資料介紹
?列車的振動性能,包括舒適性、平穩(wěn)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(nèi)有多家單位開展了研制工作,例如,北京化工大學開發(fā)的基于DSP的便攜式測振儀,河北工業(yè)大學研制的便攜式車輛振動測試分析系統(tǒng),東北農(nóng)業(yè)大學研制的便攜式測振儀等。這些專用儀器對常規(guī)速度列車的振動檢測是比較有效的,信號控制與數(shù)據(jù)采集也比較方便。但這些設(shè)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(nèi),而振動檢測包括車體下方的轉(zhuǎn)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(jīng)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(shù)據(jù)通過最終IC卡下載至地面PC,由地面分析軟件對原始數(shù)據(jù)進行處理,無法實現(xiàn)實時監(jiān)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(tǒng)分為車內(nèi)接收端+車下數(shù)據(jù)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(guān)鍵技術(shù)進行了研究,研制了以DSP、藍牙、GPS為基礎(chǔ)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(tǒng)方案
按照GB 5599-85,列車測振儀主要測試參數(shù)是車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、軸箱的振動加速度以及車體和構(gòu)架之間、構(gòu)架和軸箱間的相對位移。
列車測振儀分為傳感器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收存儲4部分,該系統(tǒng)一方面是一個相對獨立的系統(tǒng),它可以可通過藍牙模塊實現(xiàn)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(shù)據(jù)通信的接口,在沒有藍牙設(shè)備的情況下,也可以把系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)送到微機進行二次處理,既實現(xiàn)硬件冗余性設(shè)計,又方便了系統(tǒng)調(diào)試。檢測參數(shù)振動加速度位移軸箱轉(zhuǎn)向架構(gòu)架車體二系一系通道。
此外系統(tǒng)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(wěn)定的工作以下問題必須解決:
?。?)不能犧牲數(shù)據(jù)采集的精度來換取便攜性;
?。?)數(shù)采盒在車底只能采用電池供電,因此系統(tǒng)功耗必須低;
?。?)系統(tǒng)要能適應(yīng)復雜的實地檢測環(huán)境;
?。?)為確保數(shù)據(jù)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(tǒng)基本要求。
2系統(tǒng)實現(xiàn)
2.1系統(tǒng)硬件
在列車測振儀的數(shù)據(jù)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(xiàn)象對動態(tài)測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的影響,需要設(shè)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(tǒng)抗混疊濾波器要求。
(2)切比雪夫濾波器:過渡帶陡,但通帶內(nèi)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(tǒng)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(jù)通道數(shù)及精度、輸入量程、轉(zhuǎn)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(shù)轉(zhuǎn)換器。其高動態(tài)范圍改善了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的效能。ADS8381在前8位輸人范圍內(nèi)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(shù)據(jù)采集的核心,主頻150 MHz,可解決數(shù)據(jù)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(tǒng)與PDA或PC之間的通信。數(shù)據(jù)采集器硬件電路主要包括:DSP最小系統(tǒng)、外擴存儲器的接口、SCI串口通信。其系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。
國內(nèi)有多家單位開展了研制工作,例如,北京化工大學開發(fā)的基于DSP的便攜式測振儀,河北工業(yè)大學研制的便攜式車輛振動測試分析系統(tǒng),東北農(nóng)業(yè)大學研制的便攜式測振儀等。這些專用儀器對常規(guī)速度列車的振動檢測是比較有效的,信號控制與數(shù)據(jù)采集也比較方便。但這些設(shè)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(nèi),而振動檢測包括車體下方的轉(zhuǎn)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(jīng)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(shù)據(jù)通過最終IC卡下載至地面PC,由地面分析軟件對原始數(shù)據(jù)進行處理,無法實現(xiàn)實時監(jiān)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(tǒng)分為車內(nèi)接收端+車下數(shù)據(jù)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(guān)鍵技術(shù)進行了研究,研制了以DSP、藍牙、GPS為基礎(chǔ)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(tǒng)方案
按照GB 5599-85,列車測振儀主要測試參數(shù)是車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、軸箱的振動加速度以及車體和構(gòu)架之間、構(gòu)架和軸箱間的相對位移。
列車測振儀分為傳感器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收存儲4部分,該系統(tǒng)一方面是一個相對獨立的系統(tǒng),它可以可通過藍牙模塊實現(xiàn)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(shù)據(jù)通信的接口,在沒有藍牙設(shè)備的情況下,也可以把系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)送到微機進行二次處理,既實現(xiàn)硬件冗余性設(shè)計,又方便了系統(tǒng)調(diào)試。檢測參數(shù)振動加速度位移軸箱轉(zhuǎn)向架構(gòu)架車體二系一系通道。
此外系統(tǒng)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(wěn)定的工作以下問題必須解決:
?。?)不能犧牲數(shù)據(jù)采集的精度來換取便攜性;
?。?)數(shù)采盒在車底只能采用電池供電,因此系統(tǒng)功耗必須低;
?。?)系統(tǒng)要能適應(yīng)復雜的實地檢測環(huán)境;
?。?)為確保數(shù)據(jù)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(tǒng)基本要求。
2系統(tǒng)實現(xiàn)
2.1系統(tǒng)硬件
在列車測振儀的數(shù)據(jù)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(xiàn)象對動態(tài)測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的影響,需要設(shè)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(tǒng)抗混疊濾波器要求。
(2)切比雪夫濾波器:過渡帶陡,但通帶內(nèi)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(tǒng)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(jù)通道數(shù)及精度、輸入量程、轉(zhuǎn)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(shù)轉(zhuǎn)換器。其高動態(tài)范圍改善了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的效能。ADS8381在前8位輸人范圍內(nèi)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(shù)據(jù)采集的核心,主頻150 MHz,可解決數(shù)據(jù)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(tǒng)與PDA或PC之間的通信。數(shù)據(jù)采集器硬件電路主要包括:DSP最小系統(tǒng)、外擴存儲器的接口、SCI串口通信。其系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。
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