地铁FTGS音频信号检测系统设计

莫振栋

（柳州铁道职业技术学院电子工程系，广西柳州545007）

地铁FTGS音频信号检测系统设计

莫振栋

（柳州铁道职业技术学院电子工程系，广西柳州545007）

为准确检测地铁系统轨道电路中音频信号相关参数，利用脉冲捕获鉴频原理，设计一种基于MSP430单片机的地铁FTGS音频信号检测系统。该系统利用MSP430定时器的捕获功能与中断功能，对数字音频信号进行采集，求出其一系列周期，通过分析所得周期，直接在时域中求取上边频和下边频，得出音频信号的中心频率及位模式信息。以地铁实际FTGS音频信号作为分析对象进行测试，结果表明：该方法能够对地铁数字移频信号进行准确快速的测量，实现对音频信号的检测，有一定的应用价值。

地铁系统；MSP430；FTGS音频；检测

由位模式脉冲把区段的中心频率调制成移频键控信号（FSK），上边频频率为载频64Hz，下边频频率为载频-64Hz。调制后的信号可以抵抗钢轨牵引回流中谐波电流的干扰。

目前，FTGS音频轨道电路采用频率编码方式[5]，其特点是数字编码信息并行发送。信号接收器从钢轨上接收到FSK调频信号，对其进行解调，恢复出位模式信号[6]，然后对该低频信号进行后续处理，得到数字编码信息。

通过分析这种移频信号的特点，设计了基于单片机的FTGS音频信号检测系统，利用MSP430定时器的捕获功能，对过零点的移频信号进行采集，求出移频信号的一系列周期，通过分析这些周期，得出FSK移频信号的中心频率，在时域中求取上边频、下边频，进而得出位模式信息，实现载波信号频率及调制信号位模式的检测。

1 频移键控FSK信号

位模式用X.Y表示：把一个周期分成若干等份，在一个周期内，存在X份时间的高电平和Y份时间的低电平，且要求X+Y≤8。这样可以有1.1…1.7；2.1…2.6；…；6.1、6.2；7.1共28种位模式，FTGS-917型只使用其中的15种。这些高、低电平不断循环就构成了位模式脉冲。其位模式调制信号表达式[7]为

式中：T——一段时间的其中1份；

nT——前n等份时间，n=1，2，…，N。

经f（t）调制后，FSK信号的数学公式可表示为

式中：A0——移频信号的振幅；

ω0——载频的中心频率。

g（t）的表达式为

其中，移频信号的频率偏移量为Δω=2πΔf。

2 FTGS音频信号检测原理

本文并非利用幅值求取频偏再得到上下边频，而是直接从时域中获得上下边频，再求载频，最后求频偏，这种方法准确度高、速度快[8]。信号经过施密特触发器后连接到MSP430处理器，分两路进行处理。

一路接MSP430捕获模块，每10个下降沿产生一次中断，计算一次对应的频率，实时测量载频频率。由于移频信号是调频信号，所以会出现3个实时测量频率F上A、F中A、F下A，通过分析可确定上下边频值，两者的平均值即为载频。

另一路接MSP430的中断模块，对每一周期计算其脉冲宽度。对于移频信号，被测信号是以一定的调频系数动态变化的，上下边频在一个周期内的时间是规则分布的。可见，位模式信号需要靠软件分析来获得。

图1 捕获脉冲计算

图1中，m、n分别表示上、下边频脉冲个数，Ta表示移频信号上边频的脉宽值，Tb表示下边频脉宽值，Tz表示上、下边频临界处脉宽值。可得

进而得到

设Tz中上边频占的比例为∂，则下边频占的比例为1-∂。此时上、下边频所占时间为

从而位模式X.Y有

由此可得位模式。

3 系统硬件组成

3.1 MSP430单片机

MSP430系列单片机具有16位RISC结构，运算能力较强，并具有丰富的片内外设，具有非常广阔的应用范围[9]。图2为MSP430内部结构框图。

图2 MSP430内部结构框图

MSP430系列单片机都集成了较丰富的片内外设，其中：看门狗可使程序失控时迅速复位；模拟比较器可进行模拟电压的比较；配合定时器，可设计出A/D转换器；16位定时器（TIMER_A和TIMER_B）具有捕获/比较功能，拥有大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；具有较多的I/O端口，P0、P1和P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；10/12位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200 kb/s，能够满足大多数数据采集应用；两路12位D/A转换；以及为了增加数据传输速度而采用的DMA模块。MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片机解决方案提供了极大的方便。

3.2 检测系统实现

FTGS音频信号检测系统具备频率检测功能：可以检测并用数字显示音频信号的上边频、下边频、中心频率和位模式。

系统电路的结构框图如图3所示。

图3 FTGS音频信号检测系统框图

电源部分：整个系统共有两种电源，5V与3.3V，3.3V是MSP430单片机的电源。

隔离部分：由电压互感器对信号进行隔离，以避免检测设备故障影响整个设备正常工作。

信号预处理部分：主要用于对原始信号的衰减或放大，确保在信号进入后续电路前消除各种干扰的影响。

波形转换部分：对滤波后的信号进行施密特波形转换。

CPU部分：美国德州仪器（TI）MSP430系列16位超低功耗单片机MSP430F169。

显示部分：主要负责信息的显示。

电压互感器把被测的音频信号拾取后，送入前处理器进行滤波和放大，然后经施密特触发器把正弦音频信号转换成方波信号，最后送给MSP430F169处理器进行处理。

端口是MSP430的重要资源。MSP430F169单片机共有6组端口，每组端口均为8位并且均可独立编程，但每组端口均不提供位操作指令。目前，MSP430所有系列总线均不对外开放，端口不但用于输入/输出，还可为MSP430系统扩展等应用提供必要的逻辑控制信号。

TIMER_A有多个相同的捕获/比较模块，为实时处理提供灵活的手段，每个模块都有可用于捕获事件发生的时间或产生定时间隔。当捕获事件发生或定时时间到达时将引起中断。

当测试载波信号频率时，将转换完成后的脉冲信号分成两路接入MSP430单片机，一路接到P1.1口，它除了可以作为通用数字I/O口外，也可在TIMER_A处于捕获模式下，作为它的一个捕获/比较输人端CCIOA。这里利用TIMER_A的捕获功能，通过TACCTLx中的CAP选择捕获模式，设置CMx选择捕获条件为下降沿捕获。当满足捕获条件时，将TAR的值写入捕获寄存器。

与此类似，将转换完成后的脉冲信号另一路接到微控制器MSP430的P2.1端口，该端口除了可以作为通用数字I/O口外，还可通过设置相应寄存器为中断方式，在开总中断之前务必要设置好P1IFG、P1IES、P1IE寄存器的相应位，并确保相应引脚为输入方向。这里正是利用它的这一功能，且设置为下降沿中断，当第一个下降沿到来时，内部计数器开始计数，直到下一个脉冲的下降沿到来，计数结束，那么计数器所计得的数便为一个周期的脉冲信号。

结合式（3）～式（11），通过处理，即可得出相应的中心频率、上边频、下边频及位模式。最后，通过MSP430F169单片机的P5口与LCD1602接口，把相应的信息显示出来。

4 软件部分

系统软件主要由初始化程序、捕获程序、中断程序及显示程序组成，如图4所示。初始化程序完成系统及相应I/O口功能的初始化，捕获程序完成10个脉冲的捕获，并对相应的计数器值进行处理，中断程序完成每一周期脉冲的处理，显示程序完成数值显示。

5 系统测试

系统主时钟采用32MHz，对地铁实际FTGS音频信号进行测量，其结果如表1和表2所示。

从表1可以看出，载频偏差无规律性，这主要与时钟的精确度有关。经多次测量，最大的偏差也只有2.3Hz，但对于偏频64Hz来说，误差相对较小，此法完全可以鉴别上、下边频，进而得出中心频率。表2的位模式采用15ms的等段时间，为方便比较，利用程序显示出中间结果，可以看出，位模式检测结果与真实值完全相符[1，10]。

图4 软件流程图

表1 FTGS音频信号的载频信息 Hz

6 结束语

本文通过分析FTGS音频信号的特点，设计了基于单片机的FTGS音频信号检测系统，利用MSP430F169定时器A的捕获功能，对过零点的移频信号进行捕获，每10个中断一次，求出相应的上、下边频；再利用控制器的中断功能，求出移频信号的一系列周期，通过分析这些周期，得出FSK移频信号的上边频和下边频，两者结合进而得出位模式信息，实现了载波信号频率及位模式检测。经实际FTGS音频信号检测试验，取得了预期的效果，有一定的参考价值。

表2 FTGS位模式X.Y信息1）

[1]林瑜筠.城市轨道交通信号[M].北京：中国铁道出版社，2010：78-90.

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[3]严波，李旭宏.音频无绝缘数字轨道电路在城市轨道交通中的应用[J].上海铁道科技，2005（3）：41-42.

[4]上海申通地铁集团有限公司，轨道交通培训中心.城市轨道交通信号技术[M].北京：中国铁道出版社，2012：137-146.

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[7]高振天，张燕丽，王永刚.UM71轨道电路移频信号测试系统的实现[J].舰船科学技术，2007，29（1）：109-111.

[8]王安，刘铁.移频电路分析系统设计[J].微处理机，2009，6（12）：117-123.

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Design of subway FTGS audio signal detection system

MO Zhendong
（Department of Electronic Engineering，Liuzhou Railway Vocational Technical College，Liuzhou 545007，China）

The subway system digital audio signals characteristics of the track circuit were introduced. In order to reliably detecting the related parameters of the audio signal，using pulse capture discriminator principle the authors designed a kind of subway FTGS audio signal detection system based on MSP430.The system used MSP430’s timer capture function and its interrupt function to collect digital audio shift signal，found out a series of period，directly get the up frequency and the down frequency in time domain through analyzing these period，and get the center of the audio frequency and the bit pattern information.The actual signal was used to test and analyze the designed system，and the test results show that this method is accurate and fast to measure subway digital audio signal，and it realizes the frequency shift signal detection and has the certain application value.

subway system；MSP430；FTGS audio；detection

A文章编号：1674-5124（2015）08-0075-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.08.018

0 引言

德国西门子公司的遥供音频无绝缘轨道电路（FTGS）[1]，广泛应用于世界各地的正线铁路和城市轨道[2-3]。最常用的FTGS音频轨道电路为917型，FTGS-917型轨道电路把轨道线路分割为多个区段，用以检查和监督这些轨道区段是否空闲，并将空闲/占用信息传给联锁系统。为了防止相邻区段之间串频，使用不同中心频率和不同位模式进行区分[3-4]。FTGS-917型轨道电路共使用8种频率（9.5，10.5，11.5，12.5，13.5，14.5，15.5，16.5kHz），15种不同的位模式（2.2，2.3，2.4，2.5，2.6；3.2，3.3，3.4，3.5；4.2，4.3，4.4；5.2，5.3；6.2），相邻区段用不同的位模式。

2014-07-16；

2014-09-20

广西教育厅立项项目（2013YB358）

莫振栋（1973-），男，广西阳朔县人，副教授，主要从事铁道信号自动控制技术研究与电子技术专业教学工作。