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DSP高速列车测振仪设计方案
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2017-11-02
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列车的振动性能，包括舒适性、平稳性的检测与评价是新型列车研究、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，但记录的数据通过最终IC卡下载至地面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），获取评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精度来换取便携性；
（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。为了最大程度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，相位特性最好；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：通带边缘过渡带最陡，但相位特性也最差。
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。
根据通道数及精度、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芯片为数据采集的核心，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最小系统、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。
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，但记录的数据通过最终IC卡下载至地面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），获取评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精度来换取便携性；
（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。为了最大程度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，相位特性最好；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：通带边缘过渡带最陡，但相位特性也最差。
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。
根据通道数及精度、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芯片为数据采集的核心，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最小系统、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。
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