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[摘 要] 本文提出了一种新型铁路信号记录分析系统的设计与实现方法。该文中提出了新型系统的功能和结构框架并介绍了其硬件实现，给出了系统软件的设计思路和实现方法，最后详细阐述了、数据传输的实现方法。
[关键词] 机车信号 记录分析 数据传输 USB
1.绪论
随着列车运行速度的提高，对机车信号可靠工作的要求越来越紧迫，需要通过设备及时分析轨道信号的各项技术参数。因此迫切需要开发和研究一种制式齐全、携带方便、能及时向外传送数据以及能对机车定位的记录分析系统。
本论文提出了一种新型铁路信号记录分析系统，根据国内铁路市场的实际需求进行了系统的功能设计，完成了下位机的硬件设计，在同类设备平台下实现了系统数据通信的协调性和可靠性。
2.系统主要功能
(1)信号采样功能
本系统可对3KHz以下的信号进行高速采样，对感应信号以每秒16K速率采样（可软件设置采样率）。
(2)通用轨道信号的测试、分析功能
可对U-T、移频、交流计数和TVM430等制式的信号进行时域和频域分析，并给出分析的各种瞬时电气参数。
(3)记录功能
可以将采集到的轨道信号原始数据、解码结果以及其他的现场数据保存起来，并能对数据进行有效的管理。
(4)GPS定位功能
本系统集成有GPS模块，可以实时获得机车运行的具体位置（以经纬度方式给出），速度等信息，为地图式显示提供条件。
(5)信号机和故障定位功能
本系统与机务的TAX箱通信，在信号、时间、里程之间建立联系。因此，可以很容易地定故障和不合格电气参数产生的时间、地点和信号机，并可以按照信号的特点准确定位信号机。
(6)标准信号产生
产生标准的移频、UM71、交流计数等轨道信号，为系统测试提供便利。
3.系统的硬件构成
3.1信号输入模块
1.轨道信号
轨道信号是铁路信号记录分析系统记录的核心信息，系统的大部分工作都是围绕着轨道信号展开的。从感应线圈接收到的轨道信号混有大量噪声，因此在引入系统之前需要进行信号的放大和滤波处理。另外，本着故障安全的原则，必须对输入进行隔离，以防止外界故障波及到记录分析系统的安全。
2.TAX箱信息
系统接收来自TAX箱的机务信息，包括时间、公里标、速度、车次、机车号、车站号、区段号、司机号等，利用这些信息可以迅速地定位故障发生的区段。由于TAX箱使用RS485通信协议，因此在接入系统前应该进行电平转换。
3.GPS信息
系统接收来自GPS模块的位置和速度信息，GPS以经纬度的方式给出位置信息，可以利用这些信息实现地图定位。GPS模块使用RS232通信协议，因此在接入系统前需要进行电平转换。
3.2信号处理模块
在系统现场工作阶段，信号处理模块将采集的轨道信号经过数据通信模块传输到PC机中，供客户端软件处理和存储。轨道信号的采集部分直接由信号处理模块控制，两者通过数据和地址总线直接相连。轨道信号经过隔离、放大、滤波、A/D转换后，在信号处理单元中一为二用，一是由数据通信通道传给系统管理模块，二是进入信号处理模块进行数字信号的时域和频域运算。本系统在记录的同时进行信号解调，是为了与机车信号的解调结果对照以排查解码故障。
3.3信号输出模块
铁路信号记录分析系统的输出信息包括回放的轨道信号和发出的标准信号。本系统设计有信号回放通道，该部分电路由信号处理模块控制，信号源为PC中保存的轨道信号数据文件。回放时经由系统管理模块、数据通信模块，到达信号处理模块，然后通过D/A通道进行回放，回放的信号可以作为重要的现场数据进行系统的调试、检测。信号回放框图如图2-3所示。
3.4系统管理模块
系统管理模块需要协调整个系统的工作节奏，包括获取来自信号处理模块的轨道信号和解码结果，接收GPS、TAX箱、开关量信息，控制DDS产生标准信号，控制数据通信模块完成交互工作，以及控制整个下位机的工作逻辑。系统管理模块需要管理数据通讯模块，实现下位机与PC机实时通信。
系统管理模块控制DDS发送标准信号。DDS用来发送任意频率的FSK、ASK、交流计数等铁路信号，可以在设备测试时直接使用，而无需机车信号测试台，同时该信号又可以作为某些外部设备的信号源。
4.硬件实现方案
下位机担负着采集、分析、传输信息的重要任务，其主体功能分为以下五部分：
(1)采集接收轨道信号，完成信号的转换、解码和存储，便于与机车信号的解码结果对照以排查解码故障。
(2)接收TAX箱、GPS和开关量信息。
(3)管理通信接口，实现下位机与PC机实时通信。
(4)控制DDS发送标准信号。
(5)控制D/A转换芯片进行信号回放。
由于信号解调部分是保证机车安全运行的核心，其信号量大、运算速度高、涉及大量数字信号处理算法和多次FFT运算，这要求承担该任务的CPU必须具有突出的数字运算能力。TMS320VC33除了数据总线，对外数据接口只有“帧同步串行接口”，这种接口是TI公司自己开发的，而LPC2214上没有这种接口，采用串行通信的方式将要利用额外的芯片来进行这种时序转换。再者，在ARM和DSP之间通信的数据除了模拟信号外，还有解码结果等非周期性的数据信息，这些数據要和模拟信号区别开，因此ARM和DSP之间的数据通信肯定要通过协议来实现。况且，DSP也不适合频繁地中断ARM来进行数据传输，因此选用大容量的双口RAM几乎成了唯一的选择。铁路信号记录分析系统包括PC机、下位机和一系列必不可少的外界资源，其中下位机部分主要由ARM和DSP两个子系统构成。系统为GPS、TAX箱、开关量、轨道信号设计了对外接口，工作时，只要将相应的设备与信号源正确连接即可。
5.软件设计方案
5.1初始化程序设计
TMS320VC33汇编程序的初始化部分主要包括以下一些内容：
(1)堆栈初始化：设置堆栈区的位置。
(2)主总线初始化：设置等待状态。
(3)A/D初始化：初始化A/D采样芯片MAX1322，将其设置为单通道1工作方式。
(4)定时器初始化：A/D的采样由TMS320VC33的定时器0来控制。选择定时器工作方式为时钟方式，时钟输入采用内部时钟信号输入，即输入时钟频率为H1信号频率，即DSP主频的1/2。输出定时器中断频率F＝定时器时钟频率／（2×周期寄存器值）=16384Hz。
(5)采样缓冲区起始位置标志初始化：程序运行时定时器中断子程序每隔1/8192 s就向缓冲区送一次数据，最新数据的指针不断移动。设置一个指针位置标志寄存器将最新的指针位置保存下来，这样可以便于向FFT缓冲区搬移数据时保持正确的数据顺序。
5.2 ARM系统管理软件的设计
ARM系统管理软件的主要功能有五方面：一是通过双口RAM接收来自信号处理模块的轨道信号和译码结果，二是将轨道信号和译码结果通过USB2.0送入PC机中，三是采用RS48通信接口接收TAX箱广播的列车运行信息，四是采用232通信接口接收GPS的定位信息，五是控制DDS器件生成标准信号。■
参 考 文 献
[1]周立功等.ARM嵌入式系统基础教程.北京.北京航空航天大学出版社.2005年1月.P131-P133
[2]钱峰.EZ-USB FX2单片机原理、编程及应用.北京.北京航空航天大学出版社.2006年3月.P24
[关键词] 机车信号 记录分析 数据传输 USB
1.绪论
随着列车运行速度的提高，对机车信号可靠工作的要求越来越紧迫，需要通过设备及时分析轨道信号的各项技术参数。因此迫切需要开发和研究一种制式齐全、携带方便、能及时向外传送数据以及能对机车定位的记录分析系统。
本论文提出了一种新型铁路信号记录分析系统，根据国内铁路市场的实际需求进行了系统的功能设计，完成了下位机的硬件设计，在同类设备平台下实现了系统数据通信的协调性和可靠性。
2.系统主要功能
(1)信号采样功能
本系统可对3KHz以下的信号进行高速采样，对感应信号以每秒16K速率采样（可软件设置采样率）。
(2)通用轨道信号的测试、分析功能
可对U-T、移频、交流计数和TVM430等制式的信号进行时域和频域分析，并给出分析的各种瞬时电气参数。
(3)记录功能
可以将采集到的轨道信号原始数据、解码结果以及其他的现场数据保存起来，并能对数据进行有效的管理。
(4)GPS定位功能
本系统集成有GPS模块，可以实时获得机车运行的具体位置（以经纬度方式给出），速度等信息，为地图式显示提供条件。
(5)信号机和故障定位功能
本系统与机务的TAX箱通信，在信号、时间、里程之间建立联系。因此，可以很容易地定故障和不合格电气参数产生的时间、地点和信号机，并可以按照信号的特点准确定位信号机。
(6)标准信号产生
产生标准的移频、UM71、交流计数等轨道信号，为系统测试提供便利。
3.系统的硬件构成
3.1信号输入模块
1.轨道信号
轨道信号是铁路信号记录分析系统记录的核心信息，系统的大部分工作都是围绕着轨道信号展开的。从感应线圈接收到的轨道信号混有大量噪声，因此在引入系统之前需要进行信号的放大和滤波处理。另外，本着故障安全的原则，必须对输入进行隔离，以防止外界故障波及到记录分析系统的安全。
2.TAX箱信息
系统接收来自TAX箱的机务信息，包括时间、公里标、速度、车次、机车号、车站号、区段号、司机号等，利用这些信息可以迅速地定位故障发生的区段。由于TAX箱使用RS485通信协议，因此在接入系统前应该进行电平转换。
3.GPS信息
系统接收来自GPS模块的位置和速度信息，GPS以经纬度的方式给出位置信息，可以利用这些信息实现地图定位。GPS模块使用RS232通信协议，因此在接入系统前需要进行电平转换。
3.2信号处理模块
在系统现场工作阶段，信号处理模块将采集的轨道信号经过数据通信模块传输到PC机中，供客户端软件处理和存储。轨道信号的采集部分直接由信号处理模块控制，两者通过数据和地址总线直接相连。轨道信号经过隔离、放大、滤波、A/D转换后，在信号处理单元中一为二用，一是由数据通信通道传给系统管理模块，二是进入信号处理模块进行数字信号的时域和频域运算。本系统在记录的同时进行信号解调，是为了与机车信号的解调结果对照以排查解码故障。
3.3信号输出模块
铁路信号记录分析系统的输出信息包括回放的轨道信号和发出的标准信号。本系统设计有信号回放通道，该部分电路由信号处理模块控制，信号源为PC中保存的轨道信号数据文件。回放时经由系统管理模块、数据通信模块，到达信号处理模块，然后通过D/A通道进行回放，回放的信号可以作为重要的现场数据进行系统的调试、检测。信号回放框图如图2-3所示。
3.4系统管理模块
系统管理模块需要协调整个系统的工作节奏，包括获取来自信号处理模块的轨道信号和解码结果，接收GPS、TAX箱、开关量信息，控制DDS产生标准信号，控制数据通信模块完成交互工作，以及控制整个下位机的工作逻辑。系统管理模块需要管理数据通讯模块，实现下位机与PC机实时通信。
系统管理模块控制DDS发送标准信号。DDS用来发送任意频率的FSK、ASK、交流计数等铁路信号，可以在设备测试时直接使用，而无需机车信号测试台，同时该信号又可以作为某些外部设备的信号源。
4.硬件实现方案
下位机担负着采集、分析、传输信息的重要任务，其主体功能分为以下五部分：
(1)采集接收轨道信号，完成信号的转换、解码和存储，便于与机车信号的解码结果对照以排查解码故障。
(2)接收TAX箱、GPS和开关量信息。
(3)管理通信接口，实现下位机与PC机实时通信。
(4)控制DDS发送标准信号。
(5)控制D/A转换芯片进行信号回放。
由于信号解调部分是保证机车安全运行的核心，其信号量大、运算速度高、涉及大量数字信号处理算法和多次FFT运算，这要求承担该任务的CPU必须具有突出的数字运算能力。TMS320VC33除了数据总线，对外数据接口只有“帧同步串行接口”，这种接口是TI公司自己开发的，而LPC2214上没有这种接口，采用串行通信的方式将要利用额外的芯片来进行这种时序转换。再者，在ARM和DSP之间通信的数据除了模拟信号外，还有解码结果等非周期性的数据信息，这些数據要和模拟信号区别开，因此ARM和DSP之间的数据通信肯定要通过协议来实现。况且，DSP也不适合频繁地中断ARM来进行数据传输，因此选用大容量的双口RAM几乎成了唯一的选择。铁路信号记录分析系统包括PC机、下位机和一系列必不可少的外界资源，其中下位机部分主要由ARM和DSP两个子系统构成。系统为GPS、TAX箱、开关量、轨道信号设计了对外接口，工作时，只要将相应的设备与信号源正确连接即可。
5.软件设计方案
5.1初始化程序设计
TMS320VC33汇编程序的初始化部分主要包括以下一些内容：
(1)堆栈初始化：设置堆栈区的位置。
(2)主总线初始化：设置等待状态。
(3)A/D初始化：初始化A/D采样芯片MAX1322，将其设置为单通道1工作方式。
(4)定时器初始化：A/D的采样由TMS320VC33的定时器0来控制。选择定时器工作方式为时钟方式，时钟输入采用内部时钟信号输入，即输入时钟频率为H1信号频率，即DSP主频的1/2。输出定时器中断频率F＝定时器时钟频率／（2×周期寄存器值）=16384Hz。
(5)采样缓冲区起始位置标志初始化：程序运行时定时器中断子程序每隔1/8192 s就向缓冲区送一次数据，最新数据的指针不断移动。设置一个指针位置标志寄存器将最新的指针位置保存下来，这样可以便于向FFT缓冲区搬移数据时保持正确的数据顺序。
5.2 ARM系统管理软件的设计
ARM系统管理软件的主要功能有五方面：一是通过双口RAM接收来自信号处理模块的轨道信号和译码结果，二是将轨道信号和译码结果通过USB2.0送入PC机中，三是采用RS48通信接口接收TAX箱广播的列车运行信息，四是采用232通信接口接收GPS的定位信息，五是控制DDS器件生成标准信号。■
参 考 文 献
[1]周立功等.ARM嵌入式系统基础教程.北京.北京航空航天大学出版社.2005年1月.P131-P133
[2]钱峰.EZ-USB FX2单片机原理、编程及应用.北京.北京航空航天大学出版社.2006年3月.P24