一种机车信号采集与回放系统的设计

摘 要:对机车信号进行可靠的无缝采集和回放分析,是信号检测设备设计的基础,也是保障机车安全运行的关键。介绍了一种基于PCI总线的机车信号数据采集、回放与处理系统。系统能够实现双通道信号的同步采集,并进行波形回放和实时处理,可用于长时间连续数据采集与存储。

关键词:PCI总线 数据采集 波形回放 信号处理

中图分类号:U284文献标识码:A文章编号:1007-9416(2011)03-0049-02

随着铁路运输向“高速重载”的方向发展,对机车运行的可靠性要求越来越高,对行车过程中的机车信号进行记录、回放和处理分析,在寻找影响机车显示正确率的因素和设计更可靠机车信号接收系统方面有重要意义。

基于这一需求,我们利用嵌入式计算机,设计了一种基于PCI局部数据总线的机车信号记录与回放系统。系统利用PCI总线高数据传输率的特点,方便地实现了机车信号的实时采集、传输和存储,并可对其波形实时绘制和处理。本文首先介绍了系统的整体结构,并进一步描述了采集卡的设计和采集卡控制程序的编写,简要介绍了机车信号处理的过程。

1、系统整体硬件结构

基于PCI局部数据总线的数据采集系统,其本质是一个带有PCI扩展功能的计算机系统,主要由PCI数据采集卡和嵌入式计算机系统(虚线部分)构成。嵌入式计算机系统主要由嵌入式主板、处理器、存储器和显示器等构成。PCI数据采集卡首先对采集信号进行放大、滤波等信号处理和模数转换(A/D)后,由计算机系统从采集卡上读取数据并将其写入硬盘,实现数据采集功能。采集的数据写入采集卡并经采集卡的D/A输出,完成波形回放功能。

本文设计的硬件系统选用威盛EPIA-V Mini-ITX主板,采用VIA C3TM E-Series处理器,其主频为800MHz。整个数据采集系统具有体积小,低功耗,低散热,高速度处理的特点,可以方便地用于外场实验采集。在整个硬件系统中,双通道A/D和D/A数据采集卡是系统的核心,下文介绍数据采集卡的设计。

2、数据采集卡的设计

双通道A/D和D/A数据采集卡的结构框图如图1所示。为了保证采集卡在双通道同时采集的可靠性,本系统采用了四片FIFO缓存,利用CLPD实现对A/D,D/A的采样进行控制、FIFO的读写控制、采样结束中断的产生等功能。此外它还完成数据整合功能,即将两个A/D的FIFO上的共24位的数据整合为一个32位宽度的数据,32位数据的低16位为FIFO1上的数据,高16位为FIFO2上的数据;或将总线传来的32位宽度的数据分别打到两个D/A的FIFO上。

总线接口部分选用PCI总线控制芯片PLX9054实现数据通信。PLX9054采用DMA方式与PCI总线通信,它设计了2个双向的DMA通道:DMA0和DMA1。通过设置DMA控制器的PCI地址寄存器,Local地址寄存器,读写计数器等配置寄存器,可以实现DMA的块传输、分散/聚合(SGL)传输等方式。DMA传输完成以后,PLX9054可以产生相应的PCI或Local总线的中断。

3、系统软件设计

整个系统的软件工作流程分为采集流程和回放流程,其中从采集卡到存储器为数据采集工作流程;回放流程是本系统的核心工作流程,它首先将数据从存储器读出,然后把数据复制成三份:一份用于显示原始波形,一份写到采集卡通过D/A以模拟信号的形式输出,最后一份用于数据处理和分析。

系统的软件设计主要是板卡控制和信号处理两大部分。整个软件设计过程是在VC开发环境中,借助PLX SDK v3.30软件开发包进行软件编程设计,它提供大量的API接口,使得软件开发难度大大降低,同时利用PLXMon监视系板卡的寄存器状态并进行系统的调试。

3.1 板卡控制程序

VC下的板卡控制,即循环采集数据和向D/A FIFO写数据,它们是通过两个优先级较高的线程完成,这两个线程的设计方式基本类似。在线程中首先要用API函数获得设备句柄,然后再打开设备,用API函数对采集卡AD进行初始化以及采样率的设置,对DMA通道进行设置并打开DMA通道,当有中断时,进行数据传输。调用Win32 API函数WaitForSingleObject等待中断,在中断未到时,自动使所在线程进入睡眠状态(不消耗CPU时间)。在采集结束后先关闭DMA传输通道,再关闭AD,最后释放数据采集卡。

3.2 回放信号处理的实现

回放数据的实时信号处理是利用相邻两次读写数据中断事件间的时隙来实现的,这就要求中断事件间的时间间隔足够长,处理器的速度足够高,信号处理程序的计算量不能太大。而中断事件间的时间间隔是由所采信号的特征决定的,处理器速度的提高会使嵌入式系统的成本成倍提高,因此只能通过减小信号处理程序的计算量来实现信号的实时处理。

根据系统的设计要求,信号处理主要是对机车信号的解调。通用机车信号分为交流计数、移频和UM71三种信号制式,其中移频和UM71信号是目前较为常用的机车信号,它们都是多载频的FSK调制信号,对其信号的处理相比交流计数信号要更加复杂,主要表现在解调时的带通滤波。为了降低信号处理的运算量,系统采用4阶IIR椭圆带通滤波器,其带内波动系数为0.5dB,带外衰减为40dB。

由于机车信号是一种多载频FSK信号,所以在解调前需要对载波进行判别,这可以通过比较通带输出幅值来实现,然后再让其通过相应的带通滤波器组,之后再经过平方、滑动低通滤波,可得到信号的低频包络,然后经过比较得到信号的低频信息,根据低频频率给出相应的信号灯型。

4、结语

基于PCI总线的双通道数据采集与回放系统采用了PLX9054中断模式下的分散/聚合(SGL)传输方式,可以实现数据的无缝采集,同时也使系统CPU拥有足够的时间来对接收信号处理;在机车信号处理中,采用了IIR滤波器进行信号滤波,大幅度降低信号处理的运算量,从而提高系统的可靠性和实时性。

参考文献

[1] 李贵山,陈金鹏.PCI局部总线及其应用[M].西安电子科技大学出版社,2003.

[2] PLX SDK Programmer’s Reference Manual (version 3.2) [CP/CD].PLX Technology,2001.

[3] 张铁增.信号工[M].中国铁道局出版社,2002.