CN206099953U - 一种基于fpga处理器的无源应答器 - Google Patents

Abstract

一种基于FPGA处理器的无源应答器，实现在列车经过无源应答器上方时，接收车载天线发射的电磁能量并转换成电能，无源应答器被激活，并把存储在无源应答器中的应答器报文信息循环发送出去，直至电能消失(即车载天线已经离去)，无源应答器在没有列出通过时处于休眠状态。该设备包括天线模块、能量转换模块、FPGA处理器、存储模块、震荡调制发送模块、限幅保护电路、报文写入接口模块；本实用新型采用射频技术、电磁转换技术、FSK信号调制技术，能够在高速铁路上列车高速通过时，将应答器存储报文信息高速持续传输至车载设备。

Description

一种基于FPGA处理器的无源应答器

技术领域

本实用新型属于铁路信号设备应用领域，具体涉及一种基于FPGA处理器的无源应答器。

背景技术

应答器是列车运行控制系统中的重要基础设备之一。在CTCS-2列控系统中，通过使用应答器设备向车载设备传输大量的点式信息，如线路速度、线路坡度、轨道电路数据、临时限速等信息，根据地面提供的信息以及轨道电路提供的区段空闲信息，列控车载设备控制列车高速、安全运行。FSK(Frequency-shift keying)频移键控，它是利用基带数字信号离散值特点去键控载波频率以传递信息的一种数字调制技术，它的主要优点是：实现起来容易，抗噪声与抗衰减的性能较好。

近年来随着铁路运输的大提速，我国铁路部门根据我国铁路的特点，参照ERTMS/ETCS(欧洲铁路运输管理系统/欧洲列车控制系统)的要求制订了中国列车控制系统的标准(CTCS标准)。在这个标准中，应答器将作为必配的设备，须同时满足欧洲标准和我国的技术规范，可使列车控制系统的自动化程度进一步得到提高，也将使我国ATC系统的研制水平向更高的层次迈进，铁路运输的安全性得到更有力地保证。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种基于FPGA处理器的无源应答器，实现在列车经过无源应答器上方时，接收车载天线发射的电磁能量并转换成电能，无源应答器被激活，并把存储在无源应答器中的应答器报文信息循环发送出去，直至电能消失(即车载天线已经离去)，无源应答器在没有列出通过时处于休眠状态。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种基于FPGA处理器的无源应答器，以下简称无源应答器，它包括天线模块、能量转换模块、FPGA处理器、存储模块、震荡调制发送模块、限幅保护电路、报文写入接口模块；所述天线模块与能量转换模块、震荡调制发送模块、限幅保护电路相连接；所述能量转换模块与FPGA处理器相连接；所述FPGA处理器分别与存储模块、能量转换模块、震荡调制发送模块、报文写入接口模块相连接；

所述天线模块，用于接收外部BTM车载天线发射27.095MHZ磁场信号，同时向车载天线发送无源应答器报文信息；

所述能量转换模块，用于将天线模块传输的电信号进行整流、滤波及电压转换处理，输出无源应答器电路所需各种电压，同时分解出27.095MHZ信号传输至FPGA处理器；

所述FPGA处理器，用于读取存储模块中应答器报文并发送给震荡调制发送模块，同时完成无源应答器报文写入至存储模块；

所述存储模块，用于存储无源应答器报文信息；

所述震荡调制发送模块，用于发送出的应答器报文信息进行FSK调制、放大处理并传输至天线模块；同时震荡调制发送模块对天线模块接收的27.095MHZ信号进行滤波处理；

所述限幅保护电路，用于保护后级电路元器件，防止因天线模块接收27.095MHZ信号能量过大而损坏；

所述报文写入接口模块，用于提供应答器报文写入通信接口。

所述无源应答器，设计结构采用印制板固定于外壳，外壳内发泡胶灌封的方式；所述应答器外壳采用预埋螺母，方便印制板与壳体的固定；

所述无源应答器印制板，采用双面板，元器件全部集中放于一面，除元器件摆放位置、定位孔及布线外，其它位置采用镂空状。

所述能量转换模块，包括整流电路、稳压滤波电路、电压转换电路、比较电路和信号提取电路；

所述整流电路与稳压滤波电路相连接；所述稳压滤波电路与电压转换电路、比较电路相连接，所述电压转换电路与无源应答器各电路相连接；

所述整流电路，用于对天线模块输出信号的整流，输出直流信号传输至稳压滤波电路；

所述稳压滤波电路，用于对输入直流电压信号进行稳压、滤波，然后传输至电压转换电路；

所述电压转换电路，用于对稳压滤波电路输出电压进行DC/DC转换，并转换为各电路所需的直流电压；

所述比较电路，用于提供FPGA处理器所需的复位信号；当比较电路输入采用信号大于设定限值电压时，输出高电平；反之，比较电路输出低电平；

所述信号提取电路，用于从天线模块接收磁场信号中提取出27.095MHZ频率信号并传输至FPGA处理器。

所述FPGA处理器，采用超低功耗、小容量、宽温FPGA芯片；所述FPGA芯片工作时钟，采用能量转换模块提取出27.095MHZ信号作为工作时钟；

所述存储模块，采用可读写EEPROM存储芯片。

所述震荡调制发送模块，包括震荡调制电路、放大电路、27M陷波器；所述震荡调制电路分别与FPGA处理器、放大电路相连接；所述放大电路与27M陷波器相连接；所述27M陷波器与天线模块相连接；

所述震荡调制电路，用于产生3.951MHZ和4.516MHZ载波信号，同时将接收FPGA处理器传输的原始报文基带数字信号对产生的3.951MHZ和4.516MHZ载波信号进行调制，经调制后输出FSK信号传输至放大电路；

所述放大电路，用于对震荡调制电路输入信号进行放大、滤波处理后传输至天线模块；

所述27M陷波器，用于对天线模块传输至震荡调制发送电路27.095MHZ信号进行滤波，防止27.095MHZ信号干扰震荡调制发送电路的信号处理。

所述报文写入接口模块，用于外部应答器报文专用写入工具向无源应答器写入报文的通信接口，通信方式采用RS485；所述报文写入接口模块与外部设备通过有线方式进行连接。

采用上述技术方案的本实用新型，它具有以下优点：

(1)本实用新型采用射频技术、电磁转换技术、FSK信号调制技术，能够在高速铁路上列车高速通过时，将应答器存储报文信息高速持续传输至车载设备。

(2)本实用新型设备无外部电源接口，在正常情况下处于无源关闭状态，当列车高速通过时能够将车载天线发射27MHZ磁场信号转换为电能为设备供电，设备安装方便、可靠性高。

附图说明

图1为本实用新型的结构图。

图2为本实用新型的数据处理流程图。

具体实施方式

下面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描述，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于FPGA处理器的无源应答器，它包括天线模块、能量转换模块、FPGA处理器、存储模块、震荡调制发送模块、限幅保护电路、报文写入接口模块；所述天线模块与能量转换模块、震荡调制发送模块、限幅保护电路相连接；所述能量转换模块与FPGA处理器相连接；所述FPGA处理器分别与存储模块、能量转换模块、震荡调制发送模块、报文写入接口模块相连接；

天线模块接收外部BTM车载天线发射27.095MHZ磁场信号并传输至能量转换模块，能量转换模块将天线模块传输的电信号进行整流、滤波及电压转换处理，输出无源应答器电路所需各种电压，同时分解出27.095MHZ信号传输至FPGA处理器；FPGA处理器收到激活信号后，读取存储模块中应答器报文信息并发送给震荡调制发送模块；震荡调制发送模块对发送出的应答器报文信息进行FSK调制、放大处理并传输至天线模块发射出去；当无源应答器需要报文写入时，由外部应答器报文专用工具通过报文写入接口模块进行应答器报文写入；

所述存储模块，用于存储无源应答器报文信息；

所述限幅保护电路，用于保护后级电路元器件，防止因天线模块接收27.095MHZ信号能量过大而损坏；

所述报文写入接口模块，用于提供应答器报文写入通信接口。

所述无源应答器，设计结构采用印制板固定于外壳，外壳内发泡胶灌封的方式；所述应答器外壳采用预埋螺母，方便印制板与壳体的固定；

所述无源应答器印制板，采用双面板，元器件全部集中放于一面，除元器件摆放位置、定位孔及布线外，其它位置采用镂空状。

所述能量转换模块，包括整流电路、稳压滤波电路、电压转换电路、比较电路和信号提取电路；

所述整流电路与稳压滤波电路相连接；所述稳压滤波电路与电压转换电路、比较电路相连接，所述电压转换电路与无源应答器各电路相连接；

所述整流电路，用于对天线模块输出信号的整流，输出直流信号传输至稳压滤波电路；

所述稳压滤波电路，用于对输入直流电压信号进行稳压、滤波，然后传输至电压转换电路；

所述电压转换电路，用于对稳压滤波电路输出电压进行DC/DC转换，并转换为各电路所需的直流电压；

所述比较电路，用于提供FPGA处理器所需的复位信号；当比较电路输入采用信号大于设定限值电压时，输出高电平；反之，比较电路输出低电平；

所述信号提取电路，用于从天线模块接收磁场信号中提取出27.095MHZ频率信号并传输至FPGA处理器。

所述FPGA处理器，采用超低功耗、小容量、宽温FPGA芯片；所述FPGA芯片工作时钟，采用能量转换模块提取出27.095MHZ信号作为工作时钟；

所述存储模块，采用可读写EEPROM存储芯片。

所述震荡调制发送模块，包括震荡调制电路、放大电路、27M陷波器；所述震荡调制电路分别与FPGA处理器、放大电路相连接；所述放大电路与27M陷波器相连接；所述27M陷波器与天线模块相连接；

所述震荡调制电路，用于产生3.951MHZ和4.516MHZ载波信号，同时接收FPGA处理器传输的原始报文基带数字信号对产生的3.951MHZ和4.516MHZ载波信号进行调制，经调制后输出FSK信号传输至放大电路；

所述放大电路，用于对震荡调制电路输入信号进行放大、滤波后传输至天线模块；

所述27M陷波器，用于对天线模块传输至震荡调制发送电路27.095MHZ信号进行滤波，防止27.095MHZ信号干扰震荡调制发送电路的信号处理。

所述报文写入接口模块，用于外部应答器报文专用写入工具向无源应答器写入报文的通信接口，通信方式采用RS485；所述报文写入接口模块与外部设备通过有线方式进行连接。

一种基于FPGA处理器的无源应答器处理的方法，它包含如下步骤：

①、列车通过无源应答器时，无源应答器接收27.095MHZ磁场信号并转换为电能，设备启动；

②、无源应答器启动后，FPGA处理器读取EEPROM存储的报文信息并传输至震荡调制发送模块；

③、无源应答器震荡调制发送模块对产生的载波信号进行FSK调制、放大后，将应答器报文经天线模块发射给外部车载设备天线；

④、无源应答器报文需要修改时，通过外部应答器报文专用写入工具进行无源应答器报文写入操作。

步骤1中，所述无源应答器电能获取，通过无源应答器天线模块接收外部车载设备天线发射27.095MHZ磁场信号，经能量转换模块转换为无源应答器所需各种电压；当天线模块接收的27.095MHz电磁信号达到设定值时，无源应答器设备启动；所述无源应答器获取27.095MHZ磁场信号，一方面转换为设备所需电能信号给设备各电路供电，另一方面从接收磁场信号中分解出27.095MHZ信号作为无源应答器FPGA处理时钟输入信号；

所述无源应答器在没有列车经过时，处于失电关闭状态；

所述无源应答器27.095MHZ磁场信号接收，通过一个双工的收发天线进行磁场信号接收；

所述无源应答器在接收27.095MHZ磁场信号时，内置有限幅保护电路；当外部车载设备天线发射的27.095MHZ信号能量大到一定值时，限幅电路开始限幅并限制在设定值上，从而起到保护应答器的功能。

步骤2中，所述无源应答器报文读取，无源应答器FPGA处理器在读条件有效时启动读EEPROM的操作；所述无源应答器FPGA处理器读条件有效包括：上电复位结束；所述无源应答器FPGA处理器上电复位信号，通过无源应答器内部电路比较器的输出产生；

所述比较器，在电源刚启动电压较低的区段，比较器的采样电平低于参考电平，比较器输出为低电平；当电源电压达到一定值时，比较器的采样电平高于参考电平，比较器输出为高电平；

所述写EEPROM操作结束，通过检查数据写入完成结束标志进行判断。

步骤3中，所述震荡调制发送模块，用于对FPGA处理器发送出的应答器报文信息进行FSK调制和放大；所述应答器报文信息来自于FPGA处理器；

所述载波信号产生，通过RC多谐振荡器产生,产生信号频率分别为3.951MHZ和4.516MHZ；所述FSK信号调制，由FPGA送出的二进制原始报文作为基带数字信号，二进制1和0作为条件去控制高速开关的通断，开关不同的状态下接入谐振电路的电容值不同，调整电容的大小使基带信号的0和1分别对应3.951MHZ和4.516MHZ；调制后FSK信号，经放大电路进行信号放大后送至天线模块发射出去。

步骤4中，所述无源应答器报文写入，通过外部应答器报文专用写入工具进行报文信息写入；

所述无源应答器报文信息写入，通过无源应答器内置485通信接口芯片接收应答器报文专用写入工具传过来的数据进行实现；当无源应答器收到正确的数据头并且字节个数正确时，FPGA处理器启动写EEPROM的操作，写操作完成后再启动读EEPROM的操作，将读取的数据存入缓存中，通过无源应答器内置485通信接口芯片再回传给外部应答器报文专用写入工具。

如图2所示，当天线模块接收到27.095MHz的磁场信号时，将感应磁场信号转换为电信号传输至能量转换模块，能量转换模块对输入信号进行整流、滤波及电压转换，提取出27.095MHZ信号作为FPGA处理器时钟信息，同时经内部比较器产生一个“复位信号”给FPGA处理器，FPGA处理器接收到这两个信号后开始工作，从存储芯片中读取存储的报文送给震荡调制发送模块进行信号调制，震荡调制发送模块对产生载波信号调制、放大处理后通过天线模块发送出去；在无源应答器被激活期间，一直发送该报文，直至电源能量消失；

当无源应答器需要报文写入时，由外部应答器报文专用写入工具进行报文信息写入。

本实用新型采用射频技术、电磁转换技术、FSK信号调制技术，能够在高速铁路上列车高速通过时，将应答器存储报文信息高速持续传输至车载设备。

本实用新型设备无外部电源接口，在正常情况下处于无源关闭状态，当列车高速通过时能够将车载天线发射27MHZ磁场信号转换为电能为设备供电，设备安装方便、可靠性高。

Claims (6)

1.一种基于FPGA处理器的无源应答器，其特征在于，它包括天线模块、能量转换模块、FPGA处理器、存储模块、震荡调制发送模块、限幅保护电路、报文写入接口模块；所述天线模块与能量转换模块、震荡调制发送模块、限幅保护电路相连接；所述能量转换模块与FPGA处理器相连接；所述FPGA处理器分别与存储模块、能量转换模块、震荡调制发送模块、报文写入接口模块相连接；

所述天线模块，用于接收外部BTM车载天线发射27.095MHZ磁场信号，同时向车载天线发送无源应答器报文信息；

所述能量转换模块，用于将天线模块传输的电信号进行整流、滤波及电压转换处理，输出无源应答器电路所需各种电压，同时分解出27.095MHZ信号传输至FPGA处理器；

所述FPGA处理器，用于读取存储模块中应答器报文并发送给震荡调制发送模块，同时完成无源应答器报文写入至存储模块；

所述存储模块，用于存储无源应答器报文信息；

所述震荡调制发送模块，用于发送出的应答器报文信息进行FSK调制、放大处理并传输至天线模块；同时震荡调制发送模块对天线模块接收的27.095MHZ信号进行滤波处理；

所述限幅保护电路，用于保护后级电路元器件，防止因天线模块接收27.095MHZ信号能量过大而损坏；

所述报文写入接口模块，用于提供应答器报文写入通信接口。

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA处理器的无源应答器，其特征是：所述无源应答器，设计结构采用印制板固定于外壳，外壳内发泡胶灌封的方式；所述应答器外壳采用预埋螺母，方便印制板与壳体的固定；

所述无源应答器印制板，采用双面板，元器件全部集中放于一面，除元器件摆放位置、定位孔及布线外，其它位置采用镂空状。

3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA处理器的无源应答器，其特征是：所述能量转换模块，包括整流电路、稳压滤波电路、电压转换电路、比较电路和信号提取电路；

所述整流电路与稳压滤波电路相连接；所述稳压滤波电路与电压转换电路、比较电路相连接，所述电压转换电路与无源应答器各电路相连接；

所述整流电路，用于对天线模块输出信号的整流，输出直流信号传输至稳压滤波电路；

所述稳压滤波电路，用于对输入直流电压信号进行稳压、滤波，然后传输至电压转换电路；

所述电压转换电路，用于对稳压滤波电路输出电压进行DC/DC转换，并转换为各电路所需的直流电压；

所述比较电路，用于提供FPGA处理器所需的复位信号；当比较电路输入采用信号大于设定限值电压时，输出高电平；反之，比较电路输出低电平；

所述信号提取电路，用于从天线模块接收磁场信号中提取出27.095MHZ频率信号并传输至FPGA处理器。

4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA处理器的无源应答器，其特征是：所述FPGA处理器，采用超低功耗、小容量、宽温FPGA芯片；所述FPGA芯片工作时钟，采用能量转换模块提取出27.095MHZ信号作为工作时钟；

所述存储模块，采用可读写EEPROM存储芯片。

5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA处理器的无源应答器，其特征是：所述震荡调制发送模块，包括震荡调制电路、放大电路、27M陷波器；所述震荡调制电路分别与FPGA处理器、放大电路相连接；所述放大电路与27M陷波器相连接；所述27M陷波器与天线模块相连接；

所述震荡调制电路，用于产生3.951MHZ和4.516MHZ载波信号，同时将接收FPGA处理器传输的原始报文基带数字信号对产生的3.951MHZ和4.516MHZ载波信号进行调制，经调制后输出FSK信号传输至放大电路；

所述放大电路，用于对震荡调制电路输入信号进行放大、滤波处理后传输至天线模块；

所述27M陷波器，用于对天线模块传输至震荡调制发送电路27.095MHZ信号进行滤波，防止27.095MHZ信号干扰震荡调制发送电路的信号处理。

6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA处理器的无源应答器，其特征是：所述报文写入接口模块，用于外部应答器报文专用写入工具向无源应答器写入报文的通信接口，通信方式采用RS485；所述报文写入接口模块与外部设备通过有线方式进行连接。