CN109639369A - 一种高速列车mvb/wtb通讯信号的模拟装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速列车MVB/WTB通讯信号的模拟装置及方法。使用本发明能够调节输出幅值、信号波形斜率(上升/下降时间)及抖动时间等参数，并可以准确测试出MVB/WTB通讯信号接收设备的接收边界范围。本发明基于双D/A转换器结构，采用高速描点技术，使两路D/A转换器按照时序模拟输出MVB/WTB信号，能够调节输出信号的电气特性参数。本发明还能够通过调节输出信号，可以准确测试出MVB/WTB通讯信号接收设备的接收边界范围。

Description

一种高速列车MVB/WTB通讯信号的模拟装置及方法
技术领域
本发明涉及高速列车通讯技术领域，具体涉及一种高速列车MVB/WTB通讯信号的模拟装置及方法。
背景技术
随着高速列车的广泛使用，对高速列车通讯性能的要求进一步提高。目前MVB/WTB通讯信号一般由RS485通讯芯片产生，不能对输出的电气特性参数进行调整，例如：输出幅值、信号波形斜率(上升/下降时间)及抖动时间等参数。无法准确测试出MVB/WTB通讯信号接收设备的接收边界范围。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高速列车MVB/WTB通讯信号的模拟装置及方法，能够调节输出幅值、信号波形斜率(上升/下降时间)及抖动时间等参数，并可以准确测试出MVB/WTB通讯信号接收设备的接收边界范围。
本发明的高速列车MVB/WTB通讯信号的模拟装置，包括：依次串联的数据转换模块、编解码模块、先入先出队列(FIFO)及采集转化模块；
其中，所述数据转换模块用于接收信号源发送的MVB/WTB通讯信号并转化为单端信号，输出至编解码模块；
所述编解码模块包括解码单元和编码单元，所述解码单元根据MVB/WTB通讯协议(标准协议)对接收到单端信号进行解码，提取出信号有效数据并依次存入FIFO中；所述编码单元读取FIFO中的数据并根据MVB/WTB通讯协议进行编码，输出数据帧至采集转化模块；
所述采集转化模块包括两路通道，两路通道上均设有DA芯片和放大器，两路DA芯片采集编解码模块输出的数据帧并转化为模拟信号；其中一路DA芯片输出MVB/WTB信号正端；另一路取其输出数值负值，输出MVB/WTB信号负端；放大器用于将DA转化的模拟信号进行放大并输出，最终获得MVB/WTB模拟差分信号。
进一步的，所述数据转换模块采用RS485芯片。
进一步的，所述解码单元和编码单元采用同一块FPGA芯片，采用Altera公司的Cyclone IV系列FPGA芯片。
进一步的，采用高速DA芯片AD9708，8位分辨率，最高传输速率达125MSPS。
进一步的，还包括一个信号接收模块，所述信号接收模块与编解码模块连接；所述信号接收模块用于接收反馈的MVB/WTB信号，并转化为单端信号输出至编解码模块；
编解码模块根据MVB/WTB通讯协议，对收到的数据帧进行发送帧和反馈帧的识别，如果收到的是反馈帧，则将反馈帧输出至数据转换模块，由数据转换模块反馈至信号源；如果收到的是由数据转换模块发送的发送帧，则对发送帧进行解码、编码后输出至读取及模拟模块，经读取及模拟模块生成MVB/WTB模拟信号。
本发明还提供了上述模拟装置的通讯信号模拟方法，包括如下步骤：
步骤1，数据转换模块接收信号源发送的MVB/WTB通讯信号并转化为单端信号，输出至解码模块；
步骤2，解码单元对接收到单端信号进行解码，提取出信号有效数据并依次存入FIFO中；其中，解码单元通过设置帧间存储时间的间隔时间参数，调整帧与帧之间的发送时间间隔，从而实现延时发送帧信号及调节信号帧间时间间隔功能；
步骤3，编码单元读取FIFO中的数据并进行编码，输出数据帧至采集转化模块；其中，编码单元通过改变其读取FIFO的读取速率，改变输出数值的保持时间，从而改变输出信号波形；
步骤4，采集转化模块中两路DA芯片采集编码单元输出的数据帧并转化为模拟信号，模拟MVB/WTB信号的正负端，经放大器放大后输出；其中，通过改变DA芯片参数，改变输出波形的幅值、波形斜率、以及抖动时间。
进一步的，采用随机数产生随机数产生算法在配置参数的范围内生成随机数，DA芯片根据所述随机数改变其输出数值的保持时间，进而改变调节信号的抖动时间。
有益效果：
本发明基于双D/A转换器结构，采用高速描点技术，使两路D/A转换器按照时序模拟输出MVB/WTB信号，能够调节输出信号的电气特性参数。本发明还能够通过调节输出信号，可以准确测试出MVB/WTB通讯信号接收设备的接收边界范围。
附图说明
图1为本发明高速列车MVB/WTB通讯信号模拟装置结构示意图；
图2为本发明高速列车MVB/WTB通讯信号抖动时间模拟时序图；
图3为本发明高速列车MVB/WTB通讯信号帧间间隔时间示意图。
图4为本发明收发一体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种高速列车MVB/WTB通讯信号的模拟装置及方法，如图1所示，包括依次串联的数据转换模块、解码模块、先入先出队列(FIFO)、编码模块及采集转化模块；
其中，数据转换模块用于接收信号源发送的MVB/WTB通讯信号，MVB/WTB通讯信号为差分信号，数据转换模块将接收到的差分信号转化为单端信号后，输出至解码模块。其中，可以采用RS485芯片接收高速列车MVB/WTB信号(差分信号)，并将其转化为单端信号。
解码模块根据MVB/WTB通讯协议(标准协议)对接收到单端信号进行解码，提取出信号有效数据并依次存入FIFO中。其中，可以采用现场可编程门阵列(FPGA)对接收到的单端信号进行解码，FPGA根据MVB/WTB通讯协议识别信号帧头及帧尾，将帧头与帧尾略去，并将有效数据发送至存储模块。其中，采用Altera公司的Cyclone IV系列FPGA芯片，数据传输速率最高可达3Gbps；FPGA芯片的数据传输速率越高，采样率越高，波形失真率越小。其中，FPGA接收到信号源的发送信号后，将接收到的多个信号帧解码后依次存入FIFO中，可通过设置的帧间存储时间的间隔参数，调整帧与帧之间的发送时间间隔，从而实现延时发送帧信号及调节信号帧间时间间隔功能。
所述编码模块读取FIFO中的数据并进行编码，即根据MVB/WTB通讯协议添加帧头及帧尾，输出数据帧至采集转化模块；其中，可以通过改变编码模块的FIFO读取速率，能够调整读取FIFO中数据的快慢，从而改变输出数值的保持时间，进而改变输出的模拟波形。编码模块可以采用同一个FPGA完成。
所述采集转化模块包括两路通道，两个通道上均设有DA芯片和放大器，通过DA芯片高速描点采集编码模块输出的数据帧并转化为模拟信号，模拟MVB/WTB信号的正负端，放大器用于将DA转化的模拟信号进行放大并输出，最终获得MVB/WTB模拟差分信号。其中，将一路DA芯片输出模拟差分信号正端，另一路DA芯片输出数值为第一路DA芯片输出数值的负值，模拟差分信号负端。其中，本实施例使用最高传输速率达125MSPS的DA芯片，通过DA快速的输出信号，沿着时间轴不断调节输出的幅值，从而形成需要的波形，其中，采用的DA芯片的传输速率越高，精度越高，波形失真率越小。通过改变DA芯片参数，实现调整MVB/WTB差分信号幅值、上升/下降时间、抖动时间等功能。本实施例采用AD公司的高速DA芯片AD9708，8位分辨率；DA芯片的输入与输出具有一一对应关系，比如：输入0000_0000，输出-5V；输入1000_0000，输出0V；输入1111_1111，输出5V；因此，通过改变AD9708芯片的8位输入数值，即可改变输出数值，从而改变DA芯片输出数值及模拟波形；同时，改变波形斜率，沿着时间轴，根据设置的参数，改变不同时间点对应的DA芯片输出数值，能够产生不同斜率的波形。比如：时间点0ns，输出0V；时间点10ns,输出1V；时间点0ns，输出0V，保持10ns；时间点10ns,输出1V，保持10ns；时间点20ns，输出2V，保持10ns；时间点30ns,输出3V，保持10ns；时间点40ns，输出4V，保持10ns；时间点50ns,输出5V；以后时间保持5V，那么就会产生阶梯式上升的波形，最后稳定，由于时间很快，所以可认为是有明显上升斜率的模拟信号波形，从而实现上升、下降时间调整。此外，还可以使用随机数产生算法在配置参数的范围内生成随机数，DA根据随机数数值确定读取FIFO的次数，从而改变输出数值的保持时间，进而改变DA输出的模拟波形，达到调节信号的抖动时间的目的。
图1是本发明高速列车MVB/WTB通讯信号模拟方法结构示意图。如图所示，MVB/WTB信号(差分信号)进入RS485芯片后转换为单端信号，然后进入FPGA中进行解码，并将解码后的数据存储在FIFO中。读取FIFO中的数据通过两路DA芯片及放大器进行输出，分别模拟MVB/WTB信号正负两端。其中，通过设置FIFO读取时序、DA芯片描点频率及放大器放大倍数等参数，可以改变MVB/WTB信号的输出幅值、上升/下降时间、抖动时间及帧间间隔时间等参数。
图2是本发明高速列车MVB/WTB通讯信号抖动时间模拟时序图。如图所示，第一排数据为存储在FIFO中的数据，如果需要调节抖动时间，则启动随机数产生器，根据配置参数，可在该数值范围内产生随机数，从而改变DA描点的频率，达到调节抖动时间的目的(第二排数据)。
图3是本发明高速列车MVB/WTB通讯信号帧间间隔时间示意图。如图所示，接收到多帧数据后，FPGA嵌入式软件能够自动识别帧类型、数据传输方向，对帧数据进行延时补偿，并根据延时补偿算法及配置参数改变帧间间隔时间。
上述方法中，为降低信号传输时延，硬件上采用高速FPGA和高速DA芯片组合的方式，减少系统响应时间；软件上采用双向判读+延时补偿算法，优化时序逻辑。使得系统延迟时间小于3us，高速列车MVB/WTB通讯过程不受影响。
上述方法中，采用随机数产生算法+双DA高速描点算法，模拟产生MVB/WTB信号的抖动波形，通过设置随机数产生的最大/最小值，从而改变抖动时间。
此外，本发明还可以通过增加一个RS485芯片实现双向通信功能。如图4所示，增加RS485芯片3，可实现收发一体。
其中，信号发送过程如下：信号源发送信号，经过RS485芯片-1—FPGA—DA-1和DA-2，最后发送到接收器，该发送过程可通过调节改变DA参数，改变输出的幅值、上升/下降时间和抖动时间，通过FPGA改变帧间存储的时间间隔，实现延时发送功能。
信号接收过程如下：接收器反馈信号，经过RS485芯片-3—FPGA—RS485芯片-2，该接收过程直接将反馈信号经FPGA和RS485芯片后，返回给信号源。
双向判读：FPGA根据MVB/WTB通讯协议，自动识别发送帧和反馈帧(帧结构不同，可通过识别帧头、帧尾进行判读)，从而判读信号传输方向。
本发明基于双D/A转换器结构，采用高速描点技术，使两路D/A转换器完成高速列车MVB/WTB通讯信号模拟过程。以WTB信号为例，通过双D/A转换器描点模拟输出后，信号幅值变化范围：0.3V～5V；上升下降时间变化范围：0～100ns；抖动时间变化范围：0～90ns。在上述变化范围内，接收设备能够正常接收到WTB信号。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高速列车MVB/WTB通讯信号的模拟装置，其特征在于，包括：依次串联的数据转换模块、编解码模块、FIFO及采集转化模块；
其中，所述数据转换模块用于接收信号源发送的MVB/WTB通讯信号并转化为单端信号，输出至编解码模块；
所述编解码模块包括解码单元和编码单元，所述解码单元根据MVB/WTB通讯协议对接收到单端信号进行解码，提取出信号有效数据并依次存入FIFO中；所述编码单元读取FIFO中的数据并根据MVB/WTB通讯协议进行编码，输出数据帧至采集转化模块；
所述采集转化模块包括两路通道，两路通道上均设有DA芯片和放大器，两路DA芯片采集编解码模块输出的数据帧并转化为模拟信号；其中一路DA芯片输出MVB/WTB信号正端；另一路取其输出数值负值，输出MVB/WTB信号负端；放大器用于将DA转化的模拟信号进行放大并输出，最终获得MVB/WTB模拟差分信号。
2.如权利要求1所述的高速列车MVB/WTB通讯信号的模拟装置，其特征在于，所述数据转换模块采用RS485芯片。
3.如权利要求1所述的高速列车MVB/WTB通讯信号的模拟装置，其特征在于，所述解码单元和编码单元采用同一块FPGA芯片，采用Altera公司的Cyclone IV系列FPGA芯片。
4.如权利要求1所述的高速列车MVB/WTB通讯信号的模拟装置，其特征在于，采用高速DA芯片AD9708，8位分辨率，最高传输速率达125MSPS。
5.如权利要求1所述的高速列车MVB/WTB通讯信号的模拟装置，其特征在于，还包括一个信号接收模块，所述信号接收模块与编解码模块连接；所述信号接收模块用于接收反馈的MVB/WTB信号，并转化为单端信号输出至编解码模块；
编解码模块根据MVB/WTB通讯协议，对收到的数据帧进行发送帧和反馈帧的识别，如果收到的是反馈帧，则将反馈帧输出至数据转换模块，由数据转换模块反馈至信号源；如果收到的是由数据转换模块发送的发送帧，则对发送帧进行解码、编码后输出至读取及模拟模块，经读取及模拟模块生成MVB/WTB模拟信号。
6.一种采用如权利要求1～5任意一项所述的高速列车MVB/WTB通讯信号的模拟装置的通讯信号模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，数据转换模块接收信号源发送的MVB/WTB通讯信号并转化为单端信号，输出至解码模块；
步骤2，解码单元对接收到单端信号进行解码，提取出信号有效数据并依次存入FIFO中；其中，解码单元通过设置帧间存储时间的间隔时间参数，调整帧与帧之间的发送时间间隔，从而实现延时发送帧信号及调节信号帧间时间间隔功能；
步骤3，编码单元读取FIFO中的数据并进行编码，输出数据帧至采集转化模块；其中，编码单元通过改变其读取FIFO的读取速率，改变输出数值的保持时间，从而改变输出信号波形；
步骤4，采集转化模块中两路DA芯片采集编码单元输出的数据帧并转化为模拟信号，模拟MVB/WTB信号的正负端，经放大器放大后输出；其中，通过改变DA芯片参数，改变输出波形的幅值、波形斜率、以及抖动时间。
7.一种如权利要求6所述的通讯信号模拟方法，其特征在于，采用随机数产生随机数产生算法在配置参数的范围内生成随机数，DA芯片根据所述随机数改变其输出数值的保持时间，进而改变调节信号的抖动时间。
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