信号[5,6]的解调总的来说有两种基本方法，相干解调法和非相干解调法(又叫包络检波法)[7,8]。要对2FSK信号进行解调，硬件电路还是比较复杂的，而且温度及电磁环境会使电感、电容值发生漂移[9]。如果用离散傅里叶变换来解调，就会简化很多，数字解调器原理如图3所示。

图3 数字解调器原理

3 硬件电路设计

3.1 采样模块设计

采样模块接入的是室内机房信号发送端，发送端电压在110 V左右，由于MCU的AD采样端支持的电压在1.6 V左右，因此需要对信号进行分压处理。在设计过程中为了尽量减小对地铁通信系统的影响，采用了无感电阻先进行分压然后再用比例较小的变压器对信号进行隔离。信号经变压器副边输出到采样模块的输入端，再经过A/D转换、傅里叶变换得到解调的FSK信号2个频率对应的电压幅值，同时根据信号采样时间的分析得到TGC的成功率。按一定的格式打包，通过RS-232发送到数据存储模块。采样模块采用单片机STM32F303RCT6，原理如图4。

图4 采样模块电路原理

3.2 数据存储模块设计

数据存储模块使用的是ST公司的高性能、低功耗嵌入式MCU STM32F103RET6来实现数据的处理、存储与发送的功能。数据的处理直接可以通过MCU进行，主要对采样模块发过来的数据进行过滤，如果数据小于100 mV则不存储。如果连续5 s收不到采样模块传送来的FSK信号数据，存储模块则会将电压幅值和通信成功率加上时间戳保存在FLASH里。该部分添加的时间是由SIM900A通过GPRS连接到移动公司服务器获取的，得到标准的北京时间。

数据的发送是通过SIM900A的GPRS功能和HC-05蓝牙实现的。使用GPRS可以将数据发送至远程服务器，蓝牙模块与手持便携式检测装置配套使用。当手持便携式检测装置经过对码与其成功连接后，存储模块可以把存储在FLASH里的数据传送给手持测试仪。

4 软件设计与流程

4.1 采样模块

采样模块的作用是解调输入FSK信号，为了获取载波频率f1,f2以及对应的幅值，本文采用FTT对FSK信号进行解调。采样模块软件设计流程如图5所示。

图5 采样模块流程

4.2 存储模块

该部分电路功能为：从采样模块通过RS-232传送来的2个频率信号以及对应的电压和通信成功率加上时间戳,采用收到后即时存储方式保存在FLASH里。该部分模块具有蓝牙组件和GPRS组件，当手持便携式检测装置经过对码与其成功连接后，存储模块可以把存储在FLASH里的数据传送给手持测试仪，也可以通过GPRS组件传送给后台服务器用于数据处理。由于该模块具有GPRS组件，因此具有自动对时功能。其流程如图6所示。

图6 数据存储模块流程

5 系统测试与分析

在正常通信状态下，TGC系统环线与车辆之间的单向通信时间约为130 ms，通信断开时间约为445 ms；在通信异常情况下，TGC系统环线与车辆相邻两次的通信时间间隔大于1 000 ms的时间[10]。在正常通信状态下，测量得到信号通信时间和信号幅值如图7所示。地铁公司提供的安全偏差范围为0 %～7 %；经过测试，本装置能够准确检测到TGC系统通信成功率，与实际情况相符。

图7 正常通信状态下的通信信号波形

6 结 论

便携式地铁TGC检测系统可为地铁维护提供指导和帮助信息。经过实验室多次实验及二号线车辆段试车线现场试验验证，本装置可对现场信息进行采集和处理，且能够将通信质量及信号接收等情况实时反映到显示界面上，使得维护人员能够直观看到2FSK信号的载频偏差率和通信成功率，从而根据接收信号的情况来判断信号发送端硬件设备是否完好，大大减少维护人员的工作量，提高工作效率，减少维护的时间，降低维护费用。