基于DSP/BIOS的OMAPL138轨道信号分析软件平台的研究

摘要

目前车载铁路信号处理设备，采用TI公司的浮点DSP(Digital SignalProcessor, DSP)TMS320VC33作为主处理器，但是该处理器60MIPS(MillionInstruction Per Second，MIPS)的处理能力越来越不适应目前铁路高速、可靠、稳定的要求，并且TI公司已经不再推荐使用该芯片，VC33面临着被淘汰的危险。由于列车的不断提速，对铁路车载设备的要求越来越高，同时要求铁路信号的解调越来越可靠、实时、精确。随着数字信号处理技术的发展和高性能处理器的日趋成熟，针对轨道信号检测的研究纷纷摒弃了传统的时域分析法，产生了很多种算法，频谱分析法、短时傅里叶变换、小波分析法、希尔伯特-黄变换算法等等，但由于VC33内部资源和运算速度的限制，有些算法并未广泛投入使用，而且传统的DSP应用软件开发，完全由用户程序控制DSP，对开发者来说门槛高且软件开发周期长，系统可靠性差。基于实时多任务操作系统(Real Time Operation System，RTOS)的软件设计，可大大减小程序编写的工作量和出错的可能，是目前嵌入式应用领域的一个发展倾向。因此选择新型浮点DSP，使用实时操作系统，并且在此系统的基础上建立轨道信号开发平台，具有很大的现实意义。
　　针对以上问题，本文结合近几年研究的成果，从三方面研究上述问题。(1)在硬件系统方面，本文通过比较市面上几款应用广泛、工业级的浮点DSP的性能，选定了运行速度较快且支持实时操作系统的新型浮点DSP OMAPL138芯片。该芯片是双核处理器，内置DSP核和ARM核，正好可以代替目前车载系统中分离的DSP和ARM组合，从而可以大大提高系统的可靠性;(2)在解调算法方面，由于OMAPL138未曾实际应用到轨道信号处理中，作为换代CPU芯片，应该确保其可靠和稳定，故采用目前铁路上使用广泛的频谱识别的方法解调移频轨道信号，并且在L138系统上实现。(3)在软件结构设计方面，以嵌入式实时操作系统DSP/BIOS为平台，使用其可视化配置工具和种类丰富的API函数，采用C语言和汇编语言混合编程的方式，将信号的采集、处理以及显示以软硬件中断和任务线程的模式交由DSP/BIOS管理和调度，并存OMAPL138硬件平台上完成对轨道信号的解调。
　　本文在无噪声情况下对两种制式的铁路信号做出相应的分析。通过从OMAPL138实验系统上得到的数据表明，在理想状态下，上下边频、中心载频的解调误差在0.3Hz以内，调制频率的解调误差在0.02Hz以内，解调速度有了很大的改进，实验证实该方法是可行的。

目录

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致谢

摘要

1 绪论

1．1 机车信号系统

1．2 轨道信号处理技术发展现状

1．3 嵌入式实时操作系统应用

1．3．1 嵌入式实时操作系统

1．3．2 基于嵌入式RTOS软件开发的优势

1．4 问题的提出

1．5 论文组织结构

2 轨道信号分析

2．1 国内轨道信号制式

2．2 FSK信号特点

2．2．1 FSK信号数学模型

2．2．2 FSK信号频谱

2．3 轨道信号干扰分析

2．3．1 钢轨中不平衡牵引电流干扰

2．3．2 侵入干扰

2．3．3 调幅干扰

2．4 频谱分析法的优点

2．5 本章小结

3 轨道信号开发平台的硬件构成

3．1 系统主处理器选择

3．2 基于OMAPL138的轨道信号处理系统

3．2．1 OMAPL138主处理器

3．2．2 STM32F103C6T6协处理器

3．2．3 直接数字信号合成器DDS

3．2．4 AD采集

3．2．5 通信协议

3．3 本章小结

4 基于DSP／BIOS的软件开发

4．1 DSP／BIOS

4．1．1 DSP／BIOS构成

4．1．2 基于DSP／BIOS的程序开发过程

4．2 基于DSP／BIOS的轨道信号处理程序开发

4．2．1 轨道信号处理软件流程图

4．2．2 基于DSP／BIOS的工程项目配置

4．3 轨道信号处理算法在DSP上的实现

4．3．1 信号采集

4．3．2 信号预处理

4．3．3 轨道信号频谱分析法

4．4 本章小结

5 解调结果分析

5．1 界面分析工具

5．2 测试流程

5．2．1 解码流程

5．2．2 干扰处理

5．2．3 技术参数指标

5．2．4 解调结果分析

6 结论

参考文献

作者简历

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