CTCS地面點(diǎn)式應(yīng)答器的設(shè)計(jì)

1、科技信息 博士 ? 專家論壇CTCS地面點(diǎn)式應(yīng)答器的設(shè)計(jì) 四川成都電子科技大學(xué)微固學(xué)院 熊向杰 王魯豫 摘 要點(diǎn)式應(yīng)答器是一種高速鐵路控制系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備 ,廣泛應(yīng)用于 CTCS（中國(guó) 鐵路控制系統(tǒng) ）中。在 DDS理論的基礎(chǔ)上 ,提出了一種基于 DDS 技術(shù)的地面應(yīng)答 器設(shè)計(jì)方案。實(shí)踐證明 ,這種設(shè)計(jì)方案完全適合 CTCS 標(biāo)準(zhǔn),達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。 關(guān)鍵詞CTCS 標(biāo)準(zhǔn) 點(diǎn)式應(yīng)答器 DDS1、引言 近年來,中國(guó)鐵道部門參考?xì)W洲 ERTMS ETCS 標(biāo)準(zhǔn)制定了適合中國(guó)國(guó)情的 GMS-R CTCS（中國(guó)鐵路控制系統(tǒng) ）系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) ,為中國(guó)鐵路信號(hào)的跨越式發(fā)展確定了總 體技術(shù)方案和總體規(guī)劃。在 C

2、TCS標(biāo)準(zhǔn)中 ,點(diǎn)式應(yīng)答器作為在特定地點(diǎn)為列車定位 和傳遞地面信息的關(guān)鍵和基礎(chǔ)設(shè)備而存在 ,具有不可替代的重要作用 1 。目前 ,由 于國(guó)內(nèi)的應(yīng)答器研究剛剛起步 ,還沒有成型的地面應(yīng)答器產(chǎn)品。鐵道部門使用的都 是國(guó)外的點(diǎn)式應(yīng)答器系統(tǒng)。引進(jìn)一個(gè)地面應(yīng)答器需要上萬元的資金,全國(guó)進(jìn)行的鐵路提速與電氣化改造對(duì)應(yīng)答器的需求將是非常巨大的。本項(xiàng)目的研究具有較高的 經(jīng)濟(jì)與社會(huì)價(jià)值。2、CTCS 地面無源點(diǎn)式應(yīng)答器及 DDS,H）激活,限速各種關(guān)鍵信息。 ,車的安全運(yùn) 行。,點(diǎn)式應(yīng)答器對(duì)列車的安全運(yùn)行具有重要意義。 點(diǎn)式應(yīng)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(yīng)答器的功耗較大 ,會(huì)對(duì)列車上的功率載波發(fā)射系統(tǒng)提出很高 的要求 ,同時(shí)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(yīng)答器 設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)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(shè)計(jì)等。另一個(gè)關(guān)鍵的問題是實(shí)現(xiàn) CTCS 標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的信號(hào)格式。按照標(biāo)準(zhǔn) ,應(yīng)答器數(shù)據(jù)信 號(hào)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(shí)現(xiàn) FSK 的方式有很多種 ,本文介紹了一種基于 DDS 的設(shè)計(jì)方案。 DDS 是 70 年代發(fā)展起來的新的頻率合成技術(shù) ,具有傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)難以獲得的優(yōu)

4、點(diǎn) ,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(diǎn)式應(yīng)答器的設(shè)計(jì) 2。DDS 的主要缺點(diǎn)是雜散噪聲較大 ,可以通過外加濾波器加以濾除。下面簡(jiǎn)要 介紹 DDS實(shí)現(xiàn) FSK調(diào)制的原理 ,如下圖所示:1或控 2,并對(duì)波形存儲(chǔ)器 (這里是一個(gè)正 SINROM)尋址。所得到的數(shù)字輸出通過 DAC 轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào) ,通過低通或帶通濾波器輸出。不同的頻率控制字 K 導(dǎo)致相 位累加器的不同相位增量 ,使波形存儲(chǔ)器輸出的正弦波的頻率不同 ,實(shí)現(xiàn)了 FSK 調(diào) 制。本設(shè)計(jì)采用的 DDS芯片 AD9834是一款專為低功耗應(yīng)用而設(shè)計(jì)的 DDS 芯片,其工 作電壓范圍 2.2V-5V。工作參考頻率最高可達(dá)

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(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)的上行信號(hào)帶寬要求。3、系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)指標(biāo)及總體框圖本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下 :輸入載波 :27.095MHz;消耗功 率:20dBm(100mW);輸出功率 :0dBm(1mW); 響應(yīng)時(shí)間 :1ms

6、。其他設(shè)計(jì)指標(biāo)參照 CTCS地面應(yīng)答器標(biāo)準(zhǔn)?？傮w框圖如圖 (2)所示 :29 科技信息 博士 ? 專家論壇當(dāng)列車經(jīng)過應(yīng)答器時(shí) ,列車上發(fā)出的 27.095MHZ 功率載波被應(yīng)答器的接收天 線所接收 ,在應(yīng)答器內(nèi)部經(jīng)過整流、低通濾波形成應(yīng)答器工作的系統(tǒng)電源。同時(shí),一部分載波被用于形成單片機(jī)和 DDS 芯片的系統(tǒng)時(shí)鐘 ,單片機(jī)的系統(tǒng)時(shí)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(jī)負(fù)責(zé)完成 DDS 芯 片和串行 EPROM芯片的初始化后就進(jìn)入休眠模式 3,其 ACLK 時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)串行 EPROM 發(fā)出報(bào)文數(shù)據(jù) ,此報(bào)文數(shù)據(jù)控制 DDS 芯片的頻率選擇端 ,DDS 芯片根據(jù)報(bào)

7、文數(shù)據(jù)為 0或 1選擇不同的頻率控制字 ,進(jìn)而形成 FSK 信號(hào)。此信號(hào)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(gè)重要的功能模塊。 3.2電源及時(shí)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(yīng)答器工 作。由于工作原理較為簡(jiǎn)單 ,故在此只做簡(jiǎn)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(duì)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(fù)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(shí)鐘信號(hào)。將此信號(hào)通過反向器整形 ,并通過計(jì) 數(shù)器 12分頻 ,就得到了單片機(jī)的工作時(shí)鐘 2.258MHZ 。計(jì)數(shù)器及反向器通過一片 低功耗 CPLDXC2C32A 實(shí)現(xiàn)。3.3數(shù)字基帶信號(hào)產(chǎn)生模塊2PROM是 93AA56, 。工作電壓可低至 1.8V,500微安。使用標(biāo)準(zhǔn) 3線 SPI接口與 MCU 通信,當(dāng)接收到單片機(jī)發(fā)出的讀指令后 ,只要片選端 (CS)保持為高電平 ,在每個(gè) 時(shí)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(dāng)指定字節(jié) 輸出完畢后 ,地址計(jì)數(shù)器自動(dòng)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(wù)。在本項(xiàng)目中使用的 MCU 是 MSP420F1232。由 于工作時(shí)鐘為 2.258MHZ,指定其 ACLK 輸出為 MCLK 4, 即為 564.48KHZ, 與 FSK 信號(hào)的碼率相同。將 ACLK 加載到 93AA56 的時(shí)鐘端 ,93AA56 即按照 564.48Kbps 的速率串行輸出存儲(chǔ)于其中的報(bào)文數(shù)據(jù)。當(dāng)初始化完成后 ,單片機(jī)轉(zhuǎn)入低功耗模式3(LPM3),由于其 ACLK 信號(hào)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(hào)產(chǎn)生模塊FSK 信號(hào)產(chǎn)生模塊是點(diǎn)式應(yīng)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(gè)16 位的寄存器 ,包含著控制芯片的許多重要信息。這里只對(duì)幾個(gè)重要的控制位進(jìn) 行簡(jiǎn)單說明 :D13(B28):設(shè)置為 0 芯片將頻率字寄存器低 14 位自動(dòng)置 0,在不需要精確頻率的場(chǎng) 合下,可以提高響應(yīng)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(shè)計(jì)中 ,此位必須設(shè)置為 1。 D5(OPBITEN):符號(hào)位輸出 ,為1時(shí)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(xiàng)目中 ,此位必須設(shè)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(jìn)入相位累加器的頻率字寄存器進(jìn)行切換。當(dāng)FS 上為低電平時(shí) ,頻率字 0進(jìn)入累加器進(jìn)行累加 ,輸出頻率 FL;同理,FS為高時(shí),輸出頻率 FH。按照 DDS論,兩個(gè)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(fù)載阻抗為 200歐,故輸出信號(hào)電壓的最大值約為 1.8V。 3.5FSK信號(hào)與天線的寬帶濾波匹配模塊實(shí)驗(yàn)表明,DDS輸出的 FSK信號(hào)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(jìn)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(shí)驗(yàn)都表明最大雜散出現(xiàn)在 8.4MHZ 處2,強(qiáng)度約為-40dBm。因此,必須對(duì) DDS輸 出進(jìn)行濾波。在本項(xiàng)目中 ,使用 ADS 軟件的濾波器匹配工具來實(shí)現(xiàn)上述兩項(xiàng)目 標(biāo)。匹配濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)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(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)是通過 MCU 的串口正確設(shè)置 DDS4、測(cè)試結(jié)果及結(jié)論按照本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的點(diǎn)式應(yīng)答器已制成樣機(jī) ,各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果如下 :功率消耗 :18.5dbm(70mW);輸出功率 0dbm(1mW);響應(yīng)時(shí)間 :0.1ms。各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到 了設(shè)計(jì)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(hào)波形及頻譜圖。本項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)在于首次應(yīng)用 DDS 技術(shù)于點(diǎn)式應(yīng)答器系統(tǒng) ,取得了較好的實(shí)驗(yàn)效 果。與國(guó)外的同類設(shè)

14、備相比 ,本項(xiàng)目的 應(yīng)答器具有信息容量較大、頻率精度高、響應(yīng)迅速、成本較低等優(yōu)勢(shì),具有較好的應(yīng)用前景參考文獻(xiàn)1 胡東源.GSM-R CTCS略.中國(guó)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(luò)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 .西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào) ,1999年12月第 26 卷第 6期 30-34（上接第 32 頁）不僅從理論上對(duì)課程、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、學(xué)科某領(lǐng)域當(dāng) 前的發(fā)展?fàn)顩r有了較深的理解和認(rèn)識(shí) ,而且也學(xué)會(huì)了面對(duì)一個(gè)課題應(yīng)該怎樣開始 , 怎樣根據(jù)實(shí)際情況和科研要求從眾多實(shí)驗(yàn)方法中進(jìn)行取舍 ,怎樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并在 實(shí)驗(yàn)

15、過程中進(jìn)行完善。3.2在實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力實(shí)驗(yàn)操作包括準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)、正 式實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)觀察與記錄等內(nèi)容 ,是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中最復(fù)雜的環(huán)節(jié) ,此環(huán)節(jié)主要培養(yǎng)目 標(biāo)是 :一、培養(yǎng)實(shí)踐能力。實(shí)踐能力的培養(yǎng)要求學(xué)生勤于動(dòng)手 ,它與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中只 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)步驟的操作不同 ,還包括自行準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)、熟練使用儀器等方面。準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn) 是一個(gè)繁瑣的過程 ,是重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生勤于動(dòng)手的有利途徑 ,準(zhǔn)備工作馬虎或圖省事 , 都有可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的失敗。例如 : “培養(yǎng)基的配制和滅菌實(shí)驗(yàn) ”實(shí),驗(yàn)前教師明確告 訴學(xué)生 ,該實(shí)驗(yàn)配制的培養(yǎng)基將作為后面兩個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的材料 ,這使學(xué)生切實(shí)感到 了實(shí)驗(yàn)不再是為了應(yīng)付差事 ,不能有一

16、點(diǎn)懈怠之心。此外 ,教師還要求學(xué)生學(xué)會(huì)使 用酸度計(jì)、冷凍離心機(jī)、培養(yǎng)箱、高壓蒸汽滅菌鍋等儀器設(shè)備,也有效提高了學(xué)生的動(dòng)手和操作能力。二、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和能力。創(chuàng)新需要大膽嘗試,但大膽嘗試不是沒有科學(xué)依據(jù)的盲動(dòng) ,而是在認(rèn)真思考以后大膽通過實(shí)踐操作去滿足自己的求知 欲。例如 :在“過氧化氫酶活性測(cè)定實(shí)驗(yàn) ”中,學(xué)生自發(fā)進(jìn)行了分工 ,分別對(duì)蠶豆幼 根、頂芽和嫩葉不同部分進(jìn)行了測(cè)定 ,共同探究農(nóng)藥廢水對(duì)植物不同部位的過氧化 氫酶毒性是否相同。3.3在實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理環(huán)節(jié)重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的分析和處理問題能力 由于課程特點(diǎn) ,我們改變了傳統(tǒng)的教法 ,在把好學(xué)生動(dòng)手操作關(guān)的基礎(chǔ)上 ,對(duì)于同一 實(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(xué)生分析和解決問題的能力。例如 :本學(xué)期以安慶某家化工廠的農(nóng)藥廢水為研究對(duì)象開設(shè)了微核實(shí)驗(yàn) ,實(shí)驗(yàn)中自行設(shè)計(jì)廢水染毒濃度 結(jié)果實(shí)驗(yàn)得不到明顯的微核效應(yīng) ,對(duì)此 ,學(xué)生通過小組討論和分析 ,提出了改變?nèi)径緷舛群脱娱L(zhǎng)染毒時(shí)間的思路。4、結(jié)論“分解設(shè)計(jì) ”教學(xué)思路的實(shí)踐運(yùn)行表明 ,環(huán)境生物學(xué)實(shí)驗(yàn)在由傳統(tǒng)教學(xué)模式向設(shè)計(jì)性 實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式轉(zhuǎn)型的過渡階段 ,將能力培養(yǎng)目標(biāo)分解成獨(dú)立的單元 ,穿插到不同實(shí) 驗(yàn)項(xiàng)目的不同