基于OMAP-L138车载机车信号处理系统设计

刘 威，闻 跃，杜普选，赵文山

（北京交通大学 电子信息工程学院，北京 100044）

基于OMAP-L138车载机车信号处理系统设计

刘 威，闻 跃，杜普选，赵文山

（北京交通大学 电子信息工程学院，北京 100044）

本文以双核处理器OMAP-L138为核心，设计了一款新型的实时高速车载机车信号处理系统。该系统可以精确地研究与开发轨道信号的发送、接收、解调等工作。其独特的板卡式设计提高了系统的灵活性和扩展性。通过对ZPW2000A信号的解调证实了系统达到了预期目标。

车载系统；外部存储器接口；模/数转换；解调

当今的数字信号处理（DSP）技术为新一代机车信号设备研发提供了先进的条件，信息存储技术也为机车信号记录提供了有利的条件，伴随着JT1-CZ2000型车载机车信号系统中广泛使用的STM320VC33系列的DSP芯片的渐退，选取一款新型的DSP芯片，为研发更加快速、安全、稳定的机车信号车载系统显得尤为重要。为此，在充分考查了DSP芯片的处理速度和数据传输效率等技术指标后，本文设计了一种基于OMAP系列双核浮点处理器的车载机车信号处理系统方案。

1 系统方案

1.1 OMAP-L138处理器简介

OMAP-L138是一款使用C6748 VLIW DSP+ ARM926EJ-S RISC双核结构的高性能、低功耗浮点处理器，其双核主频高达300 MHz，单指令执行周期小于5 ns，具有强大的定浮点高速运算能力，内存与外设采取统一编址，DSP与ARM利用共享128 kbit内存空间进行通信，这种方式结构上更为简单，性能更加安全可靠。最大可扩展512 M的DDR2 SDRAM专用接口比现有的机车信号系统具有更大的存储空间。外设接口丰富，如EMAC、McBSP、LCD、SATA、SD卡、USB等。

1.2 总体结构设计

数字信号处理系统是机车信号系统的核心，车载主机将轨面信息通过A/D芯片转换成数字信号，再由DSP芯片进行数字信号处理和译码分析，最后控制相应的输出显示 。目前国内铁路大量使用的JT1-CZ2000型主体化机车信号主机，它的译码部分和输出控制部分是由两块CPU分别完成的，其中采用32 bit浮点处理器TMS320VC33作为译码处理器，16 bit控制器TMS320F2407A作为输出控制处理器，两块CPU之间通过双口RAM进行数据交换。这种结构对芯片的布局和走线都有严格的要求，而且容易受到外界的破坏。

根据以上分析，本文提出了使用OMAP-L138双核处理器代替上述结构的一种新方法，一块芯片上集成两个CPU，交互数据模块从昂贵的双口RAM变成了共享RAM，可以方便的完成CPU间的数据交换工作，不仅简化了系统的结构，还降低了外部因素对系统造成破坏的可能性。该双核系统采用板卡式结构，使用DIM连接器实现核心板和扩展板的链接，其中核心板采用SEEDDIM138评估套件，板上资源包括：OMAP-L138、NAND FLASH、DDR2、电源、ENET PHY、JTAG等。本文的主要工作在扩展板的设计开发上，扩展板主要包括以下几个部分：辅助控制模块、信号发生模块、信号采集模块 、数据存储模块、数据输出显示模块。该双核系统数据处理模块结构如图1所示。

图1 双核系统数据处理模块结构

2 硬件实现及性能分析

2.1 辅助控制电路

OMAP-L138平台的扩展板上共需要3个时钟输出，分别控制AD7865采样频率的精确周期脉冲、MAX293低通滤波器的时钟信号、DDS低频的可变周期脉冲。但OMAP-L138核心板引出的时钟输出和I/O引脚有限，无法满足时钟输出的要求。OMAP-L138的主时钟为24 MHz，内部频率转换后不能产生精确的8 192 Hz或16 384 Hz等2的幂次方的脉冲信号，若采样频率不是2的幂次方，则频谱分析会比较麻烦。利用外部晶体用CPLD等硬件产生脉冲比较麻烦且不灵活。

综上考虑，该系统选用低成本的微控制器STM32F103C6T6产生所需要的脉冲和辅助I/O信号，用其I2C接口与OMAP-L138通信，控制它产生各种频率，同时可以扩展矩阵键盘等，它的编程也很简单。在硬件连接上，STM32的OSC_IN/OUT引脚连接一块8 192 Hz晶体，STM32的PA0与MAX293的CLK连接（为MAX293提供300 kHz的时钟输入），STM32的PB1与AD7865的/CONVST连接，STM32的PA8、PB8、PB9分别与AD9831的FSEL、PSEL1、PSEL1。

2.2 信号发生模块

该双核系统的信号发生模块是以AD9831为核心的DDS信号发生电路，可产生一些较复杂或较精确的信号，这些信号产生以后可以通过输出端子输出，也可以通过跳线连接到A/D端口作为信号源。通过AD9831内部2个32 bit频率寄存器控制其输出信号的频率，通过内部4个12 bit相位寄存器控制输出信号的相移。其中，频率寄存器与输出信号频率，相位偏移寄存器与输出信号偏移量的对应关系由式（1）和式（2）给出：

在系统平台的硬件连接上，STM32-F103C6T6的T1_CH1定时器1输出与AD9831的FSELECT引脚连接在一起，通过控制定时器输出时钟的频率，实现AD9831的两个频率寄存器的选择以产生FSK信号。AD9831的两个频率寄存器选择引脚PSEL0、PSEL1分别与STM32F103C6T6的通用输入/输出引脚相连。

2.3 信号采集模块

该系统的A/D采样转换模块包含两个部分，分别是以MAX293为核心的输入抗混叠低通滤波器及输入缓冲电路、以AD7865为核心的并行接口A/D采样转换电路。

系统通过T1_CH2定时器为MAX293提供时钟信号300 kHz，这样MAX293抗混叠滤波电路的截频就为3 kHz。这个频率是可以通过软件改变的。系统通过OMAP-L138的EMIFA（External Memory Interface A）接口并行连接AD7865芯片，采用软件选择的通道，通过双向数据线DB0、DB1、DB2、DB3位决定。在选择了转换通道之后，给/CONVST一个负脉冲就可进行一个转换顺序，在/CONVST 的上升沿各路模拟信号被同时采样，最少70 ns 后BUSY 管脚输出变为高电平，标志转换正在进行，不能进行新的转换，当它的输出出现下降沿时标志着各通道转换结束。/CONVST 引脚与T2_CH1定时器输出相连，可通过软件控制AD7865的采样频率。BUSY 引脚与OMAP-L138的GP0相连，每次采样完成后都会输出一个正脉冲。/CS，/RD/，WR的控制信号由译码电路产生。

2.4 数据存储与输出显示模块

系统扩展了DDR2 SDRAM芯片和NAND FLASH芯片。其中，通过外部存储器接口EMIFA扩展4 GB K9F4G08U0A 作为NAND FLASH芯片，可以用来存储Bootloader和操作系统。通过OMAP-L138的DDR专用外部存储器接口EMIFB扩展512 MB K4T51163QG作为DDR2 SDRAM芯片，可以用来存储和传输数据。

系统板上利用OMAP-L138的 LCD专用接口扩展了一块LCM S92048A彩色液晶屏。OMAP-L138信号处理系统的LCD液晶显示模块独立制板，LCD模块与OMAP-L138采用连接器进行通信，以实现液晶显示功能。连接器选用40个引脚类型。系统前端采集到的数据信号，经过DSP处理器的运算分析后，结果经共享内存传输至ARM处理器，由控制单元完成输出显示及上灯等操作，以便用户实时观测到整个系统的运行情况。

3 轨道信号发送与解调实现

双核系统的硬件设计完成后，使用该系统进行ZPW2000A轨道信号的发送与解调的实现。软件控制AD9831循环发出多种ZPW2000A轨道信号，AD7865的采样频率为8 192 Hz，采用0.5 s的滚动窗口进行数据的滚动处理，解调的结果由LCD显示包括载频频率、调制频率以及信号电压，同时将结果存入到外部的大容量Flash 存储器。

在对ZPW2000A信号的解调过程中，本文采用了频域解调的方法。频谱识别法能准确直观的找到特征功率谱，从而得出载频和调制频率。当调制系数较小时，ZPW2000A频谱能量最大值处的频谱就是载频，其余分量以载频为中心等间隔排列，频谱图中的谱线间隔就是调制频率。利用EDMA把采集到的数据从外部的DDR2搬移到内部RAM中，对搬移到内部RAM连续数据进行8 192点的FFT变换，对得到的频谱进行功率谱的计算，在功率谱中找到最大功率的位置，为避开50 Hz奇次谐波的工频干扰，在频谱中取出以最大功率谱线为中心共80 Hz频段进行M点的IFFT变换，得到的新数据在做一次N点的FFT变换，其中M和N都是2的整次幂，此时得到的频谱已经被细化了N/M倍，对新的频谱再做一次功率谱计算，找到最大值和两个次大值的位置，其谱线间隔即为调制频率。 具体流程图如图2所示。

图2 发送与解调流程图

上述算法在CCS3.3仿真环境下得到的ZPW2000A信号细化16倍的频谱如图3所示。

表1列出了实验中输入和输出的数据。

4 结束语

上述结果表明，经该双核系统处理得到载频偏差和调制频率偏差均符合铁路的要求，因此，本文中实现的车载机车信号处理系统是可靠的。作为理想的嵌入式应用系统，它不仅可以在轨道信号处理中发挥作用，同时，在工业领域和教学领域也存在着许多有价值的潜在应用。

图5 ZPW2000A信号细化16倍频谱

表1 实验数据

本文在硬件平台上发送和解调的都是理想的铁路信号，在实际的铁路工程应用中，还应考虑多方面的因素。硬件上需考虑信号高可靠性的要求，如2乘2取2，或者2乘3取2原则。软件设计上应考虑各种干扰，如抗工频干扰、0线干扰、突发单频干扰、调幅干扰以及各种线性、非线性干扰。

[1]杜普选，闻 越，张西峰，等. DSP技术及浮点处理器的应用[M].北京：清华大学出版社，2012.

[2]方 冬，章国宝.基于EMIF 接口的数据采集系统的设计[J].电子设计工程，2011，19（2）.

[3]付建伟.基于OMAP-L138的数字示波器微处理器数字系统硬件设计[D]. 成都：电子科技大学，2011.

责任编辑 陈 蓉

Design of on-board Signal Processing System based on OMAP-L138

LIU Wei, WEN Yue, DU Puxuan, ZHAO Wenshan

( School of Electronic and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China )

With the dual-core processor OMAP - L138 of TI company as the core, it was designed a new kind of high-speed on-board Locomotive Signal Processing System in real time. On the structure, the flexibility and extensibility was improved by the unique board card design of the System. In this article, the reach of the expected goal of the System was demonstrated through the implementation of ZPW2000A signal demodulation.

on –board system; External Memory Interface(EMIFA ); A/D; demodulation

U284.4∶TP39

A

1005-8451（2014）01-0049-04

2013-08-22

中央高校基本科研业务费（2012JBM006），北京交通大学人才基金（2011RC041） 。

刘 威，在读硕士研究生；闻 跃，副教授。