基于DSP技術(shù)的接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)

O 引 言
    接觸網(wǎng)是一種特殊形式的供電線路，它的任務(wù)是保證對(duì)電力機(jī)車提供可靠的不間斷的電能。在電氣化鐵路的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中必須進(jìn)行一系列的接觸網(wǎng)檢測(cè)工作，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患并克服存在的問(wèn)題，保證良好的受流。采用激光測(cè)距傳感器的新型非接觸式檢測(cè)方法測(cè)量受電弓滑板變化狀態(tài)并利用高速DSP器件上所編制的算法得到相關(guān)幾何及動(dòng)力學(xué)參數(shù)，可避免其他檢測(cè)方式測(cè)量量多及處理速度慢的問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)完全意義上的非接觸式檢測(cè)。
    這里從硬件和軟件方面同時(shí)著手，介紹了該檢測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程。硬件電路的DSP采用美國(guó)TI公司主推的TMS320C54X系列。該系列的DSP具用相同的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，所不同的是片內(nèi)存儲(chǔ)器和片內(nèi)外設(shè)的硬件資源配置。TMS320VC5402是這個(gè)系列的代表產(chǎn)品，因其較高的性價(jià)比而成為目前應(yīng)用較為廣泛的DSP芯片之一。C5000的開發(fā)工具使得軟件開發(fā)易于實(shí)現(xiàn)，而耗時(shí)較多的檢測(cè)算法則采用匯編完成。實(shí)驗(yàn)證明，速度有較大提高，滿足了系統(tǒng)的應(yīng)用要求。

l 系統(tǒng)資源
1．1 TMS320C5402介紹
    TMS320C5402是TMS320C54X系列DSP芯片中具有代表性的16 b定點(diǎn)DSP芯片。該系列DSP芯片具有以下特點(diǎn)：采用先進(jìn)的修正增強(qiáng)型哈佛結(jié)構(gòu)，片內(nèi)共有8條總線，即1條程序存儲(chǔ)器總線，3條數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器總線和4條地址總線；高度并行和帶有專用硬件邏輯的CPU設(shè)計(jì)；高度專業(yè)化的指令系統(tǒng)；模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；能降低功耗和提高抗輻射能力的新的靜電設(shè)計(jì)方法。TMS320VC5402是54X系列中應(yīng)用比較廣泛的一種芯片，它有著豐富的接口資源，是一種集數(shù)據(jù)處理和通信功能于一體的高速微處理器，操作速率可達(dá)40～100 MIPS。
1．2 可編程邏輯器件
    該系統(tǒng)選用Alter公司的MAX 7000A，它通過(guò)嵌入IEEE標(biāo)準(zhǔn)1149．1 JTAG(Joint Test Action Group)接口支持3．3 V ISP，并具有高級(jí)引腳鎖定功能。這種器件具有節(jié)能模式，用戶可以將信號(hào)通路或整個(gè)器件定義為低功耗模式。因?yàn)榇蠖鄶?shù)邏輯應(yīng)用中只要求小部分邏輯門工作在最高頻率上，所以使用這一特性可使器件整體能耗減少50％以上。MAX 7000A還具有可編程電壓擺率控制、6個(gè)引腳或邏輯驅(qū)動(dòng)輸出使能信號(hào)、快速建立時(shí)間的輸入寄存器、多電壓I／O接口能力和擴(kuò)展乘積分布可配置等結(jié)構(gòu)特性。
1．3 數(shù)據(jù)RAM
    該系統(tǒng)將數(shù)據(jù)空間擴(kuò)展到128 KWord，用于對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行暫存，數(shù)據(jù)RAM選用ICSI公司的高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器IS61LVl2816，此芯片的電源電壓為3．3 V，與TMS320C54X外設(shè)電壓相同，無(wú)需電平轉(zhuǎn)換。其容量為128 KWord，主要特征為：高速存儲(chǔ)，訪問(wèn)時(shí)間10 ns；低功耗；全靜態(tài)工作；三態(tài)輸出；可控制數(shù)據(jù)高低字節(jié)；輸入輸出引腳與TTL電平相兼容，它的LB引腳決定其低位字節(jié)是否有效，即數(shù)據(jù)位的低8位是否有效，而11UB引腳決定芯片的高字節(jié)是否有效，這兩個(gè)引腳都是低電平有效；因?yàn)镃5402型號(hào)的DSP的數(shù)據(jù)線為16位，所以IS61LV12816(存儲(chǔ)器)芯片的高低字節(jié)都應(yīng)有效，即LB和UB都應(yīng)該置低電平；CE是芯片的選通信號(hào)輸入線，低電平有效；OE是芯片的讀選通信號(hào)輸入線，低電平有效；WE是芯片的寫允許信號(hào)輸入線，低電平有效。
1．4 FLASH
    該系統(tǒng)選用AMD公司的AM29LV800BT型號(hào)的FLASH，主要特征為：存儲(chǔ)空間為512 KWord，支持單電源操作，工作電源為3．3 V，可直接與C25402進(jìn)行接口；采用CMOS工藝，最快存取速度高達(dá)70 ns，可進(jìn)行100 000次寫入／擦寫操作；支持塊結(jié)構(gòu)操作和塊保護(hù)功能，防止對(duì)任何區(qū)段進(jìn)行編程和擦除的硬件保護(hù)機(jī)制，并且與JEDEC標(biāo)準(zhǔn)兼容；可通過(guò)軟件方法檢查編程和擦除操作的狀態(tài)，同時(shí)它的READY引腳和BUSY引腳可用于硬件方法檢測(cè)編程和擦除操作的狀態(tài)；具有擦除暫停／擦除恢復(fù)功能，在暫停／擦除操作過(guò)程中，支持讀寫不處于擦除狀態(tài)的塊；內(nèi)嵌有擦除和編程的算法能自動(dòng)對(duì)整個(gè)芯片或某幾個(gè)塊進(jìn)行擦除編程操作。

2 檢測(cè)算法
    圖1所示為該文提出的測(cè)試方法，即在車頂并排對(duì)稱安裝多個(gè)激光測(cè)距傳感器，通過(guò)測(cè)試受電弓滑板底部縱向振動(dòng)位移，來(lái)計(jì)算弓網(wǎng)接觸壓力、拉出值和接觸線高度等參數(shù)。

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圖1中，F(xiàn)i表示作用在滑板梁的第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的弓網(wǎng)接觸激振力，其作用的不同位置示意接觸線拉出值的變化。yi表示放置于車頂平面對(duì)準(zhǔn)受電弓滑板底部第i個(gè)高速激光傳感器的位移測(cè)量值，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系用傳遞函數(shù)可表示成如下矩陣形式：

式(1)中Mij可通過(guò)單位沖擊響應(yīng)的數(shù)字計(jì)算得到，于是，根據(jù)卷積原理，弓網(wǎng)接觸壓力P可表示如下：

由各激光傳感器測(cè)試的離散位移信號(hào)Yi，可實(shí)時(shí)得到弓網(wǎng)沖擊加速度G，導(dǎo)線高度H和拉出值Z，表示如下：

式中：h0為車頂傳感器的基準(zhǔn)高度；p為激光傳感器的個(gè)數(shù)；i為激光傳感器的分布序號(hào)；Wi表示各激光傳感器幾何位置對(duì)稱加權(quán)系數(shù)。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    該系統(tǒng)主要由TMS320C5402為核心的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳送電路構(gòu)成，其原理框圖如圖2所示。激光測(cè)距傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；再采用DSP處理器芯片對(duì)其進(jìn)行處理，數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程中緩沖數(shù)據(jù)存放在外部SRAM中；然后將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)PCI總線送至上位機(jī)。其中DSP的大量算法程序存放在外部FLASH中。

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4 DSP主程序流程設(shè)計(jì)
    當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)上電或復(fù)位后，DSP首先完成程序加載與啟動(dòng)，初始化以及各個(gè)參數(shù)的設(shè)置，即實(shí)現(xiàn)自舉。接著DSP通過(guò)其McBSP模擬的I2C總線設(shè)置A／D模塊的運(yùn)行參數(shù)并且啟動(dòng)采集工作，隨后開始等待外部中斷(由CPLD負(fù)責(zé)發(fā)送)。當(dāng)采集完一場(chǎng)數(shù)據(jù)后，CPLD產(chǎn)生向DSP發(fā)送的外部中斷信號(hào)。通過(guò)編寫的中斷服務(wù)子程序，DSP響應(yīng)中斷并開始利用DMA通道搬移數(shù)據(jù)。搬移完成后DSP開始數(shù)據(jù)處理，并通過(guò)PCI總線將該結(jié)果傳送到主機(jī)。DSP至程序流程圖如圖3所示。

5 結(jié) 語(yǔ)
    基于DSP技術(shù)的高速鐵路接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)，將測(cè)試傳感器完全從受電弓滑板上撤離下來(lái)，通過(guò)配置在低壓端的激光測(cè)距傳感器測(cè)試受電弓滑板在弓網(wǎng)接觸力作用下產(chǎn)生的位移，利用相關(guān)算法計(jì)算接觸壓力、硬點(diǎn)、拉出值和導(dǎo)線高度等，實(shí)現(xiàn)了高速鐵路接觸網(wǎng)車載動(dòng)態(tài)測(cè)試追求的目標(biāo)，且避免了圖像處理和激光雷達(dá)等非接觸式檢測(cè)方法因掃描周期和處理時(shí)間限制而無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)弓網(wǎng)高頻動(dòng)態(tài)測(cè)試的問(wèn)題。