基于dsp的軌道移頻信號(hào)檢測(cè)設(shè)計(jì)(tms320f-資料下載頁

【導(dǎo)讀】的安全可靠運(yùn)行就顯得尤為重要。隨著我國(guó)鐵路系統(tǒng)的不斷發(fā)展，而列車的區(qū)間信號(hào)可靠準(zhǔn)確傳輸是列車能否穩(wěn)定運(yùn)行的。非常重要的條件之一。介紹了軌道移頻信號(hào)的構(gòu)成，以及其調(diào)制方式。然后著重對(duì)軌道移。利用數(shù)字芯片進(jìn)行檢測(cè)則必須引入離散型傅里葉變換，欠采用技術(shù)，減少采樣點(diǎn)數(shù)，增加DSP工作效率。頻軌道信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。并給出詳細(xì)電路。

　　

【正文】 證信號(hào)的頻譜在頻域分析是不發(fā)生頻譜混疊并能無失 真還原，要求信號(hào)的采樣頻率必須滿足如下條件 [11]： 其中 為信號(hào)的最高頻率，當(dāng)采樣頻率低于最高頻率的兩倍時(shí)，采樣信號(hào)的頻譜可能發(fā)生混疊現(xiàn)象，從而造成采樣信號(hào)頻率與原信號(hào)頻率不同，即頻譜發(fā)生畸變或頻率混亂。 根據(jù)離散型傅里葉變換的性質(zhì)，信號(hào)頻譜的頻率分辨率是采樣頻率 與 FFT 長(zhǎng)度 的比值，即： 從上式我們可知，為了保證所測(cè)量的頻域分析信號(hào)能達(dá)到足夠的精度需要使 減小，所以我們可以增大 或者減小 ，增大 會(huì)使得在處理數(shù)據(jù)時(shí)處理器所占有的數(shù)據(jù)空間變大，使 處理數(shù)據(jù)量變大，從而降低數(shù)據(jù)處理的效率；但是如果過度降低 ，根據(jù) Nyquist 采樣28 定理會(huì)降低采樣信號(hào)的真實(shí)性，可能會(huì)發(fā)生混疊，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使設(shè)備根本無法正常識(shí)別分析信號(hào)。所以一般來講 是極限，但是仔細(xì)分析軌道移頻信號(hào)會(huì)發(fā)現(xiàn)，軌道移頻信號(hào)相對(duì)比較規(guī)律，最關(guān)鍵一點(diǎn)是其帶寬非常窄，國(guó)產(chǎn)的軌道移頻信號(hào)頻偏 為 55Hz，所以帶寬也僅有 110Hz， 如果仍按式（ 415）那樣去采樣的，信號(hào)的頻譜中將會(huì)存在一段頻譜的空余但是也不能利用，這樣做會(huì)引起帶寬的浪費(fèi)。通常對(duì)于窄帶寬的信號(hào)在采樣方面會(huì)有一些性質(zhì)，設(shè)帶通信號(hào)的帶寬為 ， ， 為上邊頻， 為下邊頻，并且 ，只要采樣頻率 的某些值，就能確保采樣后信號(hào)的頻譜不會(huì)重疊，所以欠采樣技術(shù)就是利用了軌道移頻信號(hào)的窄帶寬特點(diǎn)來進(jìn)行無失真采樣處理數(shù)據(jù)的。 采樣信號(hào) 傅里葉變換形式如下式： 上式中， 為欠采樣所得信號(hào)的頻譜函數(shù)， 為采樣周期，為采樣的角頻率。由式（ 417）可知信號(hào)的采樣過程其實(shí)是原始信號(hào)的頻譜沿著頻率軸所搬移的過程，所以為了確保信號(hào)的不失真，即要求信號(hào)采樣頻率 必須滿足 以下 的關(guān)系： 29 即 欠采樣后的中心頻率 與實(shí)際中心頻率 之間存在著如下關(guān)系： 其中 為頻率偏移常 數(shù)， 為欠采樣后得到的中心頻 率， 為理論頻譜中心頻率。這樣就可保證原信號(hào)頻譜中的上下截止頻率都不與上邊帶重疊，即采樣信號(hào)的頻譜無混疊現(xiàn)象 [ 12 ]。 軌道移頻信號(hào)欠采樣頻率的確定 根據(jù)以上的一系列分析可知軌道移頻信號(hào)是可以利用欠采樣技術(shù)來進(jìn)行無混疊采樣來確定頻率。這樣可以在相當(dāng)大的程度上增加所采樣信號(hào)的分辨率，在相同的 FFT 變換中，至少可以將分辨率提高 K 倍。我國(guó) 18 信息移頻自動(dòng)閉塞系統(tǒng)， FSK 共有 4 種載頻，分別是 550、 650、 750、 850Hz。其頻率 偏移為 ，下面以載頻為例進(jìn)行分析： 當(dāng) 時(shí) 信號(hào)的上邊頻為 信號(hào)的下邊頻為 30 根據(jù)公式（ 415）可得，當(dāng) K=1 時(shí) 同理也可求出當(dāng) K=2,3,4 時(shí)對(duì)應(yīng)的欠采樣頻率，分別為 綜上當(dāng) 時(shí)， 31 同理可以求得 由以上采樣頻率的數(shù)據(jù)可得：為了使得采樣過程簡(jiǎn)單應(yīng)該將信號(hào)的采樣頻率盡量保持統(tǒng)一。 如上式所示 ，四種 載頻不存在重疊部分，但是可以發(fā)現(xiàn)在信號(hào)的載頻為 550Hz 到 750Hz 時(shí)，欠采樣頻率32 存在重疊的部分 而在載頻為 650Hz 和 850Hz 上，采樣頻率也存在重疊部分 。由于系統(tǒng)采樣 DSP 的采樣頻率是 8000Hz，所以采用對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取的方法實(shí)現(xiàn) 待分析數(shù)據(jù) 的 欠 采 樣 。 對(duì) 下 行 數(shù) 據(jù) 以 18 倍 整 數(shù) 抽 取 得 到 欠 采 樣 頻 率 為，對(duì)上行數(shù)據(jù)以 21 倍整數(shù)抽取得欠采樣頻率為 。 33 第 5 章 軌道移頻信號(hào) 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 軌道移頻信號(hào)硬件整體 設(shè)計(jì) 概括 通過以上幾章我們 已經(jīng)對(duì)軌道電路信號(hào)的性質(zhì)進(jìn)行了比較詳細(xì)的分析，本論文最終的目的是要將具有處理檢測(cè)軌道移頻信號(hào)的設(shè)備設(shè)計(jì)出來，所以這章將主要根據(jù)移頻信號(hào)檢測(cè)方法的具體實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)整個(gè)體系的硬件部分。 檢測(cè)設(shè)備的硬件電路是實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能的平臺(tái)，也是 整個(gè) 檢測(cè)設(shè)備的主要部分之一，硬件設(shè)計(jì)部分的好壞將直接影響軌道移頻信號(hào)的傳輸質(zhì)量，檢測(cè)信號(hào)信息的精準(zhǔn)性，要很好的實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能，必須設(shè)計(jì)出 可靠 、穩(wěn)定且與檢測(cè)算法 相 匹 配的電路。 對(duì)于移頻信號(hào)檢測(cè)設(shè)備而言，由于分析信號(hào)要用到 FFT，所以處理數(shù)字信號(hào)的快慢將嚴(yán)重影響著設(shè)備的性能 ，而 DSP 芯片的誕生使 得 短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行大量數(shù)字信號(hào)處理成為了可能。 下面我們將給出整個(gè)電路的結(jié)構(gòu)框圖并加以說明 。 T M S 3 2 0 F 2 8 1 2內(nèi) 置A D信 號(hào) 預(yù) 處理電 源 產(chǎn)生 電 路L C D 接 口通 信 接 口鍵 盤存 儲(chǔ) 器信 號(hào) 燈 信 號(hào)發(fā) 送 圖 51 軌道移頻信號(hào)檢測(cè)硬件框圖 34 由以上框圖可以看出，整個(gè)系統(tǒng)硬件總體上分為 6 大部分，即信號(hào)預(yù)處理部分、 A/D 部分、鍵盤部分、 DSP 最小系統(tǒng)部分、 LCD顯示部分以及電源部分，下面將對(duì)各部分功能進(jìn)行介紹。 （ 1） 信號(hào)預(yù)處理部分 主要是將信號(hào)處理成 A/D 轉(zhuǎn)換器能接受的信號(hào)范圍，需要對(duì)信號(hào)的幅值以及所涉及的電壓范圍進(jìn)行處理，一般使用加法電路和放大電路組成。 （ 2） A/D 轉(zhuǎn)換部分主要是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字處理器能處理的數(shù)字信號(hào)，因?yàn)楸敬尾捎玫奶幚砥骶哂袃?nèi)置 A/D，所以此 A/D 部分主要是指內(nèi)置 A/D。 （ 3）鍵盤部分主要是對(duì)整個(gè)設(shè)備進(jìn)行開關(guān)、測(cè)試以及參數(shù)設(shè)置等人機(jī)對(duì)話功能。 （ 4） DSP 最小系統(tǒng)部分主要是指 DSP 芯片以及 DSP 運(yùn)行所需要的最小的外圍電路部分，一般包括時(shí)鐘電路，通信接口等部分，最主要的進(jìn)行 FFT 運(yùn)算并將運(yùn)算結(jié)果顯示在 LCD 以及信號(hào)燈的驅(qū)動(dòng)電路上。 （ 5） LCD 顯示部分主要是顯示當(dāng)前 DSP 的工作狀態(tài)，以及進(jìn)行人機(jī)對(duì)話的顯示部分以及相關(guān)的操作界面。 （ 6）電源部分 的主要功能是提供 DSP 工作的電壓和本論文所用的 A/D 基準(zhǔn)電壓以及外圍芯片所用的電壓。 DSP 芯片的選擇 芯片的介紹 首先 DSP 是哈佛結(jié)構(gòu)，它具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線和程序總線，可同時(shí)訪問指令以及數(shù)據(jù)空間，而且數(shù)據(jù)可以在程序的存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)35 的存儲(chǔ)器內(nèi)進(jìn)行傳輸，與早期處理器采用的馮諾依曼結(jié)構(gòu)相比具有更高的指令執(zhí)行速度和數(shù)據(jù)處理能力。而且 DSP 具有流水線操作，在 DSP 處理器內(nèi)，對(duì)于每條指令操作具體分為取指、譯碼、執(zhí)行等幾個(gè)階段，每個(gè)階段為一級(jí)流水。流水的處理具體是指某一個(gè)時(shí)刻同時(shí)要對(duì)若干條的指令 而進(jìn)行不同的階段處理。其次， DSP 有專用的硬件乘法器，在本項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用中，需要進(jìn)行大量的乘法和累加操作 (如數(shù)字濾波、卷積、快速傅里葉變換等 )，此時(shí)可利用 DSP片內(nèi)的硬件資源來完成。這樣就能在同一時(shí)鐘周期內(nèi)完成一次乘加操作，極大的提高數(shù)據(jù)的處理速度。再次，獨(dú)立的 DMA 總線和控制器，即有一組或多組 (直接存儲(chǔ)器訪問 )總線，與 CPU 的程序、數(shù)據(jù)總線并行工作，在基本不影響 CP U 工作的情況下，可以進(jìn)行高速并行數(shù)據(jù)傳輸。還有特殊的 DSP 指令集，它是一套專門為數(shù)字信號(hào)處理而設(shè)計(jì)的指令系統(tǒng)。使用這些指令，能夠簡(jiǎn)便、高效和快 速的進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理 [ 13]。 對(duì)于移頻信號(hào)檢測(cè)裝置來說，最核心的部分當(dāng)屬 DSP 部分，因?yàn)?此 部 分 的 選 擇 對(duì) 于 整 個(gè) 系 統(tǒng) 的 性 能 起 決 定 作 用 ， 可 以 通 過 用MATLAB 進(jìn)行仿真，確定采樣的參數(shù)來選擇合適的 DSP 型號(hào)。一般情況下，應(yīng)將 DSP 的特點(diǎn)， DSP 芯片的分類以及運(yùn)算速度和精度、存儲(chǔ)量的大小、功耗以及價(jià)格并結(jié)合本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求來綜合考慮。 TMS320F2812 簡(jiǎn)介 TMS320F2812 是美國(guó) TI 公司推出的新一代 32 位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，該芯片每秒可執(zhí)行 億次指令，具有單周期 32 bit 32 bit的乘和累加操作功能 ,片內(nèi)集成了豐富的外圍設(shè)備 ,如 16 路 A/D 轉(zhuǎn)換器、面向電機(jī)控制的事件管理器以及多種標(biāo)準(zhǔn)串口通信外設(shè)等。可見，其不僅具有數(shù)字信號(hào)處理器卓越的數(shù)據(jù)處理能力，又像單片機(jī)36 那樣具有適于控制的片內(nèi)外設(shè)及接口；它在數(shù)字控制系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，特別是在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域以及嵌入式開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中 ,常常成為微處理器的首選。所以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用 TMS320F2812 這款芯片。 X A [ 1 8 ]158X A [ 1 7 ]156X A [ 1 6 ]152X A [ 1 5 ]148X A [ 1 4 ]144X A [ 1 3 ]141X A [ 1 2 ]138X A [ 1 1 ]132X A [ 1 0 ]130X A [ 9 ]125X A [ 8 ]121X A [ 7 ]118X A [ 6 ]111X A [ 5 ]108X A [ 4 ]103X A [ 3 ]85X A [ 2 ]80X A [ 1 ]43X A [ 0 ]18X D [ 1 5 ]147X D [ 1 4 ]139X D [ 1 3 ]97X D [ 1 2 ]96X D [ 1 1 ]74X D [ 1 0 ]73X D [ 9 ]68X D [ 8 ]65X D [ 7 ]54X D [ 6 ]39X D [ 5 ]36X D [ 4 ]33X D [ 3 ]30X D [ 2 ]27X D [ 1 ]24X D [ 0 ]21X 1 /X C L K I N77X276X R S160T R S T135T C K136T M S126T D I131T D O127E M U 0137E M U 1146ADCLO175ADCRESEXT16ADCREFP11ADCREFM10X Z C S 6 A N D 7133X W E84X R D42VSSA115VSSA2165VDDA114VDDA2166VSS1163VDD1162VDDAIO1VSSAIO176VDD23VDD37VDD56VDD75VDD100VDD112VDD128VDD143VDD154VSS19VSS32VSS38VSS52VSS58VSS70VSS78VSS86VSS99VSS105VSS113VSS120VSS129VSS142VSS153VDDIO31VDDIO64VDDIO81VDDIO114VDDIO145VDD3VFL69G P IO F 040G P IO F 141G P IO F 234G P IO F 335G P IO F 4155G P IO F 5157G P IO F 687G P IO B 045G P IO B 146G P IO B 247G P IO B 348G P IO B 449G P IO B 550G P IO B 653G P IO B 755G P IO A 092G P IO A 193G P IO A 294G P IO A 395G P IO A 498G P IO A 5101AVSSREPBG12AVDDREFBG13ADCINA0174G P IO E 0 X I N T 1149GPIOG5SCIRXDB (I)91GPIOG4SCITXDB (O)90T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 圖 52 TMS320F2812 部分管腳示意圖 外圍電路的設(shè)計(jì) 供電電源 TMS320F2812/F2811/F2 810 芯片要求雙電壓（ 或 和）來為 CPU、 閃存 、 RO M、 ADC 和 I/O 供電。為了確保所