基于DSP的高速列车测振仪

出处：sahh 发布于：2010-04-12 11:22:18

　　0 引言

　　列车的振动性能，包括舒适性、平稳性的检测与*价是新型列车研究、检验过程中的一项重要工作。随着我国铁路新型高速列车研究、研制及实验运行工作的大面积展开，十分需要一种方便、快捷的便携式列车振动测试仪。

　　国内有多家单位开展了研制工作，例如，北京化工大学开发的基于DSP的便携式测振仪，河北工业大学研制的便携式车辆振动测试分析系统，东北农业大学研制的便携式测振仪等。这些专用仪器对常规速度列车的振动检测是比较有效的，信号控制与数据采集也比较方便。但这些设计多采用有线传输方式，对于高速列车，检测人员在密闭的车箱内，而振动检测包括车体下方的转向架、轴箱多处测点，车下到车上的电缆布线就成了很大的问题。而且，对已经投入运营的高速列车，检测布线因为会严重影响车体的气密性，所以几乎是不可能的，即便可以也是非常不便的。

　　北方交通大学机电学院研制的无线便携式列车测振仪，虽采用了无线传输，但记录的数据通过终IC卡至地面PC，由地面分析软件对原始数据进行处理，无法实现实时监测。

　　因此针对高速列车振动性能检测的特点及要求，有必要将测振系统分为车内接收端+车下数据采集器两部分，二者之间采用无线连接，解决布线难的问题。本文对测振仪关键技术进行了研究，研制了以DSP、蓝牙、GPS为基础的便携式列车测振仪，介绍了在高速列车线路实验中的试用情况。

　　1 系统方案

　　按照GB 5599-85，列车测振仪主要测试参数是车体、转向架构架、轴箱的振动加速度以及车体和构架之间、构架和轴箱间的相对位移。

　　列车测振仪分为传感器、数据采集、数据发送、数据接收存储4部分，该系统一方面是一个相对独立的系统，它可以可通过蓝牙模块实现与PC／PDA的无线连接，进行信号的采集、处理、显示提供了与PC之间进行有线数据通信的接口，在没有蓝牙设备的情况下，也可以把系统采集的原始数据送到微机进行二次处理，既实现硬件冗余性设计，又方便了系统调试。检测参数振动加速度位移轴箱转向架构架车体二系一系通道。

　　此外系统还采用了GPS手持定位仪(如图1)，获取*价列车振动性能必需的运行速度信号。

　　为确保列车测振仪能正常稳定的工作以下问题必须解决：

　　(1)不能牺牲数据采集的来换取便携性；

　　(2)数采盒在车底只能采用电池供电，因此系统功耗必须低；

　　(3)系统要能适应复杂的实地检测环境；

　　(4)为确保数据有效传输，无线传输必须有强抗干扰能力；

　　(5)无线传输速率要满足系统基本要求。

　　2系统实现

　　2.1系统硬件

　　在列车测振仪的数据采集过程中，不可避免地会有电气化铁路高压电力线、动车大功率脉冲电压和脉动电流对有用信号造成干扰。为了地抑制或消除混叠现象对动态测控系统数据采集的影响，需要设置抗混叠滤波器。常用的模拟低通滤波器有3种：

　　(1)巴特沃思滤波器：通带平坦，相位特性；7阶以上的截止特性和阻带衰减率满足本系统抗混叠滤波器要求。

　　(2)切比雪夫滤波器：过渡带陡，但通带内有一定偏差，且相位特性差。

　　(3)滤波器：通带边缘过渡带陡，但相位特性也差。

　　故本系统选用MAX7480作为抗混叠滤波器。MAX7480是低功耗8阶巴特沃思低通滤波器，中心频率1 Hz～2 kHz，单+5 V供电，工作电流2.9 mA。

　　根据通道数及、输入量程、转换速率、功耗、工作电压等指标我们选择了ADS8381，18位500k逐次逼近(SAR)模数转换器。其高动态范围改善了数据采集系统的效能。ADS8381在前8位输人范围内的非线性小于+／-9.5×10-6，在频率为500 kHz时功耗为100 mW。ADS8381使用一个单独+5 V电源，温度范围为：-40℃到+85℃。

　　TMS320F2812 DSP芯片为数据采集的，主频150 MHz，可解决数据流量大、实时性高等问题。它一方面控制多种信号的采集、缓存以及处理，另一方面负责系统与PDA或PC之间的通信。数据采集器硬件电路主要包括：DSP系统、外扩存储器的接口、SCI串口通信。其系统原理框图如图2所示。

　　2.2数据传输

　　列车测振仪借助蓝牙通信相连进行无线连接。蓝牙通信具有连线简单，无须电平转换；可组网，多机共享；传输速率高接口广泛，和多数手持设备／笔记本电脑连接方便等特点。蓝牙采用跳频机制进行数据传送，故能极大提高数据传送的抗干扰性能。由表1，系统需要的理论带宽为163.84 kbps。本设备无线传输速率可达400 kbps以上，充分保证了系统性能。视距传输可达100 m，完够胜任大部分测试场合。

　　2.3系统软件

　　根据总体方案设计，振列车测振仪软件设计主要包括DSP数据采集发送程序设计、Notebook人机界面程序设计两大部分。DSP采集加速度／位移信号，通过蓝牙传送到Notebook；Notebook接收、存储所有传送的数据，同时绘制变化曲线。根据上述要求我们设计的列车测振仪实物如图3所示。

　　DSP数据采集发送程序实现的功能如下：

　　(1)通过ADC模块采集传感器数据；

　　(2)将采集数据进行打包；

　　(3)查询蓝牙模块状态和写数据。

　　列车测振仪优于其他测振系统的地方不仅在于高、高速率、小体积、轻重量，还在于它有基于Notebook良好的人机界面(如图4)。进一步我们拟采用带蓝牙的PDA／智能手机作为接收平台。

　　Notebook人机界面程序主要实现功能如下：

　　(1)接收、存储所有列车测振仪发送的数据；

　　(2)实时分析数据，计算、显示、保存平稳性和舒适性指标；

　　(3)动态绘制变化曲线。

　　3列车测振仪试用情况

　　在我国某高速列车实验的振动参数测试中，对列车测振仪进行了试用，通过了280 km／h动车组实际运行检验。图5为实验中测得的部分数据，我们可以看出，运行中车体的横垂向振动加速度均在0.1 g左右，而轴箱处则高达数10 g。

　　在高速列车高速运行中，在受电气化铁路高压电力线(27.5 kV)、动车大功率脉动电压(±2 000 V)和脉动电流干扰及经过桥梁隧道等复杂路况时均能保持良好的通信。经过了包括-20℃低温、雨雪、长时间工作等一系列恶劣条件下的试用，表现出良好的可操控性和稳定性。民品级GPS在250 km以上时速时初始化困难，但一旦初始化成功，可充分实现其功能。

　　4结论

　　以DSP、Notebook为基础，综合运用蓝牙、GPS等技术的列车测振仪对于高速列车的振动性检测具有可靠性。且本测振仪不仅能用于检测列车振动性能，在接收端虚拟仪器进行外扩后能很方便的实现频谱分析，故障诊断及其他振动测试