基于LABVIEW的ZPW-2000A移频信号测试仿真系统设计

涂玉渊 任桂丽 张长军

1. 西南交通大学，交通运输与物流学院，成都 610031

2. 北京铁路局，天津电务段，天津 300140

0 引 言

在我国高速铁路快速发展的大背景下，原铁道部将ZPW-2000A无绝缘轨道电路确定为我国铁路自动闭塞的技术发展方向。ZPW-2000A系统以高可靠和适应性广等优良性能为实现机车信号主体化创造了必备条件，成为我国铁路自动闭塞系统的首选。加大对轨道电路的研究力度，创造性地研发适合我国高速铁路发展的轨道电路，对我国高速铁路的建设、运营维护管理具有重要意义和经济效益。

经过长期的应用实践，ZPW-2000A轨道电路的技术成熟，高可靠地为高速列车安全运行提供技术保障。对轨道电路移频信息的测试是向列车传送安全、高可靠行车信息的重要作业内容。随着铁路信息化的快速发展，研究开发智能化的轨道电路信息测试系统对铁路建设和运营维护管理具有重要作用。目前针对ZPW-2000A轨道电路的智能信息测试系统发展方兴未艾，在此背景下，本文在虚拟仪器平台上开发了相应的测试仿真系统，实现对其 18个低频信号、8个载频信号的各项指标仿真测试。

1 ZPW-2000A低频信息分配方式

ZPW-2000A无绝缘轨道电路采用 1 700Hz、2 000Hz、2 300Hz、2 600Hz的标准载频，另外采用了18种低频调制信息，低频信息按表1进行分配。对各种频率信息的测试是保证轨道电路向高速列车传送高可靠行车信息的重要作业内容，对保障铁路行车安全及日常设备运营维护具有重要意义。

表1 18种低频信息分配Tab.1 Distribution of 18 kinds of low frequency signal information

2 FSK信号解调算法

ZPW-2000A系统采用的是频移键控信号，有多种载频和低频（调制频率）。由于 FSK移频信号具有非常明显的窄带信号特征，并且傅里叶变换的抗干扰能力强和可实现性好，铁路移频信号的检测手段仍广泛使用FFT频率检测方法[1]。

根据FSK信号的带通特性，我们采用欠采样技术对信号进行采样。这样不仅保证仪表检测的实时性，并且保证在不增加采用点数的情况下，提高FSK信号的分辨率[2]。然后对采得的信号进行快速傅立叶变换（FFT），根据其频谱特性，计算出 FSK信号的中心频率、低频调制信息，再利用中心频率对应幅度值与n次边频对应幅度值的关系，确定频偏和信号的幅值[3]。

2.1 FSK信号分析

ZPW-2000A移频轨道电路采用的是相位连续的移频键控(FSK)信号，其时域表达式为：

ZPW-2000A移频轨道电路信号的频偏Hz11=Δf，低频调制频率范围为 10.3～29.0Hz，从信号的频谱分析中可以得到的参数有：

① 信号的中心频率。对ZPW-2000A移频轨道电路而言，信号的中心频率即为频谱图中峰值处的频率[1]。

② 信号的低频调制频率。由频谱分析可知，其谐波之间的间隔即为信号的调制频率[1]。

2.2 采样频率的确定

为了使移频轨道电路信号在频域分析中不产生混叠现象，按照奈奎斯特采样准则，采样频率必须大于或等于信号最高频率的两倍[1]。对于带通信号采样频率sf只需满足以下关系式：

式中， ]2/[lBfb= ，0hffB-= ；K为折叠次数；lf为下边频；hf为上边频；0f为中心频率。

根据式（3）可分别求出相应中心频率的FSK信号采样频率。

原信号频谱与欠采样信号的频谱有如下关系：

根据系统对信号载频的分辨率至少为0.3Hz的要求，只要在欠采样的基础上，通过DSP进行2048点的FFT运算，即可达到信号的频率分辨率要求[4]。

3 系统设计

根据ZPW-2000A轨道电路低频信息分配方式，系统应能够测试18种低频信号与8种载频信号的任意调制信号，即应能够进行18×8=144项低频与载频信息的测试。另外还应能测试各种载频条件下的功放电压。从测试方式来说，系统又应该具有自动测试（默认测试）和自定义测试（根据现场实际，有选择地测试某些项）功能，以满足铁路现场实际的需求。对于一个智能的测试系统，还应该有自己的数据库系统，用以存放测试数据，并且能够根据测试所得数据结合历史测试数据自动分析ZPW-2000A轨道电路的相关信息。

本文根据铁路现场的实际，开发了基于LabVIEW平台的测试仿真系统，对各测试项进行仿真。测试功能主要有：各种载频条件下的低频、载频信息测试，各个功放电压的测试；在测试方式上实现了默认测试和自定义测试。

3.1 系统总体方案设计

测试系统分三层设计：硬件层、应用软件层、人机界面层（如图1所示）。本文对数据采集卡的划分在于硬件层与应用软件层交汇处，是计算机层（应用软件层、人机界面层）与硬件层的纽带。

图1 测试系统总体方案设计Fig.1 Overall plan design of the test system

（1）硬件层。发送盘各接线端子接线无误后，将信号采集电路采集到的频率信号及电压信号进行放大、滤波等处理。处理后的信号送至数据采集卡。

（2）数据采集卡。数据采集卡是将硬件层传送上来的模拟电信号转换为计算机能够识别的数字信号。

（3）应用软件层。应用软件层将数据采集卡采集的信号进行处理、测试、存储等。

① 数据处理。数据处理模块是将采得的数字信号进行量化、存储等处理。将采集到的数字信号量化成计算机测试软件能够识别以及能够进行相关操作的数据，并为之分配相应的存储空间。

② 计算机测试软件。计算机测试软件是读取数据处理模块处理后的数据，按照人机界面层下达的测试命令，调取测试数据库相关数据，对采集的数据进行测试分析。将测试结果的相关数据送入测试数据库存储，并将相关测试结果送至人机界面层。

③ 测试数据库。测试数据库存储采集到的测试数据、测试结果，用于故障分析、测试数据回放、打印等。

（4）人机界面层。人机界面层负责向应用软件层传输用户下达的测试命令，并将下层传送的测试结果相关信息显示反馈给用户，供相关人员分析。人机界面层是用户对测试系统直接操作的层次。

本系统是 ZPW-2000A发送器测试器的仿真测试，对于硬件层、数据采集卡不再深入分析。对硬件层所采集的信息系统以LabVIEW强大的信号处理与数学分析工具给出模拟信号。因此本文重点分析测试软件的结构和实现方式，主要包括应用层和人机界面层的设计与实现。

3.2 系统仿真软件设计

测试系统采用三级双层界面嵌套调用的方式，即测试主界面调用测试程序界面，测试程序内部调用测试子程序的方式。测试子程序通过对一些通用测试模块的调用，实现测试分析功能。通过模块化的设计思路，既使得设计思路清晰，又使得设计过程独立，分散了故障发生的可能性。在测试主界面程序中，与测试程序进行数据通信，根据当前用户操作，设置合理的界面动作。

第1级是主测试界面，对应于人机界面层；第2级和第3级属于应用软件层。底层是硬件层和数据采集卡，系统通过仿真获得底层数据。

3.2.1 整体流程图

图2为主测试模块流程图，整个测试操作均在该模块的运行界面进行，测试中不向第二级模块直接操作。通过布尔按钮值的选择，用if选择结构向全局变量Global赋值（Global值为1，自定义测试；Global值为0，默认测试）来选择自定义测试或默认测试。对低频、载频、电压测试模块的选择均在树形控件中操作。在树形控件中选中低频、载频或电压测试模块后，系统将调用相应的模块，并进行相应的测试操作。

图2 主测试模块流程图Fig.2 Process of the main test module

图3为第二级模块测试流程图。整个流程主要由初始化、测试项选择、数据读取、计算分析和测试结果显示等四部分组成。程序通过建立电子表格路径，读取相应的电子表格测试项数据并读入测试项数组中；程序初始化时，在顺序结构的第0帧中，向表格控件中第1列的各行值赋空字符串，以实现清除历史测试记录的功能。测试项选择部分的程序，是在初始化结果的基础上，选中要测试的项目，并通过事件结构向表格控件的相应坐标位置赋予相应的标志字符。在读取仿真数据后，系统经过分析计算，通过表格控件的坐标计算将相应的测试结果在表格控件的相应位置中给予显示出来。

图3 低频、载频、电压测试流程图Fig.3 Test process of the low frequency, carrier frequency and voltage

3.2.2 系统软件编程

在设计思路上，测试系统采用三级双层界面嵌套调用的方式，主要模块有：主测试模块、低频测试模块、载频测试模块和功放电压测试模块。调用节点、调用方法、属性节点的合理运用给程序设计带来了极大的便利，模块中均大量运用了这些控件。在选择测试模块或者读取相关电子表格文件的时候均用到了当前模块路径、拆分路径、创建路径等模块。使用当前模块路径控件的好处在于不论这个工程文件包位置如何移动，程序都能够正常调用相应的模块。

（1）低频测试模块

低频测试部分主要由测试项初始化、测试项目选择、数据读入、数据分析和测试结果显示等部分组成。

① 测试项初始化。测试项初始化包括测试项读取、清除测试项历史记录两部分。其中测试项读取的过程是向预先存储数据的电子表格读取所有测试项目名称至表格控件相应的位置，这里主要用到当前VI路径、拆分路径、创建路径、读取电子表格文件等控件完成。清除测试项历史记录主要用到了编程结构的 for循环（共循环 18×8=144次）、表格控件的属性调用。主要程序如图4和图5所示。完成。测试项选择程序如图6所示。

图4 测试项目的读取程序Fig.4 Reader procedure of the test items

图5 测试项目的存储方式Fig.5 Storage ways of the test items

图6 测试项目选择程序Fig.6 Selection procedure of the test items

（2）载频与功放电压测试模块

载频测试模块与低频测试模块的整体设计思路、编程方法基本相同，另外功放电压测试模块与低频测试模块设计思路与编程方法也是大同小异，这里不再赘述。载频测试程序设计如图8所示。

图7 测试结果的显示程序Fig.7 Display program of the test results

图8 载频测试程序Fig.8 Carrier frequency test procedure

4 系统仿真调试与分析

4.1 ZPW-2000A测试系统功能

测试系统的测试功能包括：低频测试、载频测试、发送器功放电压测试。测试系统分默认测试和自定义测试两部分。选默认测试，系统将自动依次全部测试低频、载频、功放电压；选自定义测试，系统将根据用户选择的测试项目进行测试。主测试界面如图9所示。

图9 测试器主界面Fig.9 Main interface of the test device

4.2 测试仿真与分析

基于ZPW-2000A轨道电路对铁路现场运营的重要性，要求电压和频率等必须具有高可靠性、高精度要求。测试结果表明系统满足高精度、准确的要求。

（1）低频信号测试仿真。系统在低频信号测试仿真中以 0.03Hz为最大误差允许范围，测试仿真如图10所示。低频误差在0.03Hz内测试结果均为“正常”，误差在 0.03Hz外，测试结果为“误差太大”。系统测试仿真达到了低频测试指标的基本要求，这也是实际测试系统所必须达到的要求。

图10 低频测试仿真Fig.10 Low frequency test simulation

（2）载频测试仿真。各载频信号的误差均应该控制在 0.15Hz范围内，在本测试系统仿真测试过程中以0.15Hz为最大误差允许范围，仿真测试如图11所示。各载频误差在0.15Hz内测试结果均为“正常”，误差大于0.15Hz，则测试结果为“误差太大”。系统仿真测试达到了载频测试指标的基本要求。

图11 载频测试仿真Fig.11 Carrier frequency test simulation

（3）功放电压测试仿真。功放电压对应于不同的载频，相应的电压范围也不同。在系统仿真测试时，测试了各个载频的电压，如图12所示。

图12 功放电压测试仿真Fig.12 Power amplifier test simulation of the voltage

5 结 论

在ZPW-2000A信号频率测试中，低频信息误差控制范围只有0.03Hz，一般的测试器难以达到这样的精度。基于虚拟仪器的测试系统具有高分辨率、高精度，能够很好地实现测试要求。此外，LabVIEW 强大的信号处理、数学分析工具，以及强大的数据库接口功能、远程访问和交互式操作，能够很好实现测试系统的升级、故障自动分析、远程测试等。基于虚拟仪器的测试系统能够很好的满足今后测试系统智能化的发展要求，是今后测试系统的发展方向。

[1] 王 安，张芳芳，罗晓斌. 一种轨道移频信号解调的新方法[J]. 测控技术，2008，05: 45-47.

[2] 焦玮琦，陈特放. 基于局部频谱细化的轨道移频信号高精度检测[J]. 机车电传动，2009，02: 48-50，54.[3] 袁 薇，孙景峰，樊文侠. 欠采样与ZFFT在移频信号检测中的应用[J/OL]. 西安: 电子科技，2010[2010-5-13].

[4] 薛凯凯. 基于 DSP的移频参数检测系统设计[D].西安：西安理工大学，2008.