一种工业机车通信DPSK解调器设计

在工业生产中，要实现大型移动机车位置实时检测与自动化控制，车地通信装置性能具有非常重要的意义。感应无线技术是一项针对工业生产中大型移动机车自动化而研制的工业应用技术，主要包括基于感应无线的机车位置检测技术和车地数据通信技术。感应无线数据通信是通过安装在机车底部的天线箱与敷设在地面轨道旁的编码电缆间的电磁耦合实现信息传递，由于通信距离较短，通信的质量较高。感应无线技术在工业机车自动化和轨道交通领域有广泛的应用前景。文中提出了一种基于感应无线技术的车地通信调制解调器设计方案，以TMS320F28335芯片为核心设计了一种DPSK解调器实现车地通信。

1 感应无线数据通信原理

图1给出了感应无线数据通信系统的结构框图。系统主要由中央控制室的调制解调器、编码电缆、机车上的天线箱和调制解调器构成。天线箱由接收线圈和发送线圈构成，编码电缆中具有通信用传输对线。编码电缆安装在机车轨道旁边，在机车行走过程中，安装在机车上底部的天线箱跟随机车移动，并始终与编码电缆保持 5-20cm距离，数据通信就是通过安装在移动机车上的天线箱中线圈与敷设在地面轨道旁的编码电缆中的通信传输对线之间近距离电磁耦合传递信息，天线箱与编码电缆之间形成了一个距离很短的无线通信信道，实现中央控制室与移动机车之间的数据通信。

为了抑制干扰，特别是抑制同频干扰噪声(机车上的变频调速装置产生的且与感应无线数据通信载波频率相同或相近的谐波)，编码电缆通信传输对线和车上接收天线均采用交叉结构，衰减干扰噪声，天线箱线圈与编码电缆中通信传输对线结构如图2所示。

假设每个天线线圈或者编码电缆网孔宽度为，发送线圈中心偏离L0和L1的中心分别为，d0，d1。r=d0+d1由于天线箱线圈和编码电缆之间距离短，可以把它们之间的磁场看成是均匀磁场。若发送线圈中激励电流为i=Imsinωt，则L0和L1的合成感应电动势e为：

其中Emax为发送线圈中心和L0或L1线圈网孔中心重合时，感应电动势达到的最大值。

2 硬件设计

从硬件角度而言，整个系统包括主要包括TMS320F28335 DSP、CPLD控制模块(DPSK调制模块)、信号调理电路、功率放大模块、RS-485通信接口、输入输出模块、JTAG接口以及电源管理模块等。图 3所示为系统的硬件设计框图。其中S0、S1是无线感应信号，是已调信号。

由于调制部分相对容易，下面重点阐述解调部分硬件电路和软件设计设计。

2.1 主控模块

该车地通信系统的主控模块选用的是32位的高性能DSC芯片TMS320F28335，主频达150MHz，片上带有256K字FLASH，34K字 SARAM，1K字OTPROM。片上集成了3个32位CPU定时器，16通道12位高速ADC，6通道的DMA控制器，以及UART、SPI、PWM、 GPIO等，片上外围设备资源丰富。

在该系统中，TMS320F28335 DSP主要工作有：在解调时，控制其片上12bit ADC进行采样，根据ADC采样的信号控制程控放大器(PGA)将感应信号调理到适合的幅度，对采样后信号进行数字处理与软件解调，解调后的信号通过 RS-485总线送给上位机。在调制时，DSP通过中断方式接收RTS以及每帧数据的起始位，产生控制信号控制CPLD构成的调制模块输出DPSK脉冲信号，用户可以通过按键、显示器等人机交互设备完成通信参数的配置。

2.2 感应信号放大模块

两路经过天线箱线圈或者编码电缆感应接收信号inL1与inL0经过运放U1和U2构成的反相放大电路完成阻抗匹配和放大后，经由U3构成的反相加法电路实现inL1和inL0两路信号的矢量合成，且经D1，D2，D3，D4，C5，L1构成双向限幅电路与滤波。该基本放大电路输出送PGA模块进一步放大。

2.3 有源带通滤波电路

由于在工业现场环境复杂，干扰较多，因此在模拟前端设计了基于开关电容滤波芯片MAX275的4阶带通滤波器，如图5所示。该带通滤波器设计指标为：中心频率约为79k Hz，品质因数Q约为10，增益约为1.31。

2. 4 程控放大模块

由于轨道机车在运动中天线箱和编码电缆之间的相对位置是变化的，感应信号幅度不稳定，因此在信号调理模块中使用了程控放大器，使感应信号幅度保持相对稳定。程控放大模块采用了D/A转换器AD7524与运放LM318构成，如图6所示。

假定DSP提供给AD7524的当前控制量为，当前的ADC对信号幅度平均采样值为，PGACon_Now，ADCSamp_Now假设需要将信号幅度(即ADC采样值)控制在ADCSamp_Max和ADCSamp_ Min之间，其中值为ADCSamp_Med，满足：

ADCSamp_Med=(ADCSamp_Min+ADCSamp_Max)/2 (2)

当采样幅度超出其限度时，DSP产生新的控制量算法为：

2.5 电平转换模块

由于带通滤波器的输出是双极性交流信号，而TMS320F28335片上ADC要求的输入是单极性信号，且电压范围在0～3V，因此带通滤波器的输出不能直接作为ADC的输入，需要将带通滤波器的输出进行电平转换才能送ADC。图7所示为电平转换电路，将交流信号电平提升1.5V，使VAIN0符合ADC 输入要求。是带通滤波输出，范围在-1.5V～+1.5V。R 21，R22采用精密电阻，其中R22=1KΩ，R21=1.2KΩ。

3 软件设计

系统软件主要包括上电后系统与外设初始化、检测按键状态完成对通信参数的配置、中断配置以及解调算法模块等。其中中断主要包括CPU定时器0和1中断，外部中断1和2中断等，它们主要用于提供CPLD构成的DPSK调制电路控制时序。解调算法主要包括确定空闲期、DCD确定、PGA控制、帧同步和位同步提取等算法。系统软件流程图如图8所示。

为了提高系统的可靠性与抗干扰能力，应用了TMS320F28335片上看门狗，在软件中安排喂狗指令，若系统出现死机等，定时周期内没有喂狗，看门狗复位系统，避免系统出现一直处于死机状态。

4 总结

该系统设计在软硬件设计上均采用了抗干扰设计，提高了系统的稳定性与抗干扰能力。设计中采用TI公司TMS320F28335 DSP芯片为核心，通过软件无线电方式实现DPSK解调，实现工业机车与控制中心的实时数据通信，系统升级只是软件的升级，对工业机车自动化具有重要意义。目前，该系统经过实际测试，具有三种通信速率(2400bps，4800 bps，9600bps)，自动增益控制，误码率低于，完全兼容目前的同类产品。