DSP高速列車測振儀設計方案

?列車的振動性能，包括舒適性、平穩性的檢測與評價是新型列車研究、檢驗過程中的一項重要工作。隨著我國鐵路新型高速列車研究、研制及實驗運行工作的大面積展開，十分需要一種方便、快捷的便攜式列車振動測試儀。
　　國內有多家單位開展了研制工作，例如，北京化工大學開發的基于DSP的便攜式測振儀，河北工業大學研制的便攜式車輛振動測試分析系統，東北農業大學研制的便攜式測振儀等。這些專用儀器對常規速度列車的振動檢測是比較有效的，信號控制與數據采集也比較方便。但這些設計多采用有線傳輸方式，對于高速列車，檢測人員在密閉的車箱內，而振動檢測包括車體下方的轉向架、軸箱多處測點，車下到車上的電纜布線就成了很大的問題。而且，對已經投入運營的高速列車，檢測布線因為會嚴重影響車體的氣密性，所以幾乎是不可能的，即便可以也是非常不便的。
　　北方交通大學機電學院研制的無線便攜式列車測振儀，雖采用了無線傳輸，但記錄的數據通過最終IC卡下載至地面PC，由地面分析軟件對原始數據進行處理，無法實現實時監測。
　　因此針對高速列車振動性能檢測的特點及要求，有必要將測振系統分為車內接收端+車下數據采集器兩部分，二者之間采用無線連接，解決布線難的問題。本文對測振儀關鍵技術進行了研究，研制了以DSP、藍牙、GPS為基礎的便攜式列車測振儀，介紹了在高速列車線路實驗中的試用情況。
　　1 系統方案
　　按照GB 5599-85，列車測振儀主要測試參數是車體、轉向架構架、軸箱的振動加速度以及車體和構架之間、構架和軸箱間的相對位移。
　　列車測振儀分為傳感器、數據采集、數據發送、數據接收存儲4部分，該系統一方面是一個相對獨立的系統，它可以可通過藍牙模塊實現與PC／PDA的無線連接，進行信號的采集、處理、顯示提供了與PC之間進行有線數據通信的接口，在沒有藍牙設備的情況下，也可以把系統采集的原始數據送到微機進行二次處理，既實現硬件冗余性設計，又方便了系統調試。檢測參數振動加速度位移軸箱轉向架構架車體二系一系通道。
　　此外系統還采用了GPS手持定位儀（如圖1），獲取評價列車振動性能必需的運行速度信號。
　　
　　為確保列車測振儀能正常穩定的工作以下問題必須解決：
　?。?）不能犧牲數據采集的精度來換取便攜性；
　?。?）數采盒在車底只能采用電池供電，因此系統功耗必須低；
　?。?）系統要能適應復雜的實地檢測環境；
　?。?）為確保數據有效傳輸，無線傳輸必須有強抗干擾能力；
　?。?）無線傳輸速率要滿足系統基本要求。
　　2系統實現
　　2.1系統硬件
　　在列車測振儀的數據采集過程中，不可避免地會有電氣化鐵路高壓電力線、動車大功率脈沖電壓和脈動電流對有用信號造成干擾。為了最大程度地抑制或消除混疊現象對動態測控系統數據采集的影響，需要設置抗混疊濾波器。常用的模擬低通濾波器有3種：
　?。?）巴特沃思濾波器：通帶平坦，相位特性最好；7階以上的截止特性和阻帶衰減率滿足本系統抗混疊濾波器要求。
　?。?）切比雪夫濾波器：過渡帶陡，但通帶內有一定偏差，且相位特性差。
　?。?）濾波器：通帶邊緣過渡帶最陡，但相位特性也最差。
　　故本系統選用MAX7480作為抗混疊濾波器。MAX7480是低功耗8階巴特沃思低通濾波器，中心頻率1 Hz～2 kHz，單+5 V供電，工作電流2.9 mA。
　　根據通道數及精度、輸入量程、轉換速率、功耗、工作電壓等指標我們選擇了ADS8381，18位500k逐次逼近（SAR）模數轉換器。其高動態范圍改善了數據采集系統的效能。ADS8381在前8位輸人范圍內的非線性小于+／-9.5×10-6，在頻率為500 kHz時功耗為100 mW。ADS8381使用一個單獨+5 V電源，溫度范圍為：-40℃到+85℃。
　　TMS320F2812 DSP芯片為數據采集的核心，主頻150 MHz，可解決數據流量大、實時性高等問題。它一方面控制多種信號的采集、緩存以及處理，另一方面負責系統與PDA或PC之間的通信。數據采集器硬件電路主要包括：DSP最小系統、外擴存儲器的接口、SCI串口通信。其系統原理框圖如圖2所示。