新型移频信号发送系统设计方案

    摘要：为适应我国高速列车自动控制系统发展的需要，提出采用双CPU加FPGA的系统设计方案，实现移频信号发送。在保证移频信号高相位精度的前提下，实现系统的自动多载频信号切换和实时故障检测。

    关键词：CPU FPGA 移频 故障检测

移频信号全称为移键控信号（Frequency-Shift Keying），利用高频信号承载低频信号，具有抗干扰能力强、传输距离远等优点，是现代铁路机车行驶中的速度控制信号。它可以准确确定列车的位置，与铁路机车安全运行有密切的关系。为确保信号接收系统接收到准确、实时有效的信号，要求移频信号发送系统在发送高精度移频信号的同时，能够保证自身系统的故障检测。

    现有的移频信号发送系统，使用特定频率晶振和CMOS器件，频率相位精度低、通用性差，无法实现多载频信号之间的自动切换，而且自检能力不高，不能达到实时故障检测，无法适应我国高速列车发展的需要[1]。因此，设计一种新型的移频信号发送系统就成为一个迫在眉睫的问题。本文提出采用双CPU保护下的FPGA系统实现移频信号发送的设计方案，以FPGA为系统核心，采用固定16MHz频率晶振，完成CPU时序控制下FPGA的逻辑功能。在保证移频信号高相位精度的前提下，实现了系统的自动多载频信号切换和实时故障检测。

1 FPGA芯片

本文选用的FPGA芯片是Xilinx公司推出的XC4005E-4IPQ100,该类型芯片具有5000最大逻辑门（Max Logic Gate），其中可配置逻辑模块（CLB）196个，以14×14矩阵结构排列；输入输出模块（IOB）112个。可实现616级触器（FlipFlops），具有并行模式配置能力，存储器容量为95,008 bits。使用亚微米多层金属材料加工方法，使系统时钟速率高达80MHz，而内部执行速率可以达到150MHz[3]。

该类型芯片在原有XC3000系列芯片的基础上，增加了内部软启动结构和时钟驱动输入输出模块数目，并且提供了可选择双向RAM存储器。

2 系统设计原理

系统设计原理如图1所示，该系统以双CPU保护下的FPGA为核心，配以辅助的前置光耦防护和后置安全与门及功率放大器。输入为国家标准的铁路用18路低频信息和4种载频触发信号，输出相应的调制后高精度移频正弦信号。其中，4种载频可以由触发信号直接控制，自动切换。

FPGA内部逻辑被设计为分频器、计数器、编码器、存储器、触发器和电子开关等部分。经过逻辑组合，实现低载频信息编码、相位连接移频信号调制和移频信号检测计数等三个主要功能，并接收CPU的控制信号，完成与CPU间的数据传输。

图1中双CPU使用W78E58型单片机。主、副CPU各自独立工作，分别向FPGA发送控制信号，读取低载频信息编码和移频检测计数结果，并以此为判据进行移频信号发精度检测。发现误码情况，即时关闭安全与门，切断移频信号发送通道，保证故障安全。主、副CPU之间，每个程序循环周期通信一次，以确认对方处于正常工作状态。

3 软件设计

3.1 移频信号调制结构设计

图2示出了FPGA内部实现移频信号调制的逻辑结构。FPGA芯片选用16MHz时钟脉冲，在分频模式的作用下得到所需要的低频和载频信号；运用时钟同步触发器和电子开关实现频率调制过程中的沿同步，从而在保证移频信号频率精度前提下，实现了移频信号的相位连续调制。

图2中K（t）为低频方波信号，G1（t）、G2（t）为载频方波信号，CLK为16MHz时钟脉冲，CS1、CS2为电子开关使能信号。低频分频器、载频分频器1、载频分频器2、时钟同步触发器、反相器、电子开关和加法器由FPGA内部逻辑门阵列通过状态机的方式实现[4]。低频分频器和载频分频器的分频由输入的低、载频触发信号控制，进行自动预置，使信号发送系统适用于多种载频切换，达到系统的通用性。

FPGA内部逻辑结构使用VHDL语言编写，图3示出了移频信号调制部分的VHDL语言程序流程图。

3.2 移频信号检测时序设计

移频信号检测采用高频插入的方法。将16MHz标准脉冲插入待测信号中，通过计数器确定待测信号的一个载频周期Tz，得到其载频频率fz：

    式中Nz为一个载频周期内的计数脉冲个数。

为了计算待测移频信号中的低频周期，需要存储大量的载频周期数Nz。利用CPU的定时器构成一定时间内（0.2s）的Nz数组，寻找移频信号上下边频的切换点，通过计算两个相邻切换点之间的载频周期数，确定低频周期，得到低频频率fd：

    式中Nd为两个相邻上下边频切换点之间的频率周期数。

在本文中，双CPU各自独立完成检测计数数据的精度判断和定时器控制，计数器部分在FPGA内部实现，图4示出了移频信号检测原理图。

CPU源程序使用C语言编写，使程序结构化，并易于升级。图5示出了移频信号检测部分的C语言程序流程图。

4 性能分析

4.1 实验结果

在完成调试样机的基础上，对新型移频信号发送系统进行实验检测。其中，载频信号取8种，中心频率分别为550、650、750和850Hz，频偏均为55Hz。低频信息从国家铁道移频信号标准中随机选取8种，分别为7、8、9、9.5、16.5、17.5、18.5和26Hz。

为检测实际发送的移频信号，利用HP3563A（Control Systems Analyzer）控制系统分析仪模拟通用移频信号接收器进行频谱分析。采样频率为2048点/s，加Hanning窗进行FFT变换[2]，可得到如图6所示的信号频谱图。其中，两个波峰处的相应频率就是FSK信号的上下边频，其左右两侧的闪高波峰处的相应频率为上下边频的低频频偏频率。考虑到上、下边频率谱线之间的相互干扰，取能量最高的次高峰为低频频偏点，其与相邻最高波峰之间的频率差即为对应FSK信号所包含的低频信息[5]。

系统自检部分的验证，由Micropack公司提供的Easypack/E 8052F在线仿真系统完成。该系统模拟CPU的全部功能，并从FPGA直接读取移频检测数据，数据格式为十六进制。

表1示出了系统实验结果，其中频率理论值和测量值单位均为Hz，系统自检值Nd、Nz1、Hz2均为十六进制数。上、下边频自检测计数脉冲为16MHz,低频自检测计数方波为上边频方波。

4.2 数据分析

对表1中实验数据进行移频测量值和自检值的最大相对误差分析，可以得到本文中新型系统的各方面精度，从而判断其否满足设计要求。

表1 8种移频信号实验结果

序 号	低    频			上边频			下边频
	理论值	测量值	Nd	理论值	测量值	Nz1	理论值	测量值	Nz2
1	7	7.03	0056H	605	604.86	6753H	495	494.85	7E4FH
2	8	8.06	0057H	705	704.86	58ABH	595	594.85	6912H
3	9	8.98	0059H	805	804.91	4DA6H	695	695.09	59E9H
4	9.5	9.47	005FH	905	905.15	450EH	795	794.96	4E9DH
5	16.5	16.41	0025H	605	605.02	6753H	495	494.88	7E4FH
6	17.5	17.67	0028H	705	704.96	58AAH	595	595.06	6912H
7	18.5	18.60	002BH	805	804.99	4DA6H	695	695.95	59EAH
8	20	20.17	002DH	905	905.12	450EH	795	794.96	4E9DH

移频信号测量的相对误差可以由下式得到：

E=[|fc-fl|]/fl    (3)

式中：fc、fl分别为频率的测量值和理论值。

结合公式（1）和公式（2），可以处到系统移频自检值的相对误差计算方法：

    式中，Ez、Ed分别为载频自检相对误差和低频自检相对误差，fc为对应的低频或上下边频测量值。

由公式（3）、（4）、（5）得到系统频率测量和自检值最大相对误差如表2所示。

表2 最大相对误差计算结果

测量值最大相对误差（%）	低  频	0.97
	上边频	0.02
	下边频	0.03
自检值最大相对误差（%）	低频	0.63
	上边频	0.01
	下边频	0.01

从2表可以看出，实际移频信号的发送相对误差不大于1%，完全满足铁道通信信号的精度要求；自检系统更可以保证实时检验发送信号，实现故障安全。

综上所述，新型移频信号发送系统应用先进的可编程逻辑芯片（FPGA）和高性能CPU，通过巧妙的逻辑结构设计和时序控制，实现系统的集成化、通用化，大幅度提高了系统运行速度和可靠性。实验结果表明，该系统完全能够满足高速、高精度、故障完全的铁道通信信号技术要求，具有很高的应用价值。