李永巖
(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 甘肅勘察院,蘭州 730030)
在軌道移頻信號(hào)檢測(cè)方法方面,傳統(tǒng)MATLAB系統(tǒng)主要采取時(shí)域法處理手段,包含多周期同步測(cè)量、數(shù)據(jù)周期測(cè)定、脈沖數(shù)計(jì)數(shù)等多種實(shí)施方案。在固定時(shí)間周期內(nèi),可同時(shí)確定信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)與待測(cè)脈沖頻率,并建立二者之間的模態(tài)通用函數(shù)。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中,信號(hào)移頻精度始終與信號(hào)脈沖數(shù)量保持反比關(guān)系,但卻可與檢測(cè)閡值時(shí)間建立正比干擾模型,當(dāng)鐵路輸入信號(hào)量不斷變大時(shí),所檢測(cè)出的特征參數(shù)量數(shù)值也隨之增大[1-2]。這種方法依靠軌道移頻信號(hào)內(nèi)部時(shí)鐘參量與外部頻率基數(shù)作比的方式,降低特征參數(shù)值實(shí)際檢測(cè)誤差,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)通信數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)穩(wěn)定傳輸。但此方法在低頻、高頻軌道信號(hào)并存的情況下,所獲移頻信息的特征參數(shù)值始終不能達(dá)到理想化水平。
基于上述問(wèn)題,引入Zoom-FFT技術(shù)手段,設(shè)計(jì)新型鐵路移頻信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。所謂Zoom-FFT技術(shù)也叫選帶快速傅立葉變換或細(xì)化的快速傅立葉變換,可針對(duì)固定節(jié)點(diǎn)處的信號(hào)參量實(shí)施局部細(xì)化放大處理,從而使高、低頻軌道移頻信號(hào)獲取不同的頻段分辨率。與傳統(tǒng)MATLAB系統(tǒng)相比,新型系統(tǒng)借助WIFI通信、移頻濾波等多種軟件主程序,連接各級(jí)硬件執(zhí)行結(jié)構(gòu),再通過(guò)計(jì)算瞬時(shí)信號(hào)輸出頻率的方式,建立必要的模態(tài)移頻函數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路移頻信號(hào)頻率的分析與處理。在Zoom-FFT技術(shù)的支持下,新型系統(tǒng)能夠在多次檢測(cè)過(guò)程中得出更為精準(zhǔn)的軌道移頻信號(hào)特征參數(shù)值,緩解列車(chē)通信數(shù)據(jù)在實(shí)時(shí)穩(wěn)定傳輸方面所受的限制。
鐵路移頻信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件執(zhí)行環(huán)境包含AD轉(zhuǎn)換電路、DSP移頻芯片、信號(hào)傳感單元等多個(gè)設(shè)備元件,具體搭建方法如下。
AD轉(zhuǎn)換電路是鐵路移頻信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)中的核心電子輸出裝置,負(fù)責(zé)DSP芯片、LCD顯示器等硬件結(jié)構(gòu)之間的電量促導(dǎo),可在完整保留低頻、高頻軌道信號(hào)移頻形式的同時(shí),將電流、電壓及其它電子應(yīng)用指標(biāo)一并從信號(hào)輸入端運(yùn)送至信號(hào)輸出端。VEE信號(hào)捕獲器與鐵路移頻電子信號(hào)輸入端相連,只針對(duì)既定頻段內(nèi)的信號(hào)參量實(shí)施篩選處理,左側(cè)與一移頻處理器相接,在長(zhǎng)導(dǎo)線傳輸作用下,直接實(shí)施對(duì)上級(jí)捕獲信號(hào)的反調(diào)處理,同時(shí)將各類(lèi)匯總指標(biāo)參量反饋至DIGTTAL元件之中。DIGTTAL元件在功能上等同于一個(gè)A/D電路轉(zhuǎn)換器,負(fù)載于鐵路移頻電子信號(hào)輸入端左側(cè),同時(shí)承載多個(gè)檢測(cè)電阻R兩端的移頻電壓,可根據(jù)信號(hào)特征參量的實(shí)際數(shù)值水平,協(xié)調(diào)低頻、高頻電量間的檢測(cè)度量關(guān)系,具備較強(qiáng)的數(shù)據(jù)信號(hào)統(tǒng)籌能力[3]。移頻互感端口同屬于AD轉(zhuǎn)換電路下側(cè),在INH信號(hào)采集設(shè)備的作用下,使檢測(cè)電阻R內(nèi)部的傳輸電流逐漸趨于統(tǒng)一,當(dāng)互感輸出端累積的移頻信號(hào)量達(dá)到既定數(shù)值水平后,POL、CLK、DC、GND端口同時(shí)開(kāi)啟與下級(jí)硬件設(shè)備間的應(yīng)用連接,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路移頻信號(hào)數(shù)據(jù)的檢測(cè)傳輸。
圖1 AD轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)圖
DSP移頻芯片與其它硬件檢測(cè)設(shè)備不同,在AD轉(zhuǎn)換電路的作用下,該原件具備獨(dú)立的算法編程能力,可在不借助軟件主程序的情況下,直接實(shí)施對(duì)鐵路移頻信號(hào)數(shù)據(jù)的應(yīng)用與調(diào)度,從而使得列車(chē)通信數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸穩(wěn)定性大大提升[4]。Jtag接口、SPI接口、Boot接口同位于DSP移頻芯片左下部,可按照數(shù)據(jù)信息的實(shí)際調(diào)度需求,建立與其它設(shè)備元件間的應(yīng)用連接。在信號(hào)復(fù)位按鈕保持正向偏轉(zhuǎn)的情況下,Ecan接口長(zhǎng)期空余,AD轉(zhuǎn)換電路直接作用于開(kāi)關(guān)設(shè)備,并以此維持電源接口內(nèi)鐵路移頻信號(hào)的連續(xù)接入狀態(tài)。移頻測(cè)試電位器位于DSP芯片上部,具有獨(dú)特的哈佛結(jié)構(gòu),在分流鐵路移頻信號(hào)時(shí),要么訪問(wèn)數(shù)據(jù),要么訪問(wèn)程序,最大程度上保持了輸入信號(hào)特征參數(shù)值的檢測(cè)精準(zhǔn)性,使得系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)效率得到了提高[5]。串口組織輔助EEPROM設(shè)備執(zhí)行移頻信號(hào)的取址與譯碼,在一個(gè)系統(tǒng)檢測(cè)周期內(nèi),具備多次與信號(hào)傳感單元連接的機(jī)會(huì),是DSP移頻芯片內(nèi)的核心應(yīng)用設(shè)備。
鐵路移頻信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的傳感單元設(shè)備具備一階差分、一階濾波、一階單轉(zhuǎn)三類(lèi)基本連接形式,分別對(duì)應(yīng)待檢軌道信號(hào)的不同輸出狀態(tài)。
1)一階差分傳感:一階差分傳感可實(shí)現(xiàn)由高頻輸入信號(hào)到高頻輸出信號(hào)的平級(jí)轉(zhuǎn)換,在R0信號(hào)電阻的作用下,鐵路移頻信號(hào)始終保持較強(qiáng)的橫向傳輸能力,在按照R1、R2電阻間的實(shí)際阻值比例,分配暫存于系統(tǒng)內(nèi)的信號(hào)數(shù)據(jù)參量, 再聯(lián)合DSP移頻芯片,實(shí)現(xiàn)信息結(jié)構(gòu)體的實(shí)時(shí)顯示[6]。
圖2 信號(hào)傳感單元結(jié)構(gòu)圖(一階差分形式)
2)一階濾波傳感:一階濾波傳感可實(shí)現(xiàn)由低頻輸入信號(hào)到低頻輸出信號(hào)的平級(jí)轉(zhuǎn)換,R1、R2電阻同時(shí)具備感知鐵路移頻信號(hào)的能力,但由于下級(jí)傳感單元中只包含一個(gè)R3電阻設(shè)備,故該原件的阻值計(jì)算量應(yīng)等于R1、R2阻值之和。
圖3 信號(hào)傳感單元結(jié)構(gòu)圖(一階濾波形式)
3)一階單轉(zhuǎn)傳感:一階單轉(zhuǎn)傳感可實(shí)現(xiàn)由高頻輸入信號(hào)到低頻輸出信號(hào)的越級(jí)轉(zhuǎn)換,信號(hào)源經(jīng)過(guò)R0電阻的移頻調(diào)試后,直接進(jìn)入R3電阻中,再分多次傳輸至LCD信號(hào)顯示器及微處理接收元件中,從而為數(shù)據(jù)采集、移頻濾波、WIFI通信三類(lèi)軟件主程序提供必要依存條件。
圖4 信號(hào)傳感單元結(jié)構(gòu)圖(一階單轉(zhuǎn)形式)
LCD信號(hào)顯示器在核心板件上設(shè)置TPS73HD318型應(yīng)用設(shè)備,為突出鐵路移頻信號(hào)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一性,元件結(jié)構(gòu)外平均分布28個(gè)功能不同的連接慣腳,一方面可大大增加顯示器主體與下級(jí)微處理接收元件間的連接緊密性,另一方面也可根據(jù)軌道移頻信號(hào)的特征參數(shù)實(shí)值,生成即時(shí)性數(shù)據(jù)顯示文件,從而滿(mǎn)足列車(chē)通信數(shù)據(jù)間的的穩(wěn)定性傳輸關(guān)系。TPS73HD318應(yīng)用設(shè)備左側(cè)連接慣腳上、下兩端各預(yù)留兩個(gè)空白傳輸位置,而中間剩余的12個(gè)連接慣腳則保持兼性連接關(guān)系,在經(jīng)過(guò)多次轉(zhuǎn)承處理后,直接與移頻信號(hào)的反饋終端組織相連。第28號(hào)慣腳接入系統(tǒng)LCD移頻信號(hào)輸入端,可通過(guò)同步獲取信號(hào)數(shù)據(jù)與應(yīng)用電子的方式,實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道移頻信號(hào)特征參數(shù)值的精準(zhǔn)檢測(cè)[7-8]。整個(gè)顯示器單元中分別設(shè)置3個(gè)屏狀設(shè)備元件,同一信號(hào)輸入形勢(shì)下,位于同側(cè)的顯示屏幕不能同時(shí)亮起、但可同時(shí)熄滅,這也是新型檢測(cè)系統(tǒng)能夠暫存移頻信號(hào)特征參數(shù)值指標(biāo)的主要原因。
圖5 LCD信號(hào)顯示器結(jié)構(gòu)圖
移頻信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的微處理接收元件由上、下部單元結(jié)構(gòu)共同組成,其中上部結(jié)構(gòu)中包含C6748、TMS320C6748、C6523三類(lèi)應(yīng)用芯片,下部結(jié)構(gòu)中則包含4個(gè)完全相同的信號(hào)數(shù)據(jù)顯示接入端節(jié)點(diǎn)。C6748芯片負(fù)責(zé)鐵路移頻信號(hào)數(shù)據(jù)的提取與調(diào)用,屬于與DSP芯片同級(jí)的遞歸處理元件,可有效統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)空余節(jié)點(diǎn)內(nèi)信號(hào)數(shù)據(jù)的實(shí)際數(shù)量級(jí)水平,再截取部分信號(hào)參量傳輸至下級(jí)設(shè)備元件中[9]。TMS320C6748芯片直屬于LCD信號(hào)顯示器,負(fù)責(zé)維持鐵路移頻信號(hào)的檢測(cè)輸入形式,不具備獨(dú)立的并行處理能力。C6523芯片與信號(hào)傳感單元設(shè)備同級(jí),具備多階連接形式同時(shí)轉(zhuǎn)換的能力,可同時(shí)調(diào)度位于下部元件結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)端口[10]。顯示接入端節(jié)點(diǎn)是鐵路移頻信號(hào)輸入微處理接收元件的物理通道,4個(gè)接口組織必須時(shí)刻保持相同的連通或閉合形式,以保證列車(chē)通信數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)穩(wěn)定傳輸。
在各項(xiàng)硬件基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的支持下,分別計(jì)算與鐵路信號(hào)參量相關(guān)的瞬時(shí)輸出頻率與模態(tài)移頻函數(shù),完成基于Zoom-FFT技術(shù)的信息檢測(cè)頻率分析。
2.1.1 瞬時(shí)輸出頻率
(1)
式中,λ代表基于Zoom-FFT技術(shù)的移頻信號(hào)檢測(cè)處理權(quán)限,y代表系統(tǒng)差分檢測(cè)濾波作用系數(shù),i0代表鐵路移頻信號(hào)的最小輸出基本量數(shù)值,i1代表鐵路移頻信號(hào)的最大輸出基本量數(shù)值,χ代表傳輸信號(hào)數(shù)據(jù)的既定移頻系數(shù),q代表單位時(shí)間內(nèi)的移頻信號(hào)檢測(cè)總量,e代表移頻傳輸數(shù)據(jù)的額定承載極限條件。
2.1.2 模態(tài)移頻函數(shù)
在Zoom-FFT變換規(guī)律的支持下,模態(tài)移頻函數(shù)可直觀表述鐵路信號(hào)瞬時(shí)輸出頻率在固定內(nèi)享檢測(cè)狀態(tài)下的單一頻率成分,可在為單分量信號(hào)賦予被檢實(shí)值參量的同時(shí),區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)信息主體中的必要與非必要傳輸成分,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)通信數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)穩(wěn)定傳輸[12-13]?;谏鲜龆x,模態(tài)移頻函數(shù)內(nèi)的鐵路信號(hào)輸入數(shù)據(jù)雖具備一定的波動(dòng)能力,但卻始終不會(huì)產(chǎn)生模態(tài)混疊的變動(dòng)形式。設(shè)β1代表鐵路移頻信號(hào)的極值點(diǎn)輸入個(gè)數(shù),β2代表鐵路移頻信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)輸入個(gè)數(shù),聯(lián)立式(1),可將信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的模態(tài)移頻函數(shù)定義為:
(2)
聯(lián)合鐵路移頻信號(hào)頻率分析原則,按照信號(hào)數(shù)據(jù)采集、信號(hào)移頻濾波、WIFI通信的主程序設(shè)計(jì)流程,完成新型信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的軟件應(yīng)用環(huán)境搭建。
2.2.1 信號(hào)數(shù)據(jù)采集程序
信號(hào)數(shù)據(jù)采集程序作用于信號(hào)傳感單元與DSP移頻芯片間的信息應(yīng)用連接,在檢測(cè)系統(tǒng)外部晶振頻率保持為24 MHz的情況下,該項(xiàng)執(zhí)行程序可將信號(hào)寄存器調(diào)節(jié)為Ox- O1C11100的執(zhí)行狀態(tài),再借助外部模態(tài)移頻函數(shù),更改已寄存的鐵路移頻信號(hào)參量,通常情況下,以倍頻數(shù)等于19最為適宜,此時(shí)與AD轉(zhuǎn)換電路相連檢測(cè)處理器的信號(hào)主頻數(shù)可達(dá)24×19=456 MHz[14]。在LCD顯示接口與DSP移頻接口保持并列連接的情況下,信號(hào)數(shù)據(jù)采集程序只允許寬度為16位的信號(hào)數(shù)據(jù)參量同列通過(guò),直至最大尋址空間達(dá)到512 Mbit,才完全釋放已存儲(chǔ)的信號(hào)參量指標(biāo)。具體的程序引腳與信號(hào)數(shù)據(jù)采集對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。
表1 信號(hào)數(shù)據(jù)采集程序編碼原理
2.2.2 信號(hào)移頻濾波算法
信號(hào)移頻濾波算法只為濾除LCD顯示器中的非必要數(shù)據(jù)參量,可聯(lián)合信號(hào)數(shù)據(jù)采集程序,定義檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)的信息傳輸頻率條件。一個(gè)完整的移頻濾波算法應(yīng)當(dāng)具有相同數(shù)量級(jí)水平的極值點(diǎn)和過(guò)零點(diǎn)個(gè)數(shù),且在系統(tǒng)檢測(cè)周期內(nèi),顯示器輸入信號(hào)數(shù)據(jù)的調(diào)頻與調(diào)幅都應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)正弦形式完全一致。在任意時(shí)刻,鐵路移頻信號(hào)的局部極大值點(diǎn)數(shù)量都不得高于過(guò)零點(diǎn)數(shù)量,而局部極小值點(diǎn)數(shù)量卻必須低于極值點(diǎn)的數(shù)量平均值,即移頻信號(hào)的上行、下行傳輸形式基本保持局部對(duì)稱(chēng)狀態(tài)[15-16]。在編寫(xiě)過(guò)程中,移頻濾波節(jié)點(diǎn)不得占用過(guò)量的信號(hào)頻段區(qū)間,且必須時(shí)刻與Zoom-FFT模態(tài)函數(shù)保持相同的應(yīng)用變化趨勢(shì)。
2.2.3 WIFI通信程序
WIFI通信程序是具備數(shù)據(jù)初始化能力的信號(hào)回傳指令,僅作用于與微處理接收元件相連的數(shù)據(jù)輸入節(jié)點(diǎn),支持Zoom-FFT檢測(cè)指令與移頻應(yīng)用指令的同步傳輸,在系統(tǒng)中起到原設(shè)置返回的作用[17]。無(wú)論指令是否成功執(zhí)行,在WIFI通信程序的作用下,微處理接收元件都會(huì)收到一連串的信號(hào)數(shù)據(jù)字符,對(duì)于其它系統(tǒng)硬件執(zhí)行結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),可通過(guò)識(shí)別返回信息中剩余字符數(shù)組的方式,判斷已傳輸指令是否執(zhí)行成功,若指令成功執(zhí)行,則自動(dòng)執(zhí)行下一條指令;若指令未能成功執(zhí)行,則重復(fù)執(zhí)行上一條指令,直至最終判斷結(jié)果為“是”。至此,完成各項(xiàng)軟、硬件執(zhí)行結(jié)構(gòu)的搭建,在Zoom-FFT技術(shù)原理的支持下,實(shí)現(xiàn)新型鐵路移頻信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的順利應(yīng)用。
為驗(yàn)證基于Zoom-FFT技術(shù)鐵路移頻信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在列車(chē)行駛路段中,每隔等長(zhǎng)距離設(shè)置一個(gè)移頻信號(hào)發(fā)生裝置,選取三臺(tái)等長(zhǎng)且型號(hào)相同的列車(chē)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,在車(chē)頭位置安裝相同的信號(hào)接收器,如圖6所示,其中實(shí)驗(yàn)組ArbStudio主機(jī)搭載新型信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng),對(duì)照組(a)ArbStudio主機(jī)搭載傳統(tǒng)MATLAB系統(tǒng),對(duì)照組(b)主機(jī)不搭載任何檢測(cè)系統(tǒng)。
圖6 列車(chē)內(nèi)部信號(hào)接收器
低頻、高頻軌道移頻信號(hào)檢測(cè)精度均能反映列車(chē)通信數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸穩(wěn)定性,通常情況下,檢測(cè)所得精度數(shù)值越大,列車(chē)的實(shí)時(shí)傳輸穩(wěn)定性也就越強(qiáng),反之則越弱。
3組不同的高頻軌道移頻信號(hào)檢測(cè)精度數(shù)值結(jié)果如圖7所示。
圖7 高頻軌道移頻信號(hào)檢測(cè)精度
從圖7可以看出,圖1(2)的數(shù)值波動(dòng)性最小,檢測(cè)精度極大值達(dá)到70%;圖1(3)的極小值水平最低,達(dá)到38%,二者間差值為32%。單看對(duì)照組(a)的數(shù)值結(jié)果,圖1(1)的極大值水平最高、而極小值水平最低,前者達(dá)到42%、后者達(dá)到2%,二者間差值為40%。單看對(duì)照組(b)的數(shù)值結(jié)果,圖1(2)的極大值水平最高,達(dá)到32%;圖1(1)的極小值水平最低,達(dá)到2.5%,二者差值為29.5%。綜上可知,應(yīng)用基于Zoom-FFT技術(shù)鐵路移頻信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng),可有效提升高頻軌道移頻信號(hào)的檢測(cè)精度數(shù)值,實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)通信數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)穩(wěn)定傳輸。
表2反映了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組(a)、對(duì)照組(b)低頻軌道移頻信號(hào)檢測(cè)精度的實(shí)際數(shù)值結(jié)果。
表2反映了3組不同的低頻軌道移頻信號(hào)檢測(cè)精度數(shù)值結(jié)果。單看實(shí)驗(yàn)組數(shù)值結(jié)果,第3組的極大值水平最高,達(dá)到31%;第1組的極小值水平最低,達(dá)到23%,二者間差值為8%。單看對(duì)照組(a)的數(shù)值結(jié)果,第3組、第1組的極大值水平最高,達(dá)到16%;第2組的極小值水平最低,達(dá)到12%,二者間差值為4%。單看對(duì)照組(b)的數(shù)值結(jié)果,第3組的極大值水平最高,達(dá)到8%;第1組、第2組、第3組內(nèi)記錄結(jié)果都包含極小值4%,二者差值為4%。綜上可知,應(yīng)用基于Zoom-FFT技術(shù)鐵路移頻信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng),也可有效提升低頻軌道移頻信號(hào)的檢測(cè)精度數(shù)值,促進(jìn)列車(chē)通信數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的實(shí)時(shí)傳輸。
表2 低頻軌道移頻信號(hào)檢測(cè)精度
與傳統(tǒng)MATLAB系統(tǒng)相比,基于Zoom-FFT技術(shù)的鐵路移頻信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)利用AD轉(zhuǎn)換電路,實(shí)現(xiàn)DSP芯片與信號(hào)傳感單元的實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)連接,又在數(shù)據(jù)采集、移頻濾波等多個(gè)軟件主程序的作用下,計(jì)算得出準(zhǔn)確的信號(hào)數(shù)據(jù)瞬時(shí)輸出頻率。從實(shí)用性角度來(lái)看,低頻、高頻軌道移頻信號(hào)檢測(cè)精度均出現(xiàn)不同程度的提升,可在精準(zhǔn)獲取信號(hào)參量特征參數(shù)值的同時(shí),實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)通信數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)穩(wěn)定傳輸,具備較強(qiáng)的應(yīng)用推廣價(jià)值。