基于STC12C5A高精度铁路移频发生器的设计

　　摘要本文描述了利用STC12C5A系列单片机为主控核心和AD9833芯片实现连续相位的移频信号的设计，通过铁路专用移频表的测量和校验，AD9833在单片机的控制下所产生的连续相位的FSK移频信号，误差均在0.1Hz以下，可见该移频信号具有极高的精度。

　　关键词 STC12C5A；铁路移频；连续相位；AD9833

　　0 引言

　　移频信号是铁路信号系统对调制信号的特殊描述。ZPW-2000系列是一种利用钢轨传送移频信号，实现区段抗干扰的无绝缘移频轨道电路，该电路选用了四种载频信号，分别是1700Hz，2300Hz和2000Hz，2600Hz，其中，1700Hz，2300Hz频率信号交替配置应用于下行线，2000Hz，2600Hz频率信号交替配置用于上行线，频偏为11Hz，低频从10. 3Hz开始按1.1Hz等差数列递增至29Hz[1]。

　　文章在对连续相位移频信号分析的基础上，利用STC12C5A系列单片机为主控核心和AD9833芯片实现连续相位的移频信号的设计，并使用铁路专用移频表进行测量和校验，结果表明，在任何频率下，该信号误差均在0.1Hz以下，可见该移频信号具有极高的精度。

　　1 铁路移频信号表达形式

　　铁路移频率信号的生成方法有很多种，主要采用移频键控生成方法。在移频轨道电路中，相位连续[2-3]的移频信号表达式为

　　（1）

　　其中，频率偏移量为

　　瞬时相位可由载波信号经低频调制后计算得出：

　　（2）

　　经低频信号调制后，f1是输出负脉冲时的频率，f2是输出正脉冲时的频率，其交替变换的速率即调制信号的频率，也就是低频信息。

　　2 利用单片机产生铁路移频信号

　　2.1 STC12C5A系列处理器

　　STC12C5A系列单片机具有高速、低功耗、超强抗干扰的特点，兼容传统8051，工作电压低、频率范围宽、程序空间大、集成专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D，被广泛应用于强干扰场合。

　　2.2 AD9833芯片

　　AD9833采用先进的直接数字合成技术集成高性能10位DAC的DDS芯片[5]，实现全数字编程控制，结合时钟源，方便实现各种调制方式输出信号，如QAM、FSK、PSK和GMSK等。

　　AD9833采用两个频率寄存器来保存上边频f1和下边频率f2，当FSELECT为低电平时，FREQ0中的内容被送到累加器进行相位相加，产生上边频f1波形；当FSELECT为高电平时，FREQ1中的内容被送到累加器进行相位相加，产生下边频f2的波形。

　　2.3 连续相位FSK信号

　　使用图1所示的电路图产生FSK移频信号，电路图中描述了STC12C5A单片机和AD9833的具体连接方式。

　　图1 系统连接图

　　当FSYNC为低电平时，向AD9833写入信号，SCLK信号在下一个脉冲的下降沿读入第一位，在随后的16个下降沿脉冲中读入16位数据，接着置SCLK为高电平，SDATA为串行数据输入端。

　　单片机通过采集处编码的变化，用于控制对应的上、下边频频率控制字，并送入相应的寄存器FREQ0和FREQ1中，以便输出不同的载频信号。

　　2.4 软件设计

　　根据设计的需要，采用模块化进行软件设计，由以下几个模块组成，初始化程序模块、单片机控制程序模块和定时中断程序模块。初始化程序模块主要的任务是单片机初始化设置和AD9832初始化配置。系统上电后，采用查询方法对外界编码条件进行扫描，读取相应的电平信号，当外界编码条件没有发生改变时，单片机送频率控制字，当外界编码条件被改变时，则重新送不同的频率控制字；并输出移频信号，直到定时时间到，如图2软件流程图。

　　图2 软件流程图

　　3 实验分析

　　AD9833的工作时钟为10MHz，精度可达0.04Hz的分辨率，通过移频信号检测仪对输出两种制式的载频与低频的FSK信号进行测量并记录相关数据，数据如表1和表2所示。

　　从表1可以看出，载频误差最大的只有0.22Hz。表2可以看出，信号误差最大的只有0.1Hz，都能满足精度要求。

　　最后，利用频谱分析仪观察移频信号的能量，低频信号从10.3～29Hz逐渐增高，其中心频率相对能量幅值占总能量幅值范围的0.59～0.94，都有很高的相对能量幅度，与文献[1]结果一致。

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