ABB模塊3BSE003827R1

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移頻信號(hào)全稱為移頻鍵控信號(hào)（Frequency-ShiftKeying），利用高頻信號(hào)承載低頻信息，具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代鐵路機(jī)車行駛中的速度控制信號(hào)。它可以準(zhǔn)確確定列車的位置，與鐵路機(jī)車安全運(yùn)行有密切的關(guān)系。為確保信號(hào)接收系統(tǒng)接收到準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)有效的信號(hào)，要求移頻信號(hào)發(fā)送系統(tǒng)在發(fā)送高精度移頻信號(hào)的同時(shí)，能夠保證自身系統(tǒng)的故障檢測(cè)。

現(xiàn)有的移頻信號(hào)發(fā)送系統(tǒng)，使用特定頻率晶振和CMOS器件，頻率相位精度低、通用性差，無法實(shí)現(xiàn)多載頻信號(hào)之間的自動(dòng)切換，而且自檢能力不高，不能達(dá)到實(shí)時(shí)故障檢測(cè)，無法適應(yīng)我國高速列車發(fā)展的需要。因此，設(shè)計(jì)一種新型的移頻信號(hào)發(fā)送系統(tǒng)就成為一個(gè)迫在眉睫的問題。本文提出采用雙CPU保護(hù)下的FPGA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)移頻信號(hào)發(fā)送的設(shè)計(jì)方案，以FPGA為系統(tǒng)核心，采用固定16MHz頻率晶振，完成CPU時(shí)序控制下FPGA的邏輯功能。在保證移頻信號(hào)高相位精度的前提下，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動(dòng)多載頻信號(hào)切換和實(shí)時(shí)故障檢測(cè)。

本文選用的FPGA芯片是Xilinx公司推出的XC4005E-4IPQ100，該類型芯片具有5000大邏輯門（MaxLogicGate），其中可配置邏輯模塊（CLB）196個(gè)，以14×14矩陣結(jié)構(gòu)排列；輸入輸出模塊（IOB）112個(gè)。可實(shí)現(xiàn)616級(jí)觸發(fā)器（Flip-Flops），具有并行模式配置能力，存儲(chǔ)器容量為95？008bits。使用亞微米多層金屬材料加工方法，使系統(tǒng)時(shí)鐘速率高達(dá)80MHz，而內(nèi)部執(zhí)行速度可以達(dá)到150MHz。

該類型芯片在原有XC3000系列芯片的基礎(chǔ)上，增加了內(nèi)部軟啟動(dòng)結(jié)構(gòu)和時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)輸入輸出模塊的數(shù)目，并且提供了可選擇雙向RAM存儲(chǔ)器。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖1所示，該系統(tǒng)以雙CPU保護(hù)下的FPGA為核心，配以輔助的前置光耦防護(hù)和后置安全與門及功率放大器。輸入為國家標(biāo)準(zhǔn)的鐵路用18路低頻信息和4種載頻觸發(fā)信號(hào)，輸出相應(yīng)的調(diào)制后高精度移頻正弦信號(hào)。其中，4種載頻可以由觸發(fā)信號(hào)直接控制，自動(dòng)切換。

FPGA內(nèi)部邏輯被設(shè)計(jì)為分頻器、計(jì)數(shù)器、編碼器、存儲(chǔ)器、觸發(fā)器和電子開關(guān)等部分。經(jīng)過邏輯組合，實(shí)現(xiàn)低載頻信息編碼、相位連續(xù)移頻信號(hào)調(diào)制和移頻信號(hào)檢測(cè)計(jì)數(shù)等三個(gè)主要功能，并接收CPU的控制信號(hào)，完成與CPU間的數(shù)據(jù)傳輸。

雙CPU使用W78E58型單片機(jī)。主、副CPU各自獨(dú)立工作，分別向FPGA發(fā)送控制信號(hào)，讀取低載頻信息編碼和移頻檢測(cè)計(jì)數(shù)結(jié)果，并以此為判據(jù)進(jìn)行移頻信號(hào)發(fā)送精度檢測(cè)。發(fā)現(xiàn)誤碼情況，即時(shí)關(guān)閉安全與門，切斷移頻信號(hào)發(fā)送通道，保證故障安全。主、副CPU之間，每個(gè)程序循環(huán)周期通信一次，以確認(rèn)對(duì)方處于正常工作狀態(tài)。

福建石屹科技有限公司

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