基于DSPbuilder技术的轨道信号检测的研究与实现

论文摘要

铁路轨道信号作为列车与地面指挥系统之间通信的载体,承载着列车行驶所需要的各种测控信息,是列车安全可靠运行的关键,必需实时检测它的各项参数是否正常。轨道信号是移频键控（FSK）信号,是由轨道电路的低频控制信息调制高频载波频率而产生的已调信号,其频率代表了要传送的数字信号。检测轨道信号的目的就是要找出其中心频率F0、上边频频率Fh（F0+△F）、下边频频率F1（F0-△F）、低频调制信号的频率、幅度、电压和电流等,从而判断出铁路轨道通信系统的质量,以便及时有效的维护各种发送和接收设备。在深入研究了轨道信号特点和检测内容的前提下,本文比较了过去的脉冲检测法和当前基于通用DSP芯片的检测方法的优缺点并结合本课题的研究实践提出了一套实现轨道信号检测的新方法。该方法就是使用Matlab工具软件设计和仿真信号处理算法、以FPGA芯片支持的相应算法子电路即DSPbuilder组件作为硬件中间层,在FPGA芯片中实现轨道信号检测电路。因为每款通用DSP芯片的各项性能和参数指标都是固定不变的,所以开发基于通用DSP芯片的检测平台大多数情况下要重复地经过做电路板、编制程序来仿真整体算法模型的过程。而使用Matlab工具软件和DSPbuilder组件来开发测试平台就避免了上述的重复过程,其便捷性在于Matlab软件中的算法可无限制的修改、FPGA芯片中的资源可重组配置。试验证明这样的方法具有很好的可行性和实用性,对以轨道信号代表的数字信号的处理都具有重要的指导意义和实用价值。为了保证上述方法的正确性和可实施性,本课题建立了检测轨道信号频率所需的数字信号处理的理论模型:抽样、数字滤波、FFT算法和频谱重抽样等,同时对实现这些理论模型的相关技术都做了一一的验证。这些技术包括:在Matlab/Simulink中调用DSPbuilder组件设计和仿真抽样、数字滤波、FFT算法模块;集成各仿真模块;将设计文件转换成硬件描述语言;利用FPGA开发设计软件编译描述语言和生成算法电路连接库;在FPGA芯片中为电路连接数据库布局布线等,将信号处理电路设计为嵌入式系统的子器件;利用FPGA芯片特有的SOPCbuilder工具设计嵌入式系统并把整个系统映射到FPGA芯片中;在嵌入式系统上编程实现边频查找、电流电压计算和人机交互界面。本文利用这些理论和技术搭建了一个测试平台,为利用Matlab下的DSPbuilder组件设计和实现数字信号处理提供了应用实例。使用搭建好的测试平台检测多组模拟的轨道信号均获得了较好的测量效果,该测试平台的大部分参数都满足性能指标的要求,进一步完善后能够用于实际的铁路轨道信号检测。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 选题依据
• 1.1.1 轨道信号作用及其特点
• 1.1.2 研究DSPbuilder技术的意义
• 1.2 论文研究的内容及创新点
• 1.2.1 论文研究内容
• 1.2.2 论文创新点
• 第2章 轨道信号检测相关技术
• 2.1 MATLAB仿真技术
• 2.2 DSP技术
• 2.3 FPGA技术
• 2.4 dspbuilder技术
• 2.5 嵌入式系统新技术（SOPC）
• 2.6 国内外检测轨道信号采用的技术
• 第3章 轨道信号检测系统总体设计
• 3.1 系统结构设计
• 3.2 系统工作原理
• 3.3 各单元功能及其特点
• 3.3.1 Nios Ⅱ处理器功能和特点
• 3.3.2 数字信号处理单元
• 3.3.3 存储器单元
• 第4章 轨道信号检测原理分析及算法设计
• 4.1 信号抽样理论分析
• 4.2 数字滤波理论分析
• 4.2.1 滤波器类型选择
• 4.2.2 切贝雪夫Ⅱ型低通滤波器参数设计
• 4.2.3 模拟滤波数字化理论
• 4.3 FFT运算
• 4.3.1 FFT算法分析
• 4.3.2 轨道信号FFT点数计算
• 4.3.3 FFT算法原理实现
• 4.3.3.1 FFT软件算法
• 4.3.3.2 FFT算法的硬件逻辑描述
• 4.4 频谱重抽样
• 4.5 上下边频频率查找
• 第5章 轨道信号检测实现过程
• 5.1 实现信号检测的器件
• 5.1.1 通用微处理器
• 5.1.2 专用的信号处理器
• 5.1.3 通用信号处理器
• 5.1.4 内部嵌入DSP处理块的FPGA芯片
• 5.2 实现信号检测的软件平台
• 5.2.1 Quartus Ⅱ软件及其设计流程
• 5.2.2 MATLAB/SIMULINK和SINGAL PROCESSING开发
• 5.2.3 DSPBuilder开发
• 5.2.4 DSPBuilder技术的设计流程
• 5.3 轨道信号检测平台模块建模
• 5.3.1 轨道信号检测平台AD接口电路设计
• 5.3.2 轨道信号检测平台IIR数字滤波器设计
• 5.3.3 轨道信号检测平台FFT算法实现
• 5.3.4 轨道信号检测平台频谱重抽样的实现
• 5.3.5 转换DSPbuilder设计为VHDL语言的核心实现
• 5.3.6 轨道信号检测平台嵌入式系统设计
• 5.3.7 轨道信号检测平台时钟设计
• 5.3.8 综合系统软核文件、产生电路连接数据库
• 5.3.9 对综合后的电路连接数据库布局布线
• 5.3.9.1 工程全局范围的时序设计
• 5.3.9.2 时序分析
• 5.3.9.3 LogicLock时序逼近时序分析
• 5.3.10 轨道信号检测平台边频查找及显示软件设计
• 第6章 系统技术指标及平台性能分析
• 6.1 主要测量功能
• 6.2 主要技术指标
• 6.3 轨道信号检测平台测量结果
• 6.4 测试平台性能评价
• 6.5 实验平台
• 结论
• 致谢
• 参考文献