移频轨道电路发码装置的研究与设计

杨 城,刁艳美

（南京工业大学浦江学院,南京 211200）

移频轨道电路是重要的信号设备之一,与普通工频轨道电路相比,移频轨道电路不仅能检测列车对轨道的占用,还能传输行车信息。移频轨道电路发码装置基于移频键控（FSK,Frequency-Shift Keying）原理,将行车信息调制成移频信号,经放大器放大后传输到钢轨上,车载信号设备利用设置在第一轮对前方的线圈感应移频信号,经过解调可得到相应的行车信息,从而实现对机车信号机的控制。因此,移频轨道电路的发码装置（简称：轨道电路发码装置）输出信号的质量对机车信号的可靠性具有一定影响。

目前,比较有代表性的移频轨道电路有ZPW-2000 和FTGS,虽然二者对应的列车速度等级不同,但基本原理一致,都基于FSK 调制方式。

既有ZPW-2000 和FTGS 轨道电路发码装置存在以下问题：（1）主要由分立元件构成,电路结构较复杂,维护保养及故障处理流程较繁琐；（2）输出信号质量会因个别元器件老化而下降；（3）利用专用的检修环线检修时,需要检修人员登车检查每个机车信号码的显示情况,耗时耗力、易错检漏检。 为解决上述问题,众多研究人员进行了相关研究,田更生[1]基于可编程逻辑控制器（PLC,Programmable Logic Controller）设计了机车信号发码环线系统,将各种制式的数据预置在PLC 内存,可产生各种制式的编码信息,实现了向列车发送信息的功能,但采用开环控制,不能将运行结果及时反馈,有待继续研究；苏宝平等人[2]基于高性能单片机设计了一种便携式机车信号发码器,利用STM8 系列单片机的数模转换功能产生移频信号,滤波后输出到发射线圈上,但所产生的移频信号质量与单片机的速率和控制精度有关,需要程序精准控制才能使上下边频相位连续,设计上有一定难度；李积英等人[3]基于AVR 单片机给出了一种带闭环监测功能的轨道电路移频信号发码装置的电子化方案,利用2 个定时器分别计算调制频率和上下边频的中断时间,实现移频信号的输出,但该方案同样对单片机的速率和精度有较高的要求,需要严格控制上下边频相位的连续性,该方法分辨率也低于其他方案。

基于上述研究,本文设计一种高集成度、高精度、高分辨率的轨道电路发码装置,利用单片机控制直接数字频率合成器（DDS,Direct Digital Synthesizer）芯片产生指定的移频信号,经过功率放大,输出到机车环线,可兼顾ZPW-2000 和FTGS 这2 种移频轨道电路。

1 移频信号发码方案比选

1.1 移频信号产生方法

产生移频信号的方法较多,比较常见的有以下3 种[4]。

（1）利用单片机按正弦波幅值在连续的时间轴上产生相应宽度的脉冲宽度调制（PWM,Pulse Width Modulation）方波,使该信号能量分布在时域上与对应的正弦波一致,再将PWM 方波通过低通滤波器,即可得到相应的正弦波波形。该方法需要存储大量移频信号波形数据,在工作时比较耗费单片机资源,且输出波形平滑度与单片机及滤波器性能有较大关系,因此输出的信号质量会受到一定限制。

（2）利用单片机控制数模转换器（DAC,Digital to Analog Converter）芯片,直接控制输出正弦波波形,为让输出波形更加平滑,需要在DAC 芯片后级加上滤波器。单片机利用数模转换生成正弦波,本质上也是离散的,且需要一定的转换时间,该方法对单片机的资源和速度都有一定的要求。

（3）单片机控制DDS芯片,直接输出相位连续的FSK 调制信号,其波形具有速度快、分辨率高、相位连续等特点,还有较好的正交性,适合用来设计轨道电路发码装置[5-7]。

因此,本文采用第3 种方法产生轨道电路发码装置所需要的移频信号。

1.2 DDS 芯片选型

DDS 芯片与传统的频率合成器相比,具有成本低、功耗低、分辨率高和转换时间短等优点,通过参考频率源产生多个频率,利用全数字化技术合成,输出各种频率的波形。性价比较高的DDS 芯片参数如表1 所示。

表1 DDS 芯片参数

综合考虑表1 中各类DDS 芯片的参数和实际外围电路设计的复杂程度,本文选择AD9958 芯片作为移频信号发生电路的核心[8],主要原因如下。

（1）AD9958 芯片的时钟主频为500 MHz,输出信号的分辨率可达到0.12 Hz；

（2）在功耗方面,AD9958 芯片功耗较低,在设备不工作的情况下,可便捷地通过软件或者硬件将芯片设置成断电模式；

（3）单片机可通过串行I/O 接口控制AD9958芯片,易于硬件电路的设计。

2 轨道电路发码装置设计

轨道电路发码装置采用STM32L431 单片机作为装置的主控芯片,该单片机基于Cortex-M4 内核、主频80 MHz、Flash 256 KB、RAM 64 KB,属于超低功耗型号,适用于便携式设备及低功耗设备。AD9958 芯片作为移频信号发生电路的核心,输出的小功率移频信号需要功率放大电路（简称：功放电路）放大。后级功放电路分为两级,第1 级为运算放大器（简称：运放）,用于信号的调理；第2 级为功率放大器（简称：功放）。轨道电路发码装置还设计了RS-485 通信电路,方便上位机控制,并为便携式设备提供了按键和有机发光二极管（OLED,Organic Light-Emitting Diode）显示屏。轨道电路发码装置结构如图1 所示。

图1 轨道电路发码装置结构

轨道电路发码装置可通过RS-485 通信电路和OLED 显示屏、按键来进行配置。STM32L431 主控芯片接收到配置信息,并将配置信息转化成控制数据写入到移频信号发生电路的AD9958 芯片,从而输出指定的小功率移频信号；功放电路对AD9958 芯片输出的小功率移频信号进行功率放大,从而输出给测试环线,供车辆接收。

2.1 移频信号发生电路

AD9958 芯片是移频信号发生电路的核心,采用引脚架构芯片级封装（LFCSP,Lead Frame Chip Scale Package）,提供高速串行外设接口（SPI,Serial Peripheral Interface）,与STM32L431 单片机的通用型输入输出（GPIO,General-purpose Input/Output）口相连接,CS 引脚和SCLK 分别是SPI 接口的片选（低电平有效）和时钟引脚,SDIO_0～SDIO_3 为数据引脚,有4 种编程模式供用户灵活配置；P0～P3则为调制的数据引脚,用于控制芯片内部的累加器和输出信号的振幅。AD9958 芯片的DDS 内核电源和I/O 电源分开设计,分别为1.8 V 和3.3 V,因此,AD9958 芯片的I/O 口可直接和单片机的GPIO 相连。AD9958 芯片内部有倍频器,外接25 MHz 有源晶振提供时钟,经过倍频,AD9958 芯片构成的移频信号发生电路时钟主频可达500 MHz。

AD9958 芯片共有2 组输出通道,可设计成双移频信号通道输出,CH0_IOUT 作为主输出, CH1_IOUT为备用,在主输出故障的情况下使用。AD9958 芯片的信号以电流的形式输出,在输出端口上并联51 Ω电阻,将输出电流转换成电压信号。为提高输出信号的质量,本文在AD9958 芯片后级添加滤波器,以改善输出信号的谐波失真和杂散性,提高信号的平滑程度[9-11]。图2 为移频信号发生电路示意。

图2 移频信号发生电路示意

2.2 RS-485 通信电路

RS-485 通信电路用于轨道电路发码装置和上位机的数据通信,通信芯片采用RS-485 收发器SP485EN,考虑到工作现场电磁环境比较恶劣,利用光耦芯片TLP785 将通信电路和单片机隔离开,并在2 条通信线缆上分别并联1 个瞬态电压抑制器（TVS,Transient Voltage Suppressor）管,用来保护RS-485收发器SP485EN,防止通信接口受到瞬态电压冲击,图3 为RS-485 通信电路示意。

图3 RS-485 通信电路示意

采用RS-485 作为轨道电路发码装置的通信电路,主要因其利用差分形式传输信号,具有较好的抗干扰能力,为保证接收数据的正确性,单片机串口在接收到一串控制数据后,采用CRC 校验和应答机制来完成一次接收,如果校验错误,则请求重发。

2.3 功放电路

由于AD9958 芯片输出的信号功率较小,所以要利用功放电路对其进行放大,并发送到环线上。功放电路采用两级放大,第1 级为运放,第2 级为功放。经过一次放大推动功放,利用运放高输入阻抗和低输出阻抗的特点,匹配AD9958 芯片和后级功放间的阻抗,对硬件电路有一定的保护作用。运放选型为OP07,该运放具有低噪音、低失调电压的特点,不需要额外考虑调零问题,适合放大AD9958 芯片的小信号。

功放则采用D 类功放,其效率高、体积小、外围电路简单,不需要外加散热片,提高了轨道电路发码装置的便携性。所采用的功放芯片型号为TPA3116D2,该功放在21 V 供电,4 ΩBTL 负载情况下,可输出50 W 功率,效率为90%以上。TPA3116D2芯片的2 路功放通道,1 路提供给AD9958 芯片的主通道,另外1 路提供给备用通道,TPA3116D2 芯片输出端设计了LC 滤波器和EMI C-RC 缓冲器,图4为功放电路示意。

图4 功放电路示意

2.4 单片机软件设计

单片机程序主要负责与上位机通信,根据指令来控制AD9958 芯片产生调制信号,并在不同制式下灵活切换载频、频偏及低频编码。考虑到本文设计方案可能会用在便携式设备上,轨道电路发码装置允许现场人员利用按键和OLED 显示屏来进行配置操作。

AD9958 芯片的驱动函数主要负责产生调制信号,AD9958 芯片驱动函数的流程如图5 所示,在调用该函数时,应设置好轨道电路的制式、载频、频偏和低频编码等参数,单片机将这些数据存储在移频信号配置结构体内,使 AD9958 芯片复位,设置倍频系数为20,把AD9958 芯片的主频配置成500 MHz。选择CH0_IOUT 为主输出通道,再把移频信号配置结构体内的信息转换成具体的上边频和下边频、幅值和相位写入AD9958 芯片的寄存器,从而控制AD9958 芯片的输出。

图5 移频信号发生流程示意

2.5 上位机软件设计

上位机软件采用Visual C++ 6.0 编程,利用MSComm 控件控制计算机串口与发码装置通信,其操作界面如图6 所示。

图6 上位机操作界面

上位机软件可采用2 种方式控制轨道电路发码装置：（1）在其操作界面的“频率配置”框架内选择载频和低频信号,软件自动识别出对应的编码名称和机车信号显示的颜色,点击“开始发送”按钮,上位机即可自动循环发送该编码对应的数据,该方式采用广播形式发送数据；（2）直接编辑字符串来控制发码器,“字符串发送”框架内设置了4 个文本框,可用于输入不同编码的二进制数据,每一条字符串包括发码器的地址、载频信息、低频信息、编码名称等信息,选中其右侧的复选框,并选中“间隔发送”功能,就可同时控制单个或几个编码器。上述2 种方式均可适应不同的测试场合。

3 验证与测试

根据TB/T 3533—2018《轨道电路读取器（TCR）》[12]及TB /T3060—2016《机车信号信息定义及分配》[13]中关于轨道电路读取器及机车信号的技术规定,对本文研发的轨道电路发码装置的功能进行测试。利用示波器观察AD9958 芯片输出的信号波形,选取1698.7 Hz 载频及11.4 Hz 的L 码波形进行测试,测试波形如图7 所示。从波形来看,AD9958 芯片输出的正弦波具有良好的平滑度,且移频信号相位连续。

图7 载频及移频信号测试波形图

为进一步测试轨道电路发码装置的性能,使用CD97-3C 型机车信号测试仪对轨道电路发码装置输出的ZPW-2000 的移频信号的载频和低频进行了测试,测试结果如表2 和表3 所示。

表2 ZPW-2000 载频测试结果表单位：Hz

表3 ZPW-2000 低频测试结果表单位：Hz

利用轨道电路测试仪对FTGS 移频轨道电路的中心频率及上下边频进行了测试,测试结果如表4 所示。

表4 FTGS 轨道电路上下边频测试结果表单位：Hz

由表2～表4 中的数据可知,无论是ZPW-2000移频轨道电路的载频,还是FTGS 移频轨道电路的上下边频,测试结果的最大误差均不超过0.06 Hz,ZPW-2000 轨道电路的低频发码最大误差不超过0.01 Hz。综上,DDS 芯片输出信号质量满足ZPW-2000和FTGS 移频轨道电路技术指标,符合TB/T 3112.2-2017《铁路车站电码化设备第2 部分：发码、检测、调整器》[14]对发送器的技术要求。

4 结束语

目前,本文设计的移频轨道电路发码装置已在南京地铁一号线上线运行,主要用于对车载信号设备的检测和测试,简化了现场检测的流程,降低了现场信号维护人员的工作强度,对机车信号设备的故障起到了一定的预防作用。该发码装置利用单片机直接控制DDS 芯片产生FSK 信号的方案,能够输出相位连续、分辨率高、谐波噪音小、稳定性高、符合使用要求的移频信号,解决轨道电路发码装置技术老旧、信号质量降低、可靠性差的问题；其设计方案降低了移频轨道电路发码装置的复杂程度,减少了潜在故障点,有利于故障排查和日常维修保养,也可设计成手持式便携发码装置,方便机车出入库的检修作业。