基于嵌入式的地铁FTGS发码电路设计

缪 蓉

(南京地铁运营有限责任公司 南京地铁通号分公司，江苏 南京 210012)

西门子遥供无绝缘音频轨道电路(FTGS)，是一种广泛应用于地铁正线的轨道电路，用于检测列车对轨道区段的占用，还能向列车传输包含行车信息的频移键控(frequency-shift keying，FSK)信号。目前，既有线FTGS设备依赖从国外进口，且发码电路由分立元件构成，结构复杂，技术老旧，因元件性能下降而引发的故障时有发生，并且较难排查，影响行车安全。

现在，市面上已经有基于单片机设计的改进型发码电路，能够实现机车信号的编码，但载频较低，虽然能够满足铁路制式，但无法应用到城市轨道交通系统；有些发码电路所输出的移频信号直接由单片机产生，多为非正交信号，精度低，相位连续性较差，只能用作测试设备[1-2]。本研究提出了一种基于AVR单片机设计的FTGS发码电路，该电路使用单片机控制DDS芯片，产生可用的FSK信号，并通过功放放大后发送给机车天线。

1 总体设计

地铁正线采用无缝钢轨，轨道电路不再设置机械绝缘节，所以区段的划分通过电气绝缘节——“S棒”来实现，发码电路结构图如图1所示。一个标准轨道区段由发送端和接收端构成(图1省略了接收端设备)，为防止相邻区段互相干扰，FTGS-917型轨道电路规定了8种载频(9.5 kHz、10.5 kHz、11.5 kHz、12.5 kHz、13.5 kHz、14.5 kHz、15.5 kHz和16.5 kHz)，相邻的轨道区段使用不同的中心频率，每个区段的载频频率由调谐电路决定。

经典的FTGS发码电路由功率放大板、发送板和报文转换板组成，其中发送板主要用于产生载频，报文转换板可根据区段占用情况控制发送端发送位模式编码或者行车报文，功率放大板用来放大移频信号的功率，这三块电路板通过机柜背板相连接。

当轨道区段空闲，发码装置将发送位模式编码，所谓位模式编码就是利用上边频(+64 Hz)和下边频(-64 Hz)将载频调制成相应区段的空闲编码。接收端收到正确编码，给出区段空闲表示，采用这种方式可以降低接收端设备误动作的概率。当列车占用区段，发码装置开始向钢轨发送行车报文，列车迎着信号传输的方向运行，并通过车载天线从钢轨上接收行车信息[3]。

图1所示的设计方案将单片机、编码电路、功放电路集成在一块电路板上，单片机用来控制编码电路，编码电路的核心为一片直接数字频率合成(direct digital frequency synthesis，DDS)芯片，通过DDS技术直接合成位模式编码和行车报文。功放电路使用AB类集成功放，代替既有功率放大板分立元件构成的推挽式放大电路[4]。

图1 发码电路结构图

2 发码装置硬件设计

2.1 单片机和编码电路

因地铁的FTGS系统所采用的载频远高于高铁，对误差的要求也更高，所以地铁的FSK编码信号需要更好的相位连续性和正交性，这样既可以提高频带的利用率，也能够提高整个轨道电路的电磁兼容性，有利于车载行车设备的解调。

移频信号编码电路如图2所示。系统采用单片机来控制DDS芯片直接生成所需要的调制信号，DDS芯片选型为AD9854。该方案中，DDS芯片的串/并行编程控制引脚S/P SELECT常态拉高，选中DDS芯片的并行编程方式，AVR单片机引脚PD2~PD7用于控制DDS芯片的并行地址线A0~A5，引脚PA0~PA7控制DDS芯片的8位数据线。

另外，单片机引脚PC0~PC6还和AD9854芯片的控制引脚相连，AD9854芯片的MASTER RESET引脚作为总线复位，高电平有效。WR/SCLK和RD/CS引脚在并行控制方式下分别是写使能引脚和读使能引脚，低电平有效。IO UD CLK为通信时钟线，向AD9854内部寄存器写入数据，在上升沿有效。

控制引脚FSK/BPSK/HOLD是芯片的模式选择引脚，在FSK模式下，能够通过高低电平的切换，设置输出上边频调制信号和下边频调制信号，这对于实现FTGS的位模式编码非常方便。SHAPED KEING引脚则是输出波形控制引脚，通过设置不同电平来控制信号是递增方式输出还是递减方式输出，从而实现正弦波或余弦波的输出，本方案采用正弦波输出。

芯片的REFCLK引脚为基准时钟输入端，基准时钟由一个30 MHz的有源晶振提供。PLL FILTER引脚是内置倍频环路滤波器的外部零位补偿网络脚，串接电阻R4和电容C11到模拟电源即可。DDS芯片有四组信号输出，使用IOUT引脚输出平滑的正弦波，信号经滤波器处理后输出给后级电路[5-10]。

图2 移频信号编码电路图

2.2 功放电路

由单片机控制DDS芯片输出的调制信号并不能直接发送到室外，需要先将其功率放大，才能达到室外的传输要求。功放电路用于放大移频信号的功率，采用两级放大器，第一级为运算放大器，第二级为功率放大器。采用第一级运算放大器的意义在于隔离DDS电路和功率放大器，匹配前后级电路的阻抗，增强信号带载能力，减小失真，选型为仪用放大器AD620。仪用运放输入阻抗大、噪音低、偏置电流小，能够很好地抑制噪音和温漂；仪用放大器的放大倍数设置为约10倍，且若增大信号的幅度，在一定程度上也能够抑制传输线路上的干扰。功放电路的具体电路图如图3所示。

图3 功放电路图

功放芯片选型为TDA7294，是一款AB类集成功放，内部设有电子开关，可以通过STBY旁路和MUTE静音模式来切换此电子开关，当需要静音和旁路功能时，可将电子开关切换到同相输入通道。功放芯片工作在负反馈状态下，放大倍数由反馈电阻决定，计算公式如下：

当±35 V供电，后级调谐电路负载为4 Ω时，电阻R11和R10取值分别为22 kΩ和680 Ω，功放芯片的增益大约为30 dB，调整分压电阻R91和R92的大小比例，可以将输出信号的功率调整至70 W，从而能够满足FTGS的参数要求[11]。

3 发码电路软件设计

软件编译环境为ICC AVR，程序主要包含三部分：第一部分是轨道区段状态检测，用于检测轨道区段当前状态，以确定发送位模式还是行车报文；第二部分是DDS芯片控制程序，用单片机控制DDS芯片，产生移频信号；第三部分是区段位模式和调制信号的处理，根据运营现场设置的区段信息，发送该区段正确的移频信号。软件设计中最主要的部分是单片机对DDS芯片的控制程序，以下是AD9854初始化基本程序：

4 系统应用

FTGS轨道电路分为空闲和占用两种状态，对应发码电路的位模式发送状态和行车报文发送状态，位模式发送状态示意图如图4所示。FTGS发码电路包含在发送端设备内，轨道电路的接收端设备主要包含解码设备和轨道继电器(GJ)，轨道区段无车占用时，AVR单片机检测到GJ吸起状态后，向钢轨发送位模式编码，接收端解码相应的位模式编码，驱动GJ，保持其吸起状态，从而稳定轨道区段的空闲表示。轨道区段空闲状态下发码电路输出的位模式信号波形见图5。

FTGS-917型轨道电路的位模式总共有15种，图5中信号波形对应4.4模式，即上边频和下边频各占半个周期时长，从示波器的波形上看，发码电路发送的位模式信号上下边频连续性好，可以有效降低接收端解码电路的误码率。表1为发码电路各个载频以及相应上下边频的测试结果，使用西门子专用的FTGS轨道电路测试仪进行测试，从表1的测试结果来看，发码电路输出信号误差远小于4 Hz，可以满足FTGS轨道电路的设计要求。

图4 轨道空闲发送位模式示意图

图5 FTGS位模式波形图

表1 发码电路输出波形测试结果汇总表 /Hz

轨道占用发送报文示意图如图6所示。当轨道区段被列车占用，信号传输介质——钢轨被列车轮对短路，接收端设备无法收到位模式信号，从而释放GJ，单片机检测到GJ的落下状态，自动切换发码模式，从发送位模式信号转换到列车的行车报文。行车报文的传输方向迎着列车的运行方向，方便列车头部的机车天线接收，列车的行车报文同样是二进制编码的频移键控信号，携带着列车及线路的相关信息。

图6 轨道占用发送报文示意图

5 结论

结合目前国内FTGS发码电路的特点，设计了一种基于单片机的发码电路，该方案采用单片机控制DDS芯片的方法，直接产生轨道电路所需要的移频信号，可实现地铁正线发送移频信号的功能。本研究采用DDS技术来替代既有分立元件的方法，一方面能够大幅简化电路，提高设备的可靠性，降低故障排查难度；另一方面提高了移频信号的质量。利用现场专用西门子FTGS测试仪对移频信号进行测试，信号的精度和稳定度均达到要求，可以作为改进FTGS发码电路的一种设计方案。