基于高速無(wú)線傳輸?shù)牧熊?chē)測(cè)振儀

0 引 言

列車(chē)的振動(dòng)性能，包括舒適性、平穩(wěn)性的檢測(cè)與評(píng)價(jià)是新型列車(chē)研究、檢驗(yàn)過(guò)程中的一項(xiàng)重要工作。隨著我國(guó)鐵路新型高速列車(chē)研究、研制及實(shí)驗(yàn)運(yùn)行工作的大面積展開(kāi)，十分需要一種方便、快捷的便攜式列車(chē)振動(dòng)測(cè)試儀。

國(guó)內(nèi)有多家單位開(kāi)展了研制工作，例如，北京化工大學(xué)開(kāi)發(fā)的基于DSP的便攜式測(cè)振儀，河北工業(yè)大學(xué)研制的便攜式車(chē)輛振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的便攜式測(cè)振儀等。這些專(zhuān)用儀器對(duì)常規(guī)速度列車(chē)的振動(dòng)檢測(cè)是比較有效的，信號(hào)控制與數(shù)據(jù)采集也比較方便。但這些設(shè)計(jì)多采用有線傳輸方式，對(duì)于高速列車(chē)，檢測(cè)人員在密閉的車(chē)箱內(nèi)，而振動(dòng)檢測(cè)包括車(chē)體下方的轉(zhuǎn)向架、軸箱多處測(cè)點(diǎn)，車(chē)下到車(chē)上的電纜布線就成了很大的問(wèn)題。而且，對(duì)已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)的高速列車(chē)，檢測(cè)布線因?yàn)闀?huì)嚴(yán)重影響車(chē)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(xué)機(jī)電學(xué)院研制的無(wú)線便攜式列車(chē)測(cè)振儀，雖采用了無(wú)線傳輸，但記錄的數(shù)據(jù)通過(guò)最終IC卡下載至地面PC，由地面分析軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

因此針對(duì)高速列車(chē)振動(dòng)性能檢測(cè)的特點(diǎn)及要求，有必要將測(cè)振系統(tǒng)分為車(chē)內(nèi)接收端+車(chē)下數(shù)據(jù)采集器兩部分，二者之間采用無(wú)線連接，解決布線難的問(wèn)題。本文對(duì)測(cè)振儀關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，研制了以DSP、藍(lán)牙、GPS為基礎(chǔ)的便攜式列車(chē)測(cè)振儀，介紹了在高速列車(chē)線路實(shí)驗(yàn)中的試用情況。

1 系統(tǒng)方案

按照GB 5599-85，列車(chē)測(cè)振儀主要測(cè)試參數(shù)是車(chē)體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、軸箱的振動(dòng)加速度以及車(chē)體和構(gòu)架之間、構(gòu)架和軸箱間的相對(duì)位移。

列車(chē)測(cè)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(chǔ)4部分，該系統(tǒng)一方面是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，它可以可通過(guò)藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)與PC／PDA的無(wú)線連接，進(jìn)行信號(hào)的采集、處理、顯示提供了與PC之間進(jìn)行有線數(shù)據(jù)通信的接口，在沒(méi)有藍(lán)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(jī)進(jìn)行二次處理，既實(shí)現(xiàn)硬件冗余性設(shè)計(jì)，又方便了系統(tǒng)調(diào)試。檢測(cè)參數(shù)振動(dòng)加速度位移軸箱轉(zhuǎn)向架構(gòu)架車(chē)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(píng)價(jià)列車(chē)振動(dòng)性能必需的運(yùn)行速度信號(hào)。

為確保列車(chē)測(cè)振儀能正常穩(wěn)定的工作以下問(wèn)題必須解決：

(1)不能犧牲數(shù)據(jù)采集的精度來(lái)?yè)Q取便攜性；
(2)數(shù)采盒在車(chē)底只能采用電池供電，因此系統(tǒng)功耗必須低；
(3)系統(tǒng)要能適應(yīng)復(fù)雜的實(shí)地檢測(cè)環(huán)境；
(4)為確保數(shù)據(jù)有效傳輸，無(wú)線傳輸必須有強(qiáng)抗干擾能力；
(5)無(wú)線傳輸速率要滿足系統(tǒng)基本要求。

2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1系統(tǒng)硬件

在列車(chē)測(cè)振儀的數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，不可避免地會(huì)有電氣化鐵路高壓電力線、動(dòng)車(chē)大功率脈沖電壓和脈動(dòng)電流對(duì)有用信號(hào)造成干擾。為了最大程度地抑制或消除混疊現(xiàn)象對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)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：

(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(tǒng)抗混疊濾波器要求。
(2)切比雪夫?yàn)V波器：過(guò)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(guò)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(biāo)我們選擇了ADS8381，18位500k逐次逼近(SAR)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其高動(dòng)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(shí)功耗為100 mW。ADS8381使用一個(gè)單獨(dú)+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(shí)時(shí)性高等問(wèn)題。它一方面控制多種信號(hào)的采集、緩存以及處理，另一方面負(fù)責(zé)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(kuò)存儲(chǔ)器的接口、SCI串口通信。其系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

2.2數(shù)據(jù)傳輸

列車(chē)測(cè)振儀借助藍(lán)牙通信相連進(jìn)行無(wú)線連接。藍(lán)牙通信具有連線簡(jiǎn)單，無(wú)須電平轉(zhuǎn)換；可組網(wǎng)，多機(jī)共享；傳輸速率高接口廣泛，和多數(shù)手持設(shè)備／筆記本電腦連接方便等特點(diǎn)。藍(lán)牙采用跳頻機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，故能極大提高數(shù)據(jù)傳送的抗干擾性能。由表1，系統(tǒng)需要的理論帶寬為163.84 kbps。本設(shè)備無(wú)線傳輸速率可達(dá)400 kbps以上，充分保證了系統(tǒng)性能。視距傳輸可達(dá)100 m，完全能夠勝任大部分測(cè)試場(chǎng)合。

2.3系統(tǒng)軟件

根據(jù)總體方案設(shè)計(jì)，振列車(chē)測(cè)振儀軟件設(shè)計(jì)主要包括DSP數(shù)據(jù)采集發(fā)送程序設(shè)計(jì)、Notebook人機(jī)界面程序設(shè)計(jì)兩大部分。DSP采集加速度／位移信號(hào)，通過(guò)藍(lán)牙傳送到Notebook；Notebook接收、存儲(chǔ)所有傳送的數(shù)據(jù)，同時(shí)繪制變化曲線。根據(jù)上述要求我們?cè)O(shè)計(jì)的列車(chē)測(cè)振儀實(shí)物如圖3所示。

DSP數(shù)據(jù)采集發(fā)送程序?qū)崿F(xiàn)的功能如下：

(1)通過(guò)ADC模塊采集傳感器數(shù)據(jù)；
(2)將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行打包；
(3)查詢藍(lán)牙模塊狀態(tài)和寫(xiě)數(shù)據(jù)。

列車(chē)測(cè)振儀優(yōu)于其他測(cè)振系統(tǒng)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(jī)界面(如圖4)。進(jìn)一步我們擬采用帶藍(lán)牙的PDA／智能手機(jī)作為接收平臺(tái)。

Notebook人機(jī)界面程序主要實(shí)現(xiàn)功能如下：

(1)接收、存儲(chǔ)所有列車(chē)測(cè)振儀發(fā)送的數(shù)據(jù)；
(2)實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)，計(jì)算、顯示、保存平穩(wěn)性和舒適性指標(biāo)；
(3)動(dòng)態(tài)繪制變化曲線。

3列車(chē)測(cè)振儀試用情況

在我國(guó)某高速列車(chē)實(shí)驗(yàn)的振動(dòng)參數(shù)測(cè)試中，對(duì)列車(chē)測(cè)振儀進(jìn)行了試用，通過(guò)了最高280 km／h動(dòng)車(chē)組實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)。圖5為實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的部分?jǐn)?shù)據(jù)，我們可以看出，運(yùn)行中車(chē)體的橫垂向振動(dòng)加速度均在0.1 g左右，而軸箱處則高達(dá)數(shù)10 g。

在高速列車(chē)高速運(yùn)行中，在受電氣化鐵路高壓電力線(27.5 kV)、動(dòng)車(chē)大功率脈動(dòng)電壓(±2 000 V)和脈動(dòng)電流干擾及經(jīng)過(guò)橋梁隧道等復(fù)雜路況時(shí)均能保持良好的通信。經(jīng)過(guò)了包括-20℃低溫、雨雪、長(zhǎng)時(shí)間工作等一系列惡劣條件下的試用，表現(xiàn)出良好的可操控性和穩(wěn)定性。民品級(jí)GPS在250 km以上時(shí)速時(shí)初始化困難，但一旦初始化成功，可充分實(shí)現(xiàn)其功能。

4結(jié) 論

以DSP、Notebook為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用藍(lán)牙、GPS等技術(shù)的列車(chē)測(cè)振儀對(duì)于高速列車(chē)的振動(dòng)性檢測(cè)具有可靠性。

且本測(cè)振儀不僅能用于檢測(cè)列車(chē)振動(dòng)性能，在接收端虛擬儀器進(jìn)行外擴(kuò)后能很方便的實(shí)現(xiàn)頻譜分析，故障診斷及其他振動(dòng)測(cè)試