基于TMS320F2812的通用式机车信号主机

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工作原理。针对铁路轨道极频信号、交流计数（25周、50周）、国内移频信号、ZPW2000等制式进行信息采集和译码，并最终输出译码结果帮助司机进行行车时的速度控制。机车信号的研制有效地保证了行车安全，提高了运行效率，也改善了司机的工作条件。经过大量的计算机仿真和实际道路试验，证明该主机具有集成度高、实时性好、抗干扰能力强以及高可靠性等优点。
关键词：机车信号；DSP；采样；译码
1 概述
机车信号是保证列车安全运行的重要手段之一，随着铁路跨越式飞速发展和铁路装备的现代化技术日益成熟，机车信号设备技术的研制也在不断改进和完善。目前，我国铁路机车信号主要采用相位连续的频移键控FSK调制方式，它具有数字通信的诸多优点，也有非线性调制的特点，借助数字信号处理技术及DSP芯片对FSK信号进行调制解调，进而实现数字化译码，具有很高的实时性和可靠性，非常适合于铁路信号的分析和处理。基于TMS320F2812的通用式机车信号主机采用“二取二”的容错安全结构，32位DSP数字信号处理，时域、频域相结合的分析方式，双线圈感应器接收，以及一体化大容量机车信号记录器等，有效的保证软硬件的安全性结合，为机车信号一体化提供了基础保障。文章介绍了基于TMS320F2812的通用式机车信号主机的软件组成及软件基本译码原理，对移频和UM71的译码算法进行了简略的描述，并分析了机车信号主机在运行时可能产生的故障和解决措施。
2 主机板软件组成
基于TMS320F2812的通用式机车信号主机由A、B两个主机及一个记录板组成，如图1所示。A、B两个主机分别接收线圈1和2传来的信号，作为译码的依据，并且形成双机热备。当班主机把最终译码结果送个监控设备LKJ作为行车监控的依据，并向记录板输出译码结果用来记录故障、分析原因。主机板把点灯信息输出给双面八显示信号机，即图中的显示机构，八种信号灯具有不同的含义，控制着列车的速度等级、进站、出站、停车等信息。
A、B两个主机板内部，分别有4个DSP进行译码和输出控制，内部结构如图2所示。从线圈接收到的信号通过隔离放大器分别进入两个译码DSP，针对不同制式进行译码，并通过双口RAM分别将译码结果送到两个控制DSP。主控DSP对两个译码DSP的结果进行双路对比，双路对比一致，则输出最终结果。
3 主机板软件的工作流程和译码原理
3.1 工作流程
每次开机后由动态电路输出信号对DSP进行复位，然后自动进入自检工作状态。自检过程主要包括对双口RAM、SRAM、信号继电器等的检查，历时大约1s。自检后亮白色灯，代表自检成功。DSP属于被动接收状态，A/D采样芯片通过中断使DSP启动工作。在每次采样的间隙，DSP进行译码和控制输出等工作。每次采样中断后，DSP需要执行一次译码程序和控制输出程序，然后接着等待下一次中断。处理过程包括滤波、译码、输入输出控制、反馈检测等。反馈电路随时检查灯反馈是否正确，确保译码结果能被顺利的反应到灯机构上。每次需要变换灯色时，DSP芯片先通过光电开关切断继电器节点上的50V点灯电源，然后动作继电器，最后控制光电开关导通接上50V点灯电源，实现节点无电转换。
3.2 译码原理
极频信号和交流计数均属于时域信号，处理起来相对简单，这里主要叙述国内移频率和ZPW2000的译码原理。
3.2.1 国内移频信号译码原理。国内移频信息的译码可以分为滤波、信号解调、低频译码三部分。（1）滤波。A/D采样的数据需要经过50Hz陷波器和带通滤波器进行滤波，这样，50Hz工频干扰被滤除，并且得到了通带内的信号。（2）信号解调。对带通滤波器的输出信号进行FFT变换，使其变成频域信号，然后对上边频、下边频进行低通滤波，得到低频包络信号，这就是比较规整的能量分布信号。FSK信号的频谱是离散的，它以载频为中心，以调制频率为等差级数向两边分布。根据这个特点，对此包络信号进行幅度和相位的检查，满足一定比例的情况认为得到了正确的低频方波，不满足则认为是邻线干扰等造成的，不会得到正确的低频方波。（3）低频译码。由于A/D中断的时间很短，所以如果在一个周期内断定低频方波是不科学的。根据响应时间的要求，在响应时间内的几个中断周期译码结果一致，则认为此结果可靠。这样，DSP可以连续的实时的输出译码结果。
3.2.2 ZPW2000信号译码原理。ZPW2000的译码过程同样分为滤波、信号调制、低频译码三个部分。只是针对不同的输入信号，带通滤波器的设计和参数略有不同。解调过程包括制式的选择、低通整形、幅度检查，最后提取方波。低频译码同样是周期性译码，只是根据各种频率对响应时间的要求，周期上会有些差异。
4 故障分析及处理
机车信号是对安全性和实时性要求非常高的产品，所以对于故障的检查和处理必须要做到“故障——安全”的要求，使系统形成多个闭环回路。因此，基于TMS320F2812的通用式机车信号主机对可能产生的故障做出分析，并提出相应的解决方案。（1）双路通信故障。与SCI通信故障超过800ms，进行SCI软复位，超过2s，认为出现通信故障，进行切机处理。（2）线圈故障。在2s之内的所有周期始终译为无码，并且上灯为白灯或者红灯的情况下，认为产生了线圈故障，强行进行切机处理。（3）运算数据故障（双口RAM通信故障）。超过2s，始终无法发送或者接收双口RAM的数据时，认为产生了双口RAM通信故障，进行切机处理。（4）灯反馈故障。在1.2s之内没有得到灯反馈信息，认为产生了灯反馈故障，进行切机处理。（5）降级显示故障。在2.5s内始终，两个DSP译码始终不一致，则按照降级显示处理。（6）无码切机故障。在2.5s内，本板始终无码，认为产生无码切机故障。进行切机处理。
5 结束语
通过以上叙述，可以看出基于TMS320F2812的通用式机车信号主机具有高度的可靠性、实时性、具有严谨的故障分析和诊断功能，经过大量的计算机仿真实验和现场试验，此设备符合铁路交通安全准则，可以对列车的运行起到指导作用。
参考文献
[1]严国志，罗欢，徐箭，等.基于DSP的通用式机车信号检测[J].元器件与应用，2003（4）.
[2]TB/T 3287-2013.机车信号车载系统设备[S].