来源：《电子技术应用》

摘要：为适应我国高速列车自动控制系统发展的需要，提出采用双cpu加fpga的系统设计方案，实现移频信号发送。在保证移频信号高相位精度的前提下，实现系统的自动多载频信号切换和实时故障检测。 关键词：cpu fpga 移频 故障检测 移频信号全称为移键控信号（frequency-shift keying），利用高频信号承载低频信号，具有抗干扰能力强、传输距离远等优点，是现代铁路机车行驶中的速度控制信号。它可以准确确定列车的位置，与铁路机车安全运行有密切的关系。为确保信号接收系统接收到准确、实时有效的信号，要求移频信号发送系统在发送高精度移频信号的同时，能够保证自身系统的故障检测。

现有的移频信号发送系统，使用特定频率晶振和cmos器件，频率相位精度低、通用性差，无法实现多载频信号之间的自动切换，而且自检能力不高，不能达到实时故障检测，无法适应我国高速列车发展的需要[1]。因此，设计一种新型的移频信号发送系统就成为一个迫在眉睫的问题。本文提出采用双cpu保护下的fpga系统实现移频信号发送的设计方案，以fpga为系统核心，采用固定16mhz频率晶振，完成cpu时序控制下fpga的逻辑功能。在保证移频信号高相位精度的前提下，实现了系统的自动多载频信号切换和实时故障检测。 1 fpga芯片 本文选用的fpga芯片是xilinx公司推出的xc4005e-4ipq100,该类型芯片具有5000最大逻辑门（max logic gate），其中可配置逻辑模块（clb）196个，以14×14矩阵结构排列；输入输出模块（iob）112个。可实现616级触器（flipflops），具有并行模式配置能力，存储器容量为95,008 bits。使用亚微米多层金属材料加工方法，使系统时钟速率高达80mhz，而内部执行速率可以达到150mhz[3]。 该类型芯片在原有xc3000系列芯片的基础上，增加了内部软启动结构和时钟驱动输入输出模块数目，并且提供了可选择双向ram存储器。 2 系统设计原理 系统设计原理如图1所示，该系统以双cpu保护下的fpga为核心，配以辅助的前置光耦防护和后置安全与门及功率放大器。输入为国家标准的铁路用18路低频信息和4种载频触发信号，输出相应的调制后高精度移频正弦信号。其中，4种载频可以由触发信号直接控制，自动切换。 fpga内部逻辑被设计为分频器、计数器、编码器、存储器、触发器和电子开关等部分。经过逻辑组合，实现低载频信息编码、相位连接移频信号调制和移频信号检测计数等三个主要功能，并接收cpu的控制信号，完成与cpu间的数据传输。 图1中双cpu使用w78e58型单片机。主、副cpu各自独立工作，分别向fpga发送控制信号，读取低载频信息编码和移频检测计数结果，并以此为判据进行移频信号发精度检测。发现误码情况，即时关闭安全与门，切断移频信号发送通道，保证故障安全。主、副cpu之间，每个程序循环周期通信一次，以确认对方处于正常工作状态。 3 软件设计 3.1 移频信号调制结构设计 图2示出了fpga内部实现移频信号调制的逻辑结构。fpga芯片选用16mhz时钟脉冲，在分频模式的作用下得到所需要的低频和载频信号；运用时钟同步触发器和电子开关实现频率调制过程中的沿同步，从而在保证移频信号频率精度前提下，实现了移频信号的相位连续调制。 图2中k（t）为低频方波信号，g1（t）、g2（t）为载频方波信号，clk为16mhz时钟脉冲，cs1、cs2为电子开关使能信号。