DSP的高速列車測振儀

　　0 引 言

　　列車的振動性能，包括舒適性、平穩性的檢測與*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*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：

　　(1)不能犧牲數據采集的精度來換取便攜性；

　　(2)數采盒在車底只能采用電池供電，因此系統功耗必須低；

　　(3)系統要能適應復雜的實地檢測環境；

　　(4)為確保數據有效傳輸，無線傳輸必須有強抗干擾能力；

　　(5)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：

　　(1)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。

　　(2)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。

　　(3)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。

　　2.2數據傳輸

　　列車測振儀借助藍牙通信相連進行無線連接。藍牙通信具有連線簡單，無須電平轉換；可組網，多機共享；傳輸速率高接口廣泛，和多數手持設備／筆記本電腦連接方便等特點。藍牙采用跳頻機制進行數據傳送，故能極大提高數據傳送的抗干擾性能。由表1，系統需要的理論帶寬為163.84 kbps。本設備無線傳輸速率可達400 kbps以上，充分保證了系統性能。視距傳輸可達100 m，完全能夠勝任大部分測試場合。

　　2.3系統軟件

　　根據總體方案設計，振列車測振儀軟件設計主要包括DSP數據采集發送程序設計、Notebook人機界面程序設計兩大部分。DSP采集加速度／位移信號，通過藍牙傳送到Notebook；Notebook接收、存儲所有傳送的數據，同時繪制變化曲線。根據上述要求我們設計的列車測振儀實物如圖3所示。

　　DSP數據采集發送程序實現的功能如下：

　　(1)通過ADC模塊采集傳感器數據；

　　(2)將采集數據進行打包；

　　(3)查詢藍牙模塊狀態和寫數據。

　　列車測振儀優于其他測振系統的地方不僅在于高精度、高速率、小體積、輕重量，還在于它有基于Notebook良好的人機界面(如圖4)。進一步我們擬采用帶藍牙的PDA／智能手機作為接收平臺。

　　Notebook人機界面程序主要實現功能如下：

　　(1)接收、存儲所有列車測振儀發送的數據；

　　(2)實時分析數據，計算、顯示、保存平穩性和舒適性指標；

　　(3)動態繪制變化曲線。

　　3列車測振儀試用情況

　　在我國某高速列車實驗的振動參數測試中，對列車測振儀進行了試用，通過了最高280 km／h動車組實際運行檢驗。圖5為實驗中測得的部分數據，我們可以看出，運行中車體的橫垂向振動加速度均在0.1 g左右，而軸箱處則高達數10 g。

　　在高速列車高速運行中，在受電氣化鐵路高壓電力線(27.5 kV)、動車大功率脈動電壓(±2 000 V)和脈動電流干擾及經過橋梁隧道等復雜路況時均能保持良好的通信。經過了包括-20℃低溫、雨雪、長時間工作等一系列惡劣條件下的試用，表現出良好的可操控性和穩定性。民品級GPS在250 km以上時速時初始化困難，但一旦初始化成功，可充分實現其功能。

　　4結 論

　　以DSP、Notebook為基礎，綜合運用藍牙、GPS等技術的列車測振儀對于高速列車的振動性檢測具有可靠性。且本測振儀不僅能用于檢測列車振動性能，在接收端虛擬儀器進行外擴后能很方便的實現頻譜分析，故障診斷及其他振動測試