CTCS地面點式應答器的設計

1、科技信息 博士 ? 專家論壇CTCS地面點式應答器的設計 四川成都電子科技大學微固學院 熊向杰 王魯豫 摘 要點式應答器是一種高速鐵路控制系統(tǒng)的關鍵設備 ,廣泛應用于 CTCS（中國 鐵路控制系統(tǒng) ）中。在 DDS理論的基礎上 ,提出了一種基于 DDS 技術的地面應答 器設計方案。實踐證明 ,這種設計方案完全適合 CTCS 標準,達到了設計要求。 關鍵詞CTCS 標準 點式應答器 DDS1、引言 近年來,中國鐵道部門參考歐洲 ERTMS ETCS 標準制定了適合中國國情的 GMS-R CTCS（中國鐵路控制系統(tǒng) ）系列技術標準 ,為中國鐵路信號的跨越式發(fā)展確定了總 體技術方案和總體規(guī)劃。在 C

2、TCS標準中 ,點式應答器作為在特定地點為列車定位 和傳遞地面信息的關鍵和基礎設備而存在 ,具有不可替代的重要作用 1 。目前 ,由 于國內(nèi)的應答器研究剛剛起步 ,還沒有成型的地面應答器產(chǎn)品。鐵道部門使用的都 是國外的點式應答器系統(tǒng)。引進一個地面應答器需要上萬元的資金,全國進行的鐵路提速與電氣化改造對應答器的需求將是非常巨大的。本項目的研究具有較高的 經(jīng)濟與社會價值。2、CTCS 地面無源點式應答器及 DDS,H）激活,限速各種關鍵信息。 ,車的安全運 行。,點式應答器對列車的安全運行具有重要意義。 點式應答器工作的電能量來自于列車上發(fā)出的功率載波 ,由于無線電波在空氣中的 損耗很大 ,如果地

3、面應答器的功耗較大 ,會對列車上的功率載波發(fā)射系統(tǒng)提出很高 的要求 ,同時帶來散熱、電磁兼容等多方面的問題。因此 ,功耗控制就成為應答器 設計的一個關鍵問題。降低系統(tǒng)功耗的主要方法是降低系統(tǒng)的工作電壓,使用低功耗的器件以及合理的電路設計等。另一個關鍵的問題是實現(xiàn) CTCS 標準所規(guī)定的信號格式。按照標準 ,應答器數(shù)據(jù)信 號調(diào)制方式為 FSK,中心頻率為 41234MHZ,調(diào)制頻偏為 282.24KHZ, 調(diào)制速率為 564.48Kbps。實現(xiàn) FSK 的方式有很多種 ,本文介紹了一種基于 DDS 的設計方案。 DDS 是 70 年代發(fā)展起來的新的頻率合成技術 ,具有傳統(tǒng)頻率合成技術難以獲得的優(yōu)

4、點 ,如頻率轉(zhuǎn)換速度快 ,相位連續(xù)和控制方便等 ,特別適合于點式應答器的設計 2。DDS 的主要缺點是雜散噪聲較大 ,可以通過外加濾波器加以濾除。下面簡要 介紹 DDS實現(xiàn) FSK調(diào)制的原理 ,如下圖所示:1或控 2,并對波形存儲器 (這里是一個正 SINROM)尋址。所得到的數(shù)字輸出通過 DAC 轉(zhuǎn)化成模擬信號 ,通過低通或帶通濾波器輸出。不同的頻率控制字 K 導致相 位累加器的不同相位增量 ,使波形存儲器輸出的正弦波的頻率不同 ,實現(xiàn)了 FSK 調(diào) 制。本設計采用的 DDS芯片 AD9834是一款專為低功耗應用而設計的 DDS 芯片,其工 作電壓范圍 2.2V-5V。工作參考頻率最高可達

5、50MHZ,最大輸出頻率為 25MHZ 。 其內(nèi)部集成了 28bit相位累加器 ,12位深度 SINROM 和 10位 DA 轉(zhuǎn)換精度。具有 極佳的低功耗特性 ,在 50MHZ 參考頻率 ,3V 工作電壓的情況下 ,電流消耗為 1.3mA, 消耗功率不足 4mW。在本項目中 ,以分離出來的 27.095MHZ 的功率載波作為 DDS 的參考頻率 ,其輸出帶寬大于 10MHZ,符合 CTCS 標準的上行信號帶寬要求。3、系統(tǒng)設計3.1設計指標及總體框圖本項目的設計指標如下 :輸入載波 :27.095MHz;消耗功 率:20dBm(100mW);輸出功率 :0dBm(1mW); 響應時間 :1ms

6、。其他設計指標參照 CTCS地面應答器標準?？傮w框圖如圖 (2)所示 :29 科技信息 博士 ? 專家論壇當列車經(jīng)過應答器時 ,列車上發(fā)出的 27.095MHZ 功率載波被應答器的接收天 線所接收 ,在應答器內(nèi)部經(jīng)過整流、低通濾波形成應答器工作的系統(tǒng)電源。同時,一部分載波被用于形成單片機和 DDS 芯片的系統(tǒng)時鐘 ,單片機的系統(tǒng)時鐘為 2.26MHZ,DDS 芯片的參考頻率與功率載波的頻率相同。單片機負責完成 DDS 芯 片和串行 EPROM芯片的初始化后就進入休眠模式 3,其 ACLK 時鐘驅(qū)動串行 EPROM 發(fā)出報文數(shù)據(jù) ,此報文數(shù)據(jù)控制 DDS 芯片的頻率選擇端 ,DDS 芯片根據(jù)報

7、文數(shù)據(jù)為 0或 1選擇不同的頻率控制字 ,進而形成 FSK 信號。此信號經(jīng)過寬帶天 線匹配3 后由發(fā)射天線發(fā)出。以下分別介紹幾個重要的功能模塊。 3.2電源及時鐘模塊 從天線得到的功率載波必須經(jīng)過整流、濾波后轉(zhuǎn)化為直流能量才能供應答器工 作。由于工作原理較為簡單 ,故在此只做簡單說明 :電源模塊使用微波二極管 4822 作為整流管 ,為了保證足夠的功率容量 ,將 3對二極管并聯(lián)。使用 PIN管 2820作為 限幅管,保證整流后的直流電平小于 5V。最后,使用 TPS763125將帶有紋波的直流 電平整定為穩(wěn)定的 2.5V 電平。另外,功率載波經(jīng)二極管斬去負周期 ,并通過限幅電路將正周期電平限制

8、在 3V 以下 , 就可以得到頻率為 27.095MHZ 的時鐘信號。將此信號通過反向器整形 ,并通過計 數(shù)器 12分頻 ,就得到了單片機的工作時鐘 2.258MHZ 。計數(shù)器及反向器通過一片 低功耗 CPLDXC2C32A 實現(xiàn)。3.3數(shù)字基帶信號產(chǎn)生模塊2PROM是 93AA56, 。工作電壓可低至 1.8V,500微安。使用標準 3線 SPI接口與 MCU 通信,當接收到單片機發(fā)出的讀指令后 ,只要片選端 (CS)保持為高電平 ,在每個 時鐘的上升沿 ,輸出端就按照從高到低的順序輸出指定字節(jié)的數(shù)據(jù)位。當指定字節(jié) 輸出完畢后 ,地址計數(shù)器自動加一 ,跳至下一字節(jié)輸出。這樣 ,只要 MCU

9、指定開始 輸出的地址 ,就可以轉(zhuǎn)入其他任務。在本項目中使用的 MCU 是 MSP420F1232。由 于工作時鐘為 2.258MHZ,指定其 ACLK 輸出為 MCLK 4, 即為 564.48KHZ, 與 FSK 信號的碼率相同。將 ACLK 加載到 93AA56 的時鐘端 ,93AA56 即按照 564.48Kbps 的速率串行輸出存儲于其中的報文數(shù)據(jù)。當初始化完成后 ,單片機轉(zhuǎn)入低功耗模式3(LPM3),由于其 ACLK 信號仍然存在 ,故 EPROM 的輸出不受影響。原理圖如圖 (3) 所示。3.4FSK信號產(chǎn)生模塊FSK 信號產(chǎn)生模塊是點式應答器的核心 ,其電原理圖如圖 3所示。 芯

10、片 AD9834內(nèi)部的控制寄存器和頻率字寄存器。 AD9834 的控制寄存器是一個16 位的寄存器 ,包含著控制芯片的許多重要信息。這里只對幾個重要的控制位進 行簡單說明 :D13(B28):設置為 0 芯片將頻率字寄存器低 14 位自動置 0,在不需要精確頻率的場 合下,可以提高響應速度。外部控制選擇 ,為 1為外部管腳 (FS)D9(PIN SW):內(nèi)部 控制,為 0 為內(nèi)部寄存器位控制。在本設計中 ,此位必須設置為 1。 D5(OPBITEN):符號位輸出 ,為1時SIGNBITOUT 管腳輸出 DAC 的 MSB,可用于監(jiān) 控 DDS 的工作狀態(tài)。D1(MODE):SINROM 是否旁

11、路 ,為 1,SINROM 旁路,IOUT IOUTB 管腳輸出三角波 , 為 0,輸出正弦波。本項目中 ,此位必須設置為 04 。AD9834 的頻率字寄存器中是 28位寄存器 ,其中的內(nèi)容決定了 DDS的輸出頻率。 通過外部 FS 管腳可以使進入相位累加器的頻率字寄存器進行切換。當FS 上為低電平時 ,頻率字 0進入累加器進行累加 ,輸出頻率 FL;同理,FS為高時,輸出頻率 FH。按照 DDS論,兩個頻率器中分別寫入 2 和()2200(16),S。輸出加載到。 ,其滿幅度輸 1(FULLSCALEADJUST) 上連接的電阻決定。這里使用的是 6.8K 電 阻,輸出電流約為 6毫安 ,

12、負載阻抗為 200歐,故輸出信號電壓的最大值約為 1.8V。 3.5FSK信號與天線的寬帶濾波匹配模塊實驗表明,DDS輸出的 FSK信號的輸出阻抗為 200歐姆,與 50歐姆發(fā)射天線的阻 抗并不匹配。因此 ,需要進行阻抗匹配 ,5 使發(fā)射天線獲得最大發(fā)射功率。另外 ,DDS 輸出帶有較大的雜散噪聲 ,理論分析和 實驗都表明最大雜散出現(xiàn)在 8.4MHZ 處2,強度約為-40dBm。因此,必須對 DDS輸 出進行濾波。在本項目中 ,使用 ADS 軟件的濾波器匹配工具來實現(xiàn)上述兩項目 標。匹配濾波器的設計指標如下 :輸入阻抗 :200歐姆;輸出阻抗 :50歐姆;帶通濾波器帶寬 :3.3MHZ 5.2

13、MHZ;帶外 衰減:2.5MHZ,小于-40dB;6MHZ,小于-40dB;帶內(nèi)紋波:小于 1dB;圖 4 是使用 ADS 軟件產(chǎn)生的匹配濾波器電路及仿真結(jié)果本模塊設計的關鍵點是通過 MCU 的串口正確設置 DDS4、測試結(jié)果及結(jié)論按照本項目設計的點式應答器已制成樣機 ,各項測試結(jié)果如下 :功率消耗 :18.5dbm(70mW);輸出功率 0dbm(1mW);響應時間 :0.1ms。各項指標達到 了設計要求。圖 5 及圖 6分別是輸30科技信息 博士 ? 專家論壇 出的 FSK 信號波形及頻譜圖。本項目的創(chuàng)新點在于首次應用 DDS 技術于點式應答器系統(tǒng) ,取得了較好的實驗效 果。與國外的同類設

14、備相比 ,本項目的 應答器具有信息容量較大、頻率精度高、響應迅速、成本較低等優(yōu)勢,具有較好的應用前景參考文獻1 胡東源.GSM-R CTCS略.中國鐵路,2003年022,出版社,2005年 114 李向紅,.鐵道,10月 7 4D2.2Vto5.5VMZS2003,肖輝.天線寬帶匹配網(wǎng)絡的設計與計算 .西安電子科技大學學報 ,1999年12月第 26 卷第 6期 30-34（上接第 32 頁）不僅從理論上對課程、實驗內(nèi)容、學科某領域當 前的發(fā)展狀況有了較深的理解和認識 ,而且也學會了面對一個課題應該怎樣開始 , 怎樣根據(jù)實際情況和科研要求從眾多實驗方法中進行取舍 ,怎樣設計實驗方案并在 實驗

15、過程中進行完善。3.2在實驗操作環(huán)節(jié)重點培養(yǎng)學生的實踐和創(chuàng)新能力實驗操作包括準備實驗、正 式實驗、實驗觀察與記錄等內(nèi)容 ,是實驗教學中最復雜的環(huán)節(jié) ,此環(huán)節(jié)主要培養(yǎng)目 標是 :一、培養(yǎng)實踐能力。實踐能力的培養(yǎng)要求學生勤于動手 ,它與傳統(tǒng)實驗中只 進行實驗步驟的操作不同 ,還包括自行準備實驗、熟練使用儀器等方面。準備實驗 是一個繁瑣的過程 ,是重點培養(yǎng)學生勤于動手的有利途徑 ,準備工作馬虎或圖省事 , 都有可能導致實驗的失敗。例如 : “培養(yǎng)基的配制和滅菌實驗 ”實,驗前教師明確告 訴學生 ,該實驗配制的培養(yǎng)基將作為后面兩個實驗項目的材料 ,這使學生切實感到 了實驗不再是為了應付差事 ,不能有一

16、點懈怠之心。此外 ,教師還要求學生學會使 用酸度計、冷凍離心機、培養(yǎng)箱、高壓蒸汽滅菌鍋等儀器設備,也有效提高了學生的動手和操作能力。二、培養(yǎng)創(chuàng)新意識和能力。創(chuàng)新需要大膽嘗試,但大膽嘗試不是沒有科學依據(jù)的盲動 ,而是在認真思考以后大膽通過實踐操作去滿足自己的求知 欲。例如 :在“過氧化氫酶活性測定實驗 ”中,學生自發(fā)進行了分工 ,分別對蠶豆幼 根、頂芽和嫩葉不同部分進行了測定 ,共同探究農(nóng)藥廢水對植物不同部位的過氧化 氫酶毒性是否相同。3.3在實驗結(jié)果處理環(huán)節(jié)重點培養(yǎng)學生的分析和處理問題能力 由于課程特點 ,我們改變了傳統(tǒng)的教法 ,在把好學生動手操作關的基礎上 ,對于同一 實驗出現(xiàn)的不同結(jié)果或現(xiàn)象原則上不作重做要求 ,而是引導他們分析和總結(jié)失敗的 原因 ,提出修改意見 ,以此來培養(yǎng)學生分析和解決問題的能力。例如 :本學期以安慶某家化工廠的農(nóng)藥廢水為研究對象開設了微核實驗 ,實驗中自行設計廢水染毒濃度 結(jié)果實驗得不到明顯的微核效應 ,對此 ,學生通過小組討論和分析 ,提出了改變?nèi)径緷舛群脱娱L染毒時間的思路。4、結(jié)論“分解設計 ”教學思路的實踐運行表明 ,環(huán)境生物學實驗在由傳統(tǒng)教學模式向設計性 實驗教學模式轉(zhuǎn)型的過渡階段 ,將能力培養(yǎng)目標分解成獨立的單元 ,穿插到不同實 驗項目的不同