CN111016973A - 一种互联互通地铁信标定位处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种互联互通地铁信标定位处理系统，该系统包括车载信号处理板卡、车载天线、应答器天线、地面应答器和信标，所述的应答器天线安装于机车上，连接车载信号处理板卡，所述的地面应答器分别与车载天线、应答器天线连接，所述的应答器天线与信标匹配设置；所述的地面应答器被车载天线发送的功率载波激活后，发送报文数据至应答器天线，当应答器天线经过信标的电气中心点时，应答器天线产生的信标中心点信号发送至车载信号处理板卡，所述的车载信号处理板卡通过信标中心点信号确定信标中心点。与现有技术相比，本发明具有高效率、高精度等优点。
Description
技术领域
本发明涉及铁路通信信号领域，尤其是涉及一种互联互通地铁信标定位处理系统。
背景技术
欧标应答器天线是铁路应答系统重要组成部分，也是ATP系统中的重要设备。欧标应答器天线作为车载设备，安装在机车底部的中间位置，利用电磁感应技术，通过非接触的方式实现与地面应答器之间的能量和数据传输。
应答器天线通过A4接口车载天线向应答器提供工作电源，车载天线发送频率为27.095MHz的功率载波，通过远程天线发送给应答器。当地面应答器被功率载波激活后，通过A1接口将报文数据进行FSK调制方式发送给应答器天线。应答器天线经过信标电气中心点时，应答器天线能够准确产生中心点信号信标中心点信号。
但是现有的应答器天线存在实时性差、效率低下以及存在一定的安全隐患等问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种互联互通地铁信标定位处理系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种互联互通地铁信标定位处理系统，该系统包括车载信号处理板卡、车载天线、应答器天线、地面应答器和信标，所述的应答器天线安装于机车上，连接车载信号处理板卡，所述的地面应答器分别与车载天线、应答器天线连接，所述的应答器天线与信标匹配设置；
所述的地面应答器被车载天线发送的功率载波激活后，发送报文数据至应答器天线，当应答器天线经过信标的电气中心点时，应答器天线产生的信标中心点信号发送至车载信号处理板卡，所述的车载信号处理板卡通过信标中心点信号确定信标中心点。
优选地，所述的车载信号处理板卡通过应答器天线接口采集车辆位移信息，所述的车载信号处理板卡的功能链路对车辆位置信息进行解调、解码处理，并将得到信息送到cPCI总线接口供应用层软件板读取。
优选地，所述的功能链包括FSK处理链路和中心点信号处理链路，所述的FSK处理链路完成系统报文采集功能，所述的中心点信号处理链路完成系统安全定位功能。
优选地，所述的FSK处理链路包括依次连接的隔离自适应模块、AD采样模块、数字滤波模块、FSK解调模块、时钟恢复模块和报文解码模块。
优选地，所述的隔离自适应模块包括天线接收接口、限幅器、低通滤波器和低噪声放大器，用于完成对FSK±信号的预处理；
所述的AD采样模块用于将FSK模拟信号通过AD芯片转换成12位数字信号，送进FPGA处理；
所述的数字滤波模块采用16阶FIR带通数字滤波器，通过直接调用FPGA自带IP核fir_compiler来实现；
所述的FSK解调模块用于对FIR数字滤波器的输出结果直接进行解调，并用两种完全独立的解调方法来保证上下模块处理相异性，其中上模块采用差分解调，下模块采用正交解调；
所述的时钟恢复模块用于恢复FSK码流的码元时钟，以读取FSK码元码流。
优选地，所述的报文解码模块包括：
选窗处理单元，用于以564.5kbaud的速率移位寄存码流，缓存1100位，检测1100位数据的前77位和后77位是否相同，如果相同，则将数据输出，不同则继续移位；
CRC单元，基于递归算法特性进行CRC计算，
同步单元，用于将CRC单元最后计算得到的低十位数据作为同步查码表的地址，读取查码表中的数值，用其作为同步偏移量，对冗余位比较正确的1023位数据移此偏移量个比特，即为报文起始位置；
打时间戳单元，使用ATCkey对同步之后的信号打上时间戳。
优选地，所述的CRC单元包括：
CRC校验模块，对FSK信号进行75阶CRC校验；
CRC计算模块，在‘输入码流多项式’被生成多项式整除时，提供一个CRC正确信号，该模块输出75‘b0信号；将冗余位比较正确的1023位数据，从最高位开始以11位为一个窗格与此多项式进行异或运算，得到的11位结果的低10位左移一位，最高位丢弃，最低位由1023位数据从高到低的后续数据位补齐，然后将得到的11位结果与多项式进行异或运算，如此循环，直至1023位数据的最低位。
优选地，所述的中心点信号处理链路采用2取2组合故障安全原理，包括第一中心点信号处理链路和第二中心点信号处理链路。
优选地，所述的第一中心点信号处理链路和第二中心点信号处理链路分别包括依次连接的中心点信号处理隔离自适应模块、中心点信号处理时钟恢复模块、中心点信号检测模块和中心点信号处理模块；
所述的中心点信号处理隔离自适应模块，用于接收信标天线送来的数字中心点信号，实现信号匹配并保证与天线间的绝缘电压；
所述的中心点信号处理时钟恢复模块，用于恢复中心点信号码流的码元时钟，以读取中心点信号码元码流；
所述的中心点信号检测模块包括FM0解码和CRC校验；
由于第一中心点信号与第二中心点信号来自天线相互独立的两个通道，所述的中心点信号处理模块通过比较两路中心点信号差异来确定定位信息是否可用。
优选地，所述的中心点信号处理链路还包括安全检测电路，经过中心点信号处理模块的2路中心点信号进入安全检测电路来比较双通道的同步性。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、自主设计实现了一个满足中城协互联互通协议的BTM系统。
2、整套定位电路采用组合故障及固有故障安全原理，满足系统安全要求。
3、依据提出的系统结构，自主设计了相关板卡及FPGA逻辑。
4、创新设计了部分传感器信号、车载机笼信号硬件实现电路。
5、整套定位电路实时处理，无存储，延时小，效率高。
6、提供了一种高效率、高精度的互联互通地铁信标定位解决方案，为国内互联互通轨道交通提供了一种新的方案，丰富了专业领域创新力。
附图说明
图1为本发明的车载信号处理板卡的功能链结构框图；
图2为本发明的FM0编码示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明的原理：应答器天线通过A4接口车载天线向应答器提供工作电源，车载天线发送频率为27.095MHz的功率载波，通过远程天线发送给应答器。当地面应答器被功率载波激活后，通过A1接口将报文数据进行FSK调制方式发送给应答器天线。应答器天线经过信标电气中心点时，应答器天线能够准确产生中心点信号信标中心点信号。
对于动态信标，信号处理板通过信标天线信号确定信标中心点，所确定信标中心点精度不超过5cm，信标报文解析正确。
本发明互联互通地铁信标定位处理系统，该系统包括车载信号处理板卡、车载天线、应答器天线、地面应答器和信标，所述的应答器天线安装于机车上，连接车载信号处理板卡；所述的地面应答器被车载天线发送的功率载波激活后，发送报文数据至应答器天线，当应答器天线经过信标电气中心点时，应答器天线产生的信标中心点信号发送至车载信号处理板卡，所述的车载信号处理板卡通过信标中心点信号确定信标中心点。
所述的车载信号处理板卡通过应答器天线接口采集车辆位移信息，所述的车载信号处理板卡的功能链对车辆位置信息进行解调、解码处理，并将得到信息送到cPCI总线接口供应用层软件板读取。
如图1所示，所述的功能链包括FSK处理链路和中心点信号处理链路，所述的FSK处理链路完成系统报文采集功能，所述的中心点信号处理链路完成系统安全定位功能。
所述的FSK处理链路包括依次连接的隔离自适应模块、AD采样模块、数字滤波模块、FSK解调模块、时钟恢复模块和报文解码模块，生成用户报文。
所述的隔离自适应模块包括天线接收接口、限幅器、低通滤波器和低噪声放大器，用于完成对FSK±信号的预处理。天线接收接口实现输入信号的自适应，同时保证与天线间的500VAC绝缘电压；限幅器用于保护AD芯片，保证其模拟输入未超限(±1V)；低通滤波器为一无源滤波器，用于对FSK信号进行降噪，特别是衰减27MHz频率分量信号，滤波器的截止频率为6.5MHz±10％,且在27MHz的最小频率衰减为60dB。在频率范围3.7Mhz-4.7Mhz内，滤波器延迟小于50ns，衰减小于0.5dB。该滤波器不会改变信号的动态性能，其脉冲响应低于1us；低噪放大器的增益约为2.11dB，可将滤波后信号放大，以匹配AD的最大动态范围。
所述的AD采样模块用于将FSK模拟信号通过AD芯片转换成12位数字信号，送进FPGA处理。
所述的数字滤波模块在FPGA中实现，16阶FIR带通数字滤波器直接调用FPGA自带IP核fir_compiler。该滤波器在(3.7MHz-4.7MHz)间群时延变化为0，波纹小于1dB，波形失真小，脉冲响应小于800ns，滤波器增益与输出总线宽度匹配。
所述的FSK解调模块对FIR数字滤波器的输出结果直接进行解调，并用两种完全独立的解调方法来保证上下模块处理相异性:上模块采用差分解调，下模块采用正交解调。
所述的时钟恢复模块用于恢复FSK码流的码元时钟，以读取FSK码元码流(波特率564.5kbaud)。
所述的报文解码模块包括选窗、CRC、同步、打时间戳。选窗模块以564.5kbaud的速率移位寄存码流，缓存1100位，检测1100位数据的前77位和后77位是否相同，如果相同，则将数据输出，不同则继续移位；CRC计算使用了一种递归算法，基于递归算法特性，CRC计算必须在信息开始处开始，并在信息结束处结束。通过“CRC reset”模块实现该功能，CRC校验模块对FSK信号进行75阶CRC校验，CRC计算模块在‘输入码流多项式’被生成多项式整除时，提供一个CRC正确信号，该模块输出75‘b0信号；将冗余位比较正确的1023位数据，从最高位开始以11位为一个窗格与此多项式进行异或运算，得到的11位结果的低10位左移一位，最高位丢弃，最低位由1023位数据从高到低的后续数据位补齐，然后将得到的11位结果与多项式进行异或运算，如此循环，直至1023位数据的最低位。将最后得到的数据的低十位数据作为同步查码表的地址，读取查码表中的数值，用其作为同步偏移量，对冗余位比较正确的1023位数据移此偏移量个比特，即为报文起始位置；同时使用ATCkey对同步之后的信号打上时间戳，避免送给ATC的信标信息过时。打上时间戳的信息通过cPCI总线传送给ATC。
所述的中心点信号处理链路采用2取2组合故障安全原理，包括第一中心点信号处理链路和第二中心点信号处理链路。
所述的第一中心点信号处理链路和第二中心点信号处理链路分别包括依次连接的中心点信号处理隔离自适应模块、中心点信号处理时钟恢复模块、中心点信号检测模块和中心点信号处理模块。
所述的中心点信号处理隔离自适应模块用于接收信标天线送来的数字中心点信号(RS-485)，实现信号匹配并保证与天线间的绝缘电压。
所述的中心点信号处理时钟恢复模块用于恢复中心点信号码流的码元时钟，以读取中心点信号码元码流(波特率141.1kbaud)。
所述的中心点信号检测模块包括FM0解码和CRC校验。天线送出中心点信号信息给信号处理板板时,该信息为FM0编码。FM0解码流程开始于检测到固定帧头，其后的数据满足：FM0编码一个数据位被编成2个码位，原理如图2所示，编码源一般为非归零编码，编码时，‘1’编为‘11’/‘00’，‘0’编为‘10’/‘01’,而两个码元间必须跳变，否则为‘Non-Data’或‘Silence’。在FM0解码时，任意4个连续码元排列形式按表1解码，其中X、X+1表示两个连续码元，A、B表示一个码元的前后两部分。FM0解码过程串行处理信号，中间无锁存。
表1
| Data A(x) | Data B(x) | Data A(x+1) | Data B(x+1) | Symbol(x) |
| 0 | 0 | 0 | 0 | Silence |
| X | 0 | 0 | 1 | Non-Data |
| 0 | 0 | 1 | X | Data one |
| 0 | 1 | 0 | X | Data zero |
| 0 | 1 | 1 | X | Non-Data |
| 1 | 0 | 0 | X | Non-Data |
| 1 | 0 | 1 | X | Data zero |
| 1 | 1 | 0 | X | Data one |
| X | 1 | 1 | 0 | Non-Data |
| 1 | 1 | 1 | 1 | Silence |
CRC通过一个递归结构得到，该模块串行输入中心点信号码流。若CRC校验正确，产生一个中心点信号CRC脉冲。
由于第一中心点信号与第二中心点信号来自天线相互独立的两个通道，所述的中心点信号处理模块通过比较两路中心点信号差异来确定定位信息是否可用。
所述的中心点信号处理链路还包括安全检测电路，经过中心点信号处理模块的2路中心点信号进入安全检测电路来比较双通道的同步性。此电路采用固有故障安全原理，使用一种特殊电阻确保电路失效时定位信号导向安全侧。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种互联互通地铁信标定位处理系统，其特征在于，该系统包括车载信号处理板卡、车载天线、应答器天线、地面应答器和信标，所述的应答器天线安装于机车上，连接车载信号处理板卡，所述的地面应答器分别与车载天线、应答器天线连接，所述的应答器天线与信标匹配设置；
所述的地面应答器被车载天线发送的功率载波激活后，发送报文数据至应答器天线，当应答器天线经过信标的电气中心点时，应答器天线产生的信标中心点信号发送至车载信号处理板卡，所述的车载信号处理板卡通过信标中心点信号确定信标中心点。
2.根据权利要求1所述的一种互联互通地铁信标定位处理系统，其特征在于，所述的车载信号处理板卡通过应答器天线接口采集车辆位移信息，所述的车载信号处理板卡的功能链路对车辆位置信息进行解调、解码处理，并将得到信息送到cPCI总线接口供应用层软件板读取。
3.根据权利要求2所述的一种互联互通地铁信标定位处理系统，其特征在于，所述的功能链包括FSK处理链路和中心点信号处理链路，所述的FSK处理链路完成系统报文采集功能，所述的中心点信号处理链路完成系统安全定位功能。
4.根据权利要求3所述的一种互联互通地铁信标定位处理系统，其特征在于，所述的FSK处理链路包括依次连接的隔离自适应模块、AD采样模块、数字滤波模块、FSK解调模块、时钟恢复模块和报文解码模块。
5.根据权利要求4所述的一种互联互通地铁信标定位处理系统，其特征在于，所述的隔离自适应模块包括天线接收接口、限幅器、低通滤波器和低噪声放大器，用于完成对FSK±信号的预处理；
所述的AD采样模块用于将FSK模拟信号通过AD芯片转换成12位数字信号，送进FPGA处理；
所述的数字滤波模块采用16阶FIR带通数字滤波器，通过直接调用FPGA自带IP核fir_compiler来实现；
所述的FSK解调模块用于对FIR数字滤波器的输出结果直接进行解调，并用两种完全独立的解调方法来保证上下模块处理相异性，其中上模块采用差分解调，下模块采用正交解调；
所述的时钟恢复模块用于恢复FSK码流的码元时钟，以读取FSK码元码流。
6.根据权利要求4所述的一种互联互通地铁信标定位处理系统，其特征在于，所述的报文解码模块包括：
选窗处理单元，用于以564.5kbaud的速率移位寄存码流，缓存1100位，检测1100位数据的前77位和后77位是否相同，如果相同，则将数据输出，不同则继续移位；
CRC单元，基于递归算法特性进行CRC计算，
同步单元，用于将CRC单元最后计算得到的低十位数据作为同步查码表的地址，读取查码表中的数值，用其作为同步偏移量，对冗余位比较正确的1023位数据移此偏移量个比特，即为报文起始位置；
打时间戳单元，使用ATCkey对同步之后的信号打上时间戳。
7.根据权利要求6所述的一种互联互通地铁信标定位处理系统，其特征在于，所述的CRC单元包括：
CRC校验模块，对FSK信号进行75阶CRC校验；
CRC计算模块，在‘输入码流多项式’被生成多项式整除时，提供一个CRC正确信号，该模块输出75‘b0信号；将冗余位比较正确的1023位数据，从最高位开始以11位为一个窗格与此多项式进行异或运算，得到的11位结果的低10位左移一位，最高位丢弃，最低位由1023位数据从高到低的后续数据位补齐，然后将得到的11位结果与多项式进行异或运算，如此循环，直至1023位数据的最低位。
8.根据权利要求3所述的一种互联互通地铁信标定位处理系统，其特征在于，所述的中心点信号处理链路采用2取2组合故障安全原理，包括第一中心点信号处理链路和第二中心点信号处理链路。
9.根据权利要求8所述的一种互联互通地铁信标定位处理系统，其特征在于，所述的第一中心点信号处理链路和第二中心点信号处理链路分别包括依次连接的中心点信号处理隔离自适应模块、中心点信号处理时钟恢复模块、中心点信号检测模块和中心点信号处理模块；
所述的中心点信号处理隔离自适应模块，用于接收信标天线送来的数字中心点信号，实现信号匹配并保证与天线间的绝缘电压；
所述的中心点信号处理时钟恢复模块，用于恢复中心点信号码流的码元时钟，以读取中心点信号码元码流；
所述的中心点信号检测模块包括FM0解码和CRC校验；
由于第一中心点信号与第二中心点信号来自天线相互独立的两个通道，所述的中心点信号处理模块通过比较两路中心点信号差异来确定定位信息是否可用。
10.根据权利要求9所述的一种互联互通地铁信标定位处理系统，其特征在于，所述的中心点信号处理链路还包括安全检测电路，经过中心点信号处理模块的2路中心点信号进入安全检测电路来比较双通道的同步性。
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