（光学专业论文）基于嵌入式系统的轨道检测小车的研制.pdf

中文摘要 线路几何参数直接关系到轮轨的配合以及列车的行车安全，特别是随着我国 铁路事业的发展，列车的速度不断加快，钢轨的各种磨耗和线路的各种几何尺寸 的变化大大加快，研制准确、快捷、经济的轨道几何参数检测仪器成为我国铁路 发展共性问题之一。为了解决这一问题，本文设计了一种基于嵌入式系统的轨道 检测小车测量方案。 在分析国内外便携式线路几何参数检测技术和在我们以往研制的轨道检测小 车系统的基础上，本文提出了以嵌入式系统代替笔记本电脑的方案。论文首先详 细介绍了轨道检测小车的工作原理及构成，并对嵌入式系统的工作原理及电路组 成进行了设计，编写了可在w i n d o w s c e 系统下运行的控制程序以及数据处理程序， 最后对激光位移传感器及轨道检测小车的机构进行了设计改进。通过现场试验， 验证了研制系统的可行性。 关键词：线路几何参数，嵌入式系统，轨道检测小车，激光位移传感器，数据处 理。 分类号： a b s t r a c t r a i lt r a c kg e o m e t r i cp a r a m e t e r s ，s u c ha sg a g e ，l e v e l ，l o n g i t u d i n a l ，a n da l i g n m e n t e t c ，h a v eg r e a ti n f l u e n c e0 1 1t h eo p e r a t i o ns a f 乱yo f t r a i nv e h i c l e s w i t ht h ed e v e l o p m e n t o f o u rr a i t r o a d , t h es p e e do f t h et r a i ni m p r o v e sr a p i d l y , w h i c hm a k e st h ea b r a s i o no f t h e t r a c kb e c o m em o r ea n dm o r es e r i o u s t od e v e l o pap r e c i s e ，e f f i c i e n ta n de c o n o m i c a l t r a c kg e o m e t r i cp a r a m e t e r sm e a s u r e m e n td e v i c eh a sb e c o m eac o n l l n 0 1 1c o n c e r n i nt h i s p a p e r , at r a c km e a s u r e m e n tt r o l l yb a s e do ne m b e d d e ds y s t e mi sp r e s e n t e d t h r o u g ha n a z y z i a gt h es i t u a t i o no f p o r t a b l et r a c km e a s u r e m e n ts y s t e mb o t hi na n d a b r o a d , w ep r o p o s e dan o v e lm e t h o dw h i c hu s i n ge m b e d d e ds y s t e mi n s t e a do f m i c r o p r o c e s s o ra n dn o t e b o o kp c f i r s t ，t h ep r i n c i p l e a n ds t r u c t u r eo ft h et r a c k m e a s u r e m e n tt r o l l yi sm e n t i o n e d t h e n , t h ep r i n c i p l ea n de l e c t r o c i r c u i to f t h ee m b e d d e d s y s t e ma 托a n a l y z e d f u r t h e rm o r e , t h ec o n t r o lp r o g r a mw h i c hc a n n l ni nt h e w i n d o w s c ea n dt h ed a t ap r o c e s s i n gp r o g r a ma r ed e v e l o p e d a tl a s t , t h el a s e r d i s p l a c e m e n ts e n s o ra n dt h es l n l c t i l o f t h et r o l l ya r ea m e l i o r a t e d t h ef e a s i b i l i t yo f t h e t r a c km e a s u r e m e n t t r o l l yh a sb e e np r o v e db yp r a c t i c a le x p e r i m e n t s k e y w o r d s ：t r a c kg e o m e t r i cp a r a m e t e r s ；e m b e d d e ds y s t e m ；t r a c km e a s u r e m e n t t r o l l y ；l a s e rd i s p l a c e m e n ts e n s o r ；d a t ap r o c e s s i n g c l a s s n o ： 致谢 本论文的工作是在我的导师冯其波教授的悉心指导下完成的，冯其波教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 冯其波老师对我的关心和指导。 高瞻、崔建英、陈世谦、张斌、邵双运、谢芳、刘依真老师对于我的科研工 作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，吴思进、张志锋、匡萃方、程飞、牛牧笛、 党敏、余浩、郭琼、张墩等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向 他们表达我深深的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 绪论 1 1 线路几何不平顺检测研究的意义 轨道是列车运行的基础，为了保证列车运行的平稳和安全，其几何尺寸应严 格限定。由于列车的动力作用及自然条件的影响，轨道几何形位会产生一系列变 化，形成几何不平顺，不仅影响列车的平稳运行，而且当这些变化积累到一定程 度时，将大大削弱线路的强度和结构的稳定性，增大轮轨相互作用力，缩减车辆 和轨道部件的使用寿命。轨道几何不平顺主要包括轨距不平顺、水平不平顺、高 低不平顺和方向不平顺等。它们直接关系到轮轨的配合以及列车的行车安全l l l 。轨 检车虽然能对以上主要几何参数同时进行检测，但存在设备昂贵，检查周期长， 不易及时发现线路出现的问题等缺点。目前我国铁路主要采用轨道尺、水平尺等 简易工具检查线路几何不平顺的变化。这些测量方法具有测量精度和效率低，测 量数据需人工处理等缺点，不能满足我国铁路的需要。特别是随着我国铁路事业 的发展，列车的速度不断加快，钢轨的各种磨耗和线路的各种几何尺寸的变化大 大加快，研制准确、快捷、经济的轨道几何参数检测仪器成为我国铁路发展共性 问题之一。随着列车速度的不断提高，轨道几何形位变化引起的轮轨冲击将越来 越严重，这样轨道几何尺寸检测的意义也就显得越来越重大”1 。 1 2 国内外便携式线路几何参数检测技术的发展现状 目前国内外对线路几何不平顺的测量主要有三种途径。 第一，传统方法。使用简易检测工具来测量轨道的单一参数，如使用轨距尺、 直尺、弦线等方法来分别测量线路的轨距、高低、轨向、水平等参数，这类测量 工具存在测量精度、效率低等缺点，同时测量结果与操作人员的技术素质有很大 关系”1 ，测量数据需要人工记录分析。 第二，大型轨检车，即轨道安全综合检测车。它集轨道检测车、接触网检测 车、通信信号检测车等检测设备的功能于一身，是一种大型多功能检测系统。其 主要问题是：检测周期长，设备昂贵。 第三，便携式轨道参数检测装置。这是近年来国内外轨道参数检测装置的发 展趋势之一。这种方法的最大特点在于实现了对静态轨道的测量，其优势在于测 量机构小型化、成本低廉且使用方便、适应性强、测量精度高等方面。我国幅员 辽阔，小型工务段数量众多，大力发展便携式的轨道检测装置具有更为积极的意 义。 l 、国际上：从上个世纪9 0 年代起，欧美等国家就开始了便携式轨道检测系 统的研制，并且已有部分产品在市场中得到了广泛的应用。如瑞士i d e a 公司的手 推式g r p 3 0 0 0 多功能轨道测量系统、日本的便携式超声波轨道检测仪、奥地利弗 兰茨普拉塞铁路机械工业股份有限公司的非接触式轨道测量仪。图1 1 所示为波兰 g r a w 公司的t o t a l - t e c f r o l i c , 轨道检测系统。 其主要技术指标为： 一测量里程分辨精度0 1 m ； 轨距范围：1 4 2 0 1 4 9 5 m m ：分析度o 1 衄； - 超高范围：_ + 2 0 0 m m ；分析度0 1 咖； 一垂直不平顺：范围4 m m l m ；分析度o 1 m m ； - 水平不平顺：范围5 r a m i r a ；分析度o 1 m m ； 该测量系统的优势在于测量参数较为全面，便于携带，但价格较贵。 图1 1t o t a l - t e ct r o l l e y 轨道测量系统 2 、国内：国内近年来开始发展便携式轨道检测装置，发展速度较快，目前国 内已有很多科研机构研制并申请了专利。如西南交通大学的轨道状态检测装置， 专利号c n 0 2 1 1 3 4 6 5 0 、西安工业学院的便携推行式铁路轨道检测车，专利号 c n 2 0 0 4 1 0 0 7 3 1 0 6 0 、太原理工大学的递推式铁路轨道检测车及检测方法，专利号 c n 2 0 0 6 1 0 0 1 2 5 3 7 5 。图1 2 所示为江西日月明公司的g j v h 3 轨道检测仪。 其主要技术指标为： - 左、右轨向( 1 0 米弦) 示值误差：士1 0 r a m ； 左、右高低( 1 0 米弦) 示值误差：士1 o m m ； 轨距测量范围：1 4 1 0 m m 1 4 7 0 m m ； - 轨距变化率示值误差：o 5 ； 2 轨距示值误差：t o 5 m m ： 水平及超高测量范围：2 0 0 m m ： 一水平及超高示值误差：= t o 5 m m 里程示值误差：士5 ： 三角坑示值误差：士1 0 r a m ： 该系统采用接触式测量，不能通过道岔，道口以及沾满油污的曲线等地段， 而且钢轨飞边、磨耗也对测量结果有较大的影响。 图1 2 g j y - h - 3 轨道检测仪 1 3 本论文采用的技术方案和所做的主要工作 从上面的分析可以看出，目前国内外各种型号的便携式线路参数检测系统都 存在着不足之处，为此北京交通大学光电检测技术研究所自主研制了 f g j y - t 1 型 轨检小车”，如图1 3 所示。该系统采用激光位移传感器和单片机技术来测量线路 几何形位的变化，然后通过表桥法处理数据得到线路的几何不平顺状况【4 j 。系统 除测量线路高低不平顺外，对其他线路参数均采用非接触式测量，因此可以顺利 地通过道岔、道口等各种线路，具有灵活方便等优点。2 0 0 5 年1 月，轨检小车通 过了山西省科技厅和北京铁路局科委联合组织的技术鉴定。 图1 3 f g j ￥t l 型轨检小车 然而，由于应用笔记本电脑和单片机作为自动控制及数据采集处理系统，给 实际测量带来了很大的困难。主要是由于笔记本功耗过大且不防雨，不适合在野 外长时间工作。另外，由于激光位移传感器在轨检小车机构中通过反射镜对轨道 进行测量，而反射镜长期暴露在外界环境下，很易造成划伤及灰尘沉积，也严重 影响了测量的精度。 本论文基于以上研究，提出了一种使用嵌入式系统来代替笔记本电脑的方案， 并改进了激光位移传感器以及轨检小车的部分机械机构。主要工作内容如下： 1 、嵌入式系统的设计与实现：主要是嵌入式硬件系统以及控制软件的设计与 实现。 2 、激光位移传感器的改进：主要是激光位移传感器的设计改进及性能测试。 3 、现场测量试验：主要是到铁路现场进行大量的测量试验，找到并改进发现 的问题。 4 2 基于嵌入式系统的测量方案的设计 2 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统是一种以应用为中心、以计算机技术为基础、软件和硬件可裁剪、 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等严格要求的专用计算机系统【5 】。 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、外围硬件设备、嵌入式实时操作系统( r t o s ) 以 及特定的应用程序等四部分组成，是集软件、硬件于一体的可独立工作的系统。 嵌入式系统的主要特点是： 第一、嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式c p u 与通用型的最大的不 同就是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户设计的系统中，它通常都具有低功耗、 体积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片 内部，从而使系统的移动能力大大增强，与网络的结合也越来越紧密。 第二、嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，力争在同样的硅片面 积上实现更高的性能。 第三、为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的系统程序( 包括操 作系统) 和应用程序是一体的，这些程序被编译连接成一个可以执行的二进制映 像文件，然后被固化在系统存储空间中。 第四、嵌入式系统本身不具备自开发能力，设计完成以后，用户几乎无法对 系统中的程序进行修改，所以嵌入式系统的开发系统和实际运行系统实际并不是 同一个，需要交叉编译和适当的调试。 第五、高可靠性和高实时性。即在恶劣的环境或突然断电的情况下，系统仍 然能够正常工作；同时对于特殊的信号、消息、中断有极高的响应。 2 2 嵌入式系统硬件平台的设计 2 2 1 嵌入式系统的总体设计 在我们以往所研制的便携式轨道检测系统中，是应用笔记本电脑和单片机系 统来进行测量控制的1 6 1 。这种方法不适于在野外进行长时间测量，系统成本也较 高。基于此问题，本论文设计了一种应用嵌入式系统对测量进行控制的方案1 7 1 。 图2 1 显示了整个系统测量控制的关系。在该系统中，处于核心地位是嵌入式系统 的主板，它包含了微处理器、内存及大部分外围设备，起到运算和控制的作用 l & 9 j o j ”。该嵌入式系统的主板外形为3 5 寸，满足了设备小型化的要求；功耗为2 w ， 符合设备低功耗的要求；采用6 4 英寸的显示器和触摸屏，实现了操作的方便性。 另外，液晶显示器的工作温度范围为- - 2 0 + 7 0 ，由于其它部件的工作温度范 围均要高于液晶显示器，所以整机的工作温度范围也为一2 0 + 7 0 ，这就使测 量系统可以适应在寒冷的野外工作。最后，液晶显示器的功耗为2 5 w ，主板的功 耗为2 w ，所以测量系统的总体功耗为4 5 w ，远低于笔记本电脑的功耗，使得远 距离长时间测量成为可能。 嵌入式系统通过r s 4 8 5 总线同六个传感器互联。r s 4 8 5 总线用于多机互联。 具有通讯距离长、抗干扰能力强，组网简单等优点，可用一个总线将六个传感器 同时连接到嵌入式系统上。在此总线上，嵌入式系统作为主机，主动发出握手信 号，当作为从机的各个传感器接收到主机发出的握手信号时校验其地址信息，如 地址校验合格则回应主机的握手信号，并继续接收主机发出的命令，根据命令内 容进行相应操作。六个传感器分别都具有自己的r s 4 8 5 接口，然而l t - 2 4 1 0 c 型嵌 入式系统只具有r s 2 3 2 接口，并不具备r s 4 8 5 接口，在实际应用中使用数据转换 器将r s 2 3 2 接口同r s 4 8 5 接口进行对接。 如图2 1 所示，传感器1 至4 为四个激光位移传感器，用来测量轨道的轨距与 轨向；传感器5 为电感式位移传感器，用来测量轨道的高低；传感器6 为倾角传 感器，用来测量车体与水平面倾角的变化；另外，角度编码器用来测量里程。 图2 1 线路多参数自动测量系统的原理框图 2 2 2 嵌入式系统的主板组成 本系统选用了型号为l t - a 2 4 1 0 c 的嵌入式主板，是采用s a m s u n g 2 4 1 0 ( a r m 9 t 勾核) 作为微处理器的嵌入式r i s c 控制板，外形为标准的3 5 时。 6 1 、系统简述： s a m s u n g 2 4 1 0 是一款1 6 - 3 2 位精减指令( r i s e ) 微处理器，采用a r m 9 2 0 t 内核。处理器本身支持虚拟内存单元管理( m m u ) 、n a n d n o rf l a s h 启动、 s d r a m 管理、l e d 驱动。同时支持4 通道d m a 、3 通道u a r t 、4 路定时器、r t c 实时时钟、i i c 总线接口、s 数字音频接口、8 路l o , 位a d 及多路i o 控制。此外，同 时支持u s b 主从设备、s p i 总线。 2 、技术特性： 处理器：$ 3 c 2 4 1 0 处理器，3 2 位处理器，2 0 3 m l l z l 内存：6 4 衄s d r a m ； 1 0 4 寸t f r 、6 4 0 * 4 8 0 、6 4 k 色l c d 以及触摸屏； i o m 以太网接口； 2 通道u a r t ( 支持i r d a 红外线数据通讯口) ； 1 个u s b 主机接口及1 个u s b 设备接口； s d 卡控制器接口； e m b e d d e d - i c e 调试接口； r t c 实时时钟( 具备后备锂电池) ； i i c 总线接口( 驱动a t 2 4 c 0 4 一s c 2 7 ) ； a d c 模数转换接口； s p i 接口； i i s 数字音频输入输出接口； e i n t 外部中断接口； 3 、系统配置： l t - a 2 4 1 0 c 嵌入式控制板，如图2 2 所示。 图2 2l t - a 2 4 1 0 c 嵌入式主板 7 显示部件一套，固定在支架中，其中包括：1 0 4 时n 叮液晶一块、1 0 4 时触 摸屏一块、d c d c 电源转换板一块、液晶升压板一块。 4 、联接和通电运行： 将控制板与显示部件和调试用p c 按图2 3 方式进行联接。确认无误后，打开 电源，l t - 2 4 1 0 c 控制板上l e d 指示灯亮，表示系统开始工作。如引导正确，将运 行w i n c e 系统，在l c d 上显示系统画面，并可以通过触摸屏完成操作。 系统电源为a c d c ，输出d c l 2 v 电源，接入显示部件。由显示部件向l t - 2 4 1 0 c 控制板输出的电压为d c 5 v 。控制板内部的工作电压为3 3 v 。 l t - 2 4 1 0 c 通过串口，将调试信息传送到p c ，p c 端运行终端仿真程序可监视 控制板的运行。另外，p c 可以通过e t h e r n e t 将编译好的系统b s p 文件下载到控制 板，也可通过j t a g 接口，将启动程序烧录到控制板。 图2 3 连接示意图 2 2 3 嵌入式系统的操作系统 本测量系统的操作系统采用微软公司的w i n d o w sc e n e t4 2 版本，这是一个 3 2 位、多线程、多任务的操作系统，如图2 4 所示。虽然w i n d o w sc e n e t 的实时 性比不上美国w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s ，也不像l i n u x 具有公开的代码，但 w i n d o w sc e n e t 具有良好的图形处理能力，实时性也能满足绝大部分工业控制系 统的需要【l “。更为重要的是，由于w m d o w sc e n e t 中的a p i 是一个缩减的w i n 3 2 a p i ，是桌面w i n d o w s 系统a p i 的一个子集，这使许多基于微软桌面w m d o w s 开 发的应用程序可以只经过少许改动就用于w i n d o w sc e n e t ，这有利于进行嵌入式 系统测量控制软件的开发【1 ”4 1 。而且，对于测量系统的用户来说，w i n d o w s 操作 系统更为熟悉，有利于迅速掌握g r m d o w s c e n e t 系统的使用。 8 图2 4w m d o w s c e n e t 操作系统示意图 2 3 嵌入式系统应用软件的设计 嵌入式系统应用软件是线路检查人员实时控制轨检小车测量系统时使用的软 件1 1 5 , 1 6 】，程序主界面如图2 5 所示。我们用m i c r o s o f te m b e d d e dv c 软件编写此程 序【l ”。考虑到实际应用过程中的各种情况，此软件具备以下特点： l 、实时性。轨检小车进行线路检查时，操作人员需要实时了解所经过线路的 几何参数，尤其是参数超限时，应当及时报警提示。为了使轨检小车能达到8 k m h 的最快运行速度，必须要简化运算过程，使其能在一个采样周期里完成。 2 、简便性。由于嵌入式系统应用软件是在现场由铁路工人们使用，必须提供 一个友好的界面，使操作简便易懂。实际测量中遇到突发事件，应用软件必须设 计紧急处理功能，从而防止如数据丢失、测量中断等现象的发生。由于小车机构 空间有限，本系统中采用的输入设备主要是触摸屏，所以应用软件设计了软键盘 配合触摸屏的使用。 图2 5 嵌入式系统应用软件程序主晃面 9 2 3 1系统应用软件的整体结构 嵌入式系统应用软件的主要模块包括底层操作模块、检查模块、标定模块、 插值模块、数据预处理模块、计算模块、数据输入模块和数据输出模块总共八个 功能模块，图2 6 为程序总流程图。其中数据预处理模块和计算模块属于算法部分， 是应用软件的核心，图2 7 为测量过程的简要流程图。 n n f n l n l n l 图2 6 系统应用软件总流程图 1 0 罱 烈划 囱 0 角度编码器信号 - = _ j 、 限 豳 回 l 接收传癌l l 嚣数据l 图2 7 测量过程流程图 2 3 2 系统应用软件各模块的设计 l 、底层操作模块： 嵌入式系统应用软件比普通计算机软件具有更强的直接操作底层硬件的能 力。如2 2 1 节所述，除通用的输入输出设备外，同嵌入式系统连接的硬件有激光 位移传感器、电感式位移传感器、倾角传感器、角度编码器、电池和蜂鸣器。 三种共六个( 除角度编码器) 传感器连接在一起后通过串口转换器连接到嵌 入式系统的c o m l ，应用软件调用嵌入式操作系统的a p i 函数来实现串口的读写。 本软件使用c r e a t e f i l e 函数指定对c o m l 进行操作，同时设置相应的参数，并且 相应地返回一个句柄。其后，对c o m i 进行初始化处理后，可以使用r e a d f i l e 和 w f i t e f i l e 这两个函数对c o m l 进行读写操作。 在本系统的通讯协议中，规定了嵌入式系统作为主机，使用w f i t e f i l e 函数发 出字符s 作为采样命令。各个传感器作为从机，当接收到主机发出的采样命令 后开始进行各自的采样工作，然后根据自己的地址编码先后发出带地址号码的数 据帧。应用软件从返回的数据帧中提取原始传感器数据，并根据每个帧地址确定 数据的来源。通讯协议要求各个传感器在返回数据帧的时候要根据自身的地址编 码进行延时，地址编码大的传感器的延时时间要大于地址编码小的传感器，防止 不同的传感器在相同的时间段里发出数据，相互干扰。 角度编码器的输出信号经过相应的硬件处理后接入嵌入式系统的外部中断端 口。当轨检小车匀速前进时，眦t o 端口上出现占空比为5 0 的方波脉冲信号，i n t l 端口维持高电平；当轨检小车匀速后退时，i n t i 端口上出现占空比为5 0 的方波 脉冲信号，i n t 0 端口维持高电平；当轨检小车静止不动时，两个端口都维持高电 平。变速度时的情形也一样，只是占空比相应有所变化。方波脉冲信号的瞬时频 率随轨检小车速度的变化而变化，每一个脉冲周期对应于轨检小车规定的移动距 离，可以通过记录脉冲周期的个数来确定轨检小车的行走距离。 在应用程序中，独立启动了一个线程来检测外部中断端口上的脉冲信号，通 过查询中断标志位来读取脉冲个数。应用程序在测量工作开始后启动脉冲监测线 程，在线程程序中首先为外部中断申请虚拟内存块，然后把外部中断设置成内部 上拉电阻有效和下降沿触发方式，并且不进行中断跳转，而是通过查询中断标志 位的方法来监测脉冲信号。应用程序还需有回程消除功能，即在一方向的脉冲计 数过程中应能扣除另一个方向的脉冲数，防止轨检小车在原地小范围来回移动而 导致的里程累加现象。 下面这段程序说明了监测脉冲信号的过程，并在脉冲累计到规定数目后向操 作系统发送信息来指示主线程采取相应的动作。 w h i l e ( ! o n o p e r a t i o n s t o p c l i c k e d ) i f ( ( vp i n t r e g s - r s r c p n d & b i t _ e i n t 3 ) ! = 0 、 w o r k p r o _ p u l s c n u m 4 q - ； v _ p l n t r e g s - r s r c p n d = b i t _ e i n t 3 ； ) i f ( ( v _ _ p l n t r e g s - r s r c p n d & b i t _ e i n t l ) ! = 0 ) w o r k p r o _ p u l s e n u m - ； v _ p l n t r e g s - r s r c p n d = b i t _ e i n t i ： i f ( w o r k p r o _ _ p u l s e n u m = p u l s e n u m p e r p o i n t ) w o r k f l a g = l ； p u l s e d i r e c t i o n = l ； ) e l s ei f ( w o r k p r o _ p u l s e n u m m _ h w n d ，w m _ w o r k m e s s a g e ， p u l s e d i r e c t i o n ，0 1 ； ， s l e e p ( 1 0 ) ； ， 应用程序使用一路模数转化端口来检测电池电量，并在显示屏上显示电量的 相对值，以百分比表示。在本系统的应用中，电量的检测无需十分准确，所以应 用程序中用线性近似的方法来计算剩余电量的相对值。电量的检测应在开机时和 轨检小车工作过程中反复进行并同步显示。在应用程序中，首先依然需要为a d c 申请相应的虚拟内存块，然后选择a d c 的通道为a d c 0 ，并进行相应的初始化设 置。应用程序在每次需要检测电量时启动模数转化，并对结果进行换算。下面这 段程序显示a d c 转化的过程和结果换算过程。 v _ p a d c r e g s - r a d c c o ni = ( 1 “o ) ； s t a r t a u t oc o n v e r s i o n w h i l e ( v _ p a d c r e g s - r a d c c o n & 0 x 1 ) ； c h e c ki f e n a b l e _ s t a r ti sl o w w h i l e ( ! ( v _ _ p a d c r c g s - r a d c c o n & ( 1 “1 5 ) ) ) ；，c h e c ke c f l g m _ b a t t e r y - - - ( 0 x 3 f f & v _ p a d c r e g s - r a d c d a t 0 ) 一8 8 0 1 8 8 0 对应7 、， i f ( r e _ b a t t e r y 1 0 0 ) m _ b a t t e r y = 1 0 0 ： u p d a t e d a t a ( f a l s e ) ) 蜂鸣器由嵌入式系统控制，作为声音报警设备使用。当嵌入式系统的通用输 入输出口g p 7 输出高电平时，蜂鸣器开始呜叫并延时一段时间，然后停止。应用 程序首先依然需要为通用输入输出口申请一段虚拟内存块，然后将g p 7 设置成输 出口。当要报警时，应用程序让g p 7 输出一个脉宽为l m s 的高电平脉冲，然后蜂 鸣器开始工作约3 秒钟。 2 、检查模块： 在应用程序的主界面下，用户可选择进入检查模块，用来测试六个传感器是 否都正常工作，如图2 8 所示。如果线路异常或光路异常，传感器可能无法正常工 作，所以需要在每次正式测量开始以前，启动检查模块以确定传感器是否能返回 正确的数据，以免在传感器状态异常时进行工作。如果传感器返回的数据越界， 线路检查人员需要检查一下检测系统内部各仪器问连接的状态和光路状态。 当进入检查模块时，应用程序首先需要对串口进行初始化操作，指定对c o m l 进行读写操作。随后启动o 5 s 的定时中断，反复不断地读取传感器的数据并显示。 一旦准备退出检查模块，应用程序根据先前的数据判断传感器的状态，如果传感 器的状态失常，就进行提示。 图2 8 嵌入式系统应用软件检查界面 3 、标定模块： 应用程序具有在线标定功能，在每次正式测量开始前可以使用标定模块校正 轨检小车的系统误差。当轨检小车静止在轨道上时，启动标定模块，输入该点用 轨道尺等手测设施测量到的数据。应用程序会自动将程序测量到的数据和手测到 的数据进行对比，并把两者的差距存入到文件。当下次测量工作开始时，应用程 序会读取文件中的修正值对结果进行修正。由于高低和轨向的手测难度较大，所 以不使用高低和轨向的手测值作为其标准值，而是将应用程序得到的高低和轨向 的前1 6 0 个数据的平均值作为标准值。由于平均值能消除行走轮轴偏心等因素带 来的系统误差，所以可以近似作为标准值。 4 、插值模块： 六个传感器的输出数据都仅为相对值，并不是最终的位移数据，应用程序需 要根据对应关系将其转换成位移值。每个传感器在各自的加工过程中需要产生插 1 4 值表，里面存储着相对值和位移值之间的对应关系。将每一台轨检小车对应的传 感器插值表存储到嵌入式系统相应的目录下，应用程序在进行插值运算时首先需 要读取六个插值表文件，插值后存入六个二维数组里，供运算使用。 尽管除电感式位移传感器外，其他传感器的对应关系都不是线性的，但是在 生成传感器插值表的过程中采样点足够多，两个相邻采样点的间距较小，可以直 接用线性插值方法来求取区问内的其他值，其非线性误差可以忽略。下面给出实 现线性插值的程序段。 f l o a t x o ty o ，x l ，y l ，t e m p ； h a t x ： t e m p - - t a b l e o 0 ； o r ( k = o ；k i n t ( t c m p + x l - x o ) ：x 0 s w i t c h o q u m ) c a 0 ：+ ( s e n s o r l + x ) - - y o + ( y l - y 0 ) c x l x o ) + ( x - x o ) ；b r e a k ： c a s el ：( s e n s o r 2 + x ) - - y o + ( y 1 - y o ) ( x 1 - x o ) + ( x - x o ) ：b r e a k ； c 救2 ：+ ( s e n s o r 3 + x ) - - - y o + ( y l - y o ) ( x l - x o ) ( x - x o ) ；b r e a k ； c a s e3 ：+ ( s e n s o r 4 + x ) - - y o + ( y 1 - y o ) ( x l - x o ) + ( x - x o ) ；b r e a k ； c a s e4 ：( s e n s o r 5 + x 冯r o + ( y l y o ) ( x l - x o ) + ( x - x o ) ；b r c a k ； c a s e5 ：( s c n s o r 6 + x ) - - y o + ( y 1 - y o ) ( x i - x o ) + ( x - x o ) ： ， t e m p - - - - t e m p + x l - x o ； 5 、数据预处理模块： 测量工作中所采集到的传感器原始数据，有些属于奇点或包含着随机误差， 这些数据参与计算后，会对结果造成影响。尤其是高低和轨向这两个参数，由于 表桥算法有误差累加效应，那么上述坏数对测量结果的影响就更加明显。所以， 进行有效的数据预处理，使原始数据更加接近实际情况，是进行下一步运算的前 提。 数据预处理取决于数学模型的建立，分析各种干扰对原始数据的影响，从而 采取相应的措施消除干扰。通过现场的实验。发现奇点是最主要的误差来源。在 实际应用中，激光光束有可能射进轨缝，或者射到油污面上，这些都会使光线不 能返回到激光位移传感器；而轨检小车的跳动则有可能使电感式位移传感器和倾 角传感器的读数超限。这种情况下采集到的数据会跟前后值差距较大，称其为奇 点。由于线路的状况十分复杂，奇点的存在就十分普遍，必须需要对其进行处理。 本论文采用阈值滤波法来消除奇点的影响。根据数学模型，各个传感器连续 读数的跳变不应超过某一个特定的阈值。通过对实验数据的分析，将小激光位移 传感器的阈值定为4 m m ，大激光位移传感器的阈值定为8 m m ，电感式位移传感器 的阈值定为3 m m ，倾角传感器的阈值定为0 2 r a m 。这样，在嵌入式系统的应用程 序中，传感器测量到超过阈值的数据便直接用前一点有效数据来代替。理论上， 如果确定奇点前后几个点数据的影响权重，那么用其加权平均值来代替奇点，将 更加有效。但考虑到嵌入式系统应用程序的实时性，未采用该方法。 6 、计算模块： 应用程序在每个采样周期首先要采集各个传感器的原始数据，经过相应的转 换和预处理后，得到被测参数的最后的结果。被测参数包括轨距、水平、右高低、 左高低、右轨向、左轨向和扭曲共七种，其中扭曲由其它参数组合得到，不需实 时显示，所以将其放在非实时数据处理软件中处理，嵌入式系统应用程序不对其 进行处理，只对其他6 个参数根据各自定义进行计算。 7 、数据输入模块： 由于轨道的情况及所处环境的不同，应用程序要满足在各种环境中应用的特 殊需求。使用者通过数据输入模块输入相应的管理数据和现场数据，以使应用程 序根据不同情况进行不同的处理。应用程序提供文本框和选择项供使用者输入， 使用者可以通过触摸屏和软键盘来实现。 8 、数据输出模块： 轨检小车具备两种输出，分别是液晶文字输出和声音输出。当计算模块被执 行完成后，应用程序在液晶屏幕上显示各个参数的结果和里程等信息。一旦有数 据超限，应用程序就驱动蜂鸣器报警。 2 3 3 系统应用软件数据处理算法的研究 l 、轨距的算法： 轨距为轨道上两股钢轨头部内侧轨顶面下1 6 r a m 处的最短距离”】。我国铁路 的标准轨距为1 4 3 5 m m 。如图2 9 所示，轨距由三部分组成，其中x l 表示4 号激 光位移传感器到左轨之间的距离，) ( 2 表示2 号激光位移传感器到右轨之间的距离， l 表示两个激光位移传感器之间的距离。轨距的计算公式为： y = x l + x 2 + 工( 2 1 ) 图2 9 轨距测量示意图 2 、水平的算法： 水平是指轨道上左右股钢轨的相对高低 1 9 1 ，图2 1 0 中y 即为水平值。式( 2 - 2 ) 中l 表示该点的轨距，m 表示钢轨宽度的一半，搿表示轨检小车同水平面之间的 夹角，可以用倾角传感器检测到。 图2 1 0 水平测量示意图 3 、右高低的算法： 钢轨项面纵向的起伏变化称为高低。本论文用表桥法测量轨道的高低值 2 0 l ， 其原理如图2 1 1 所示。测量采用测量系统自身提供的直线基准而不是惯性基准， 即以轨检小车采集第一个数据时，两行走轮与钢轨接触点的连线为基准。当轨检 小车在钢轨上运行的时候，每经过，通过电感式位移传感器测出中间测量轮相对 1 7 于两行走轮与钢轨接触点的连线的偏移量q o = 1 ，2 ，3 l ，一一1 ) ，利用公式( 2 3 ) 求 出各点坐标值4 ，对一系列4 值进行数据处理，即可求出直线度误差。 ht - i 4 = 钆一2 气= - 2 一跳( 2 3 ) k - ik = l 4 = 4 = 0u = 2 ，3 栉) 将式( 2 3 ) 展开如下： a o = 0 a l = 0 a 22 a l 一2 a 1 = - 2 a l 4 = a 2 2 ( a 1 + a 2 ) = a l 一2 ( a 2 + 2 口1 ) = - 2 ( a 2 + 2 口1 ) 4 = 1 3 2 ( a i + 吒+ a o = a i 一2 ( a ，+ 2 口2 + 3 a t ) = 2 ( 岛+ 2 a z + 3 a i ) 。4 = 4 - 1 2 ( o l + 吒+ + q ，- 1 ) = 4 2 【q “+ ：z 2 + + ( 疗一1 ) a l 】 ，n = 2 【_ l + 2 _ 2 + + ( n 1 ) q 】 设每个测点的误差为珥，则误差传递后第n + l 点坐标的误差为： 以= 2 f 一l + 2 a a , , _ e + + ( n - i ) a - i 】 ( 2 5 ) 由式( 2 5 ) 不难看出，叫。是由各测量点的测量误差共同作用的结果。所以， 表桥法具有误差累积的作用，测点越多，误差累计越大。 目前，仍需寻找一种更好的方法来测量高低数据，研究的方向之一就在于使 用陀螺仪等仪器来建立绝对坐标，克服误差过大的缺点。 图2 1 l 高低测量示意图 4 、左高低的算法： 在右高低已经确定的情况下，左高低可以通过几何关系推导得出，即由该点 的右高低和水平以及前后1 0 m 处的永平确定。 5 、右轨向和左轨向： 轨向是指轨道上钢轨工作边沿纵向的平顺程度，其算法类似高低，先通过表 桥法得到右轨向，然后推导出左轨向。在本论文中，轨向不平顺的检测方法与高 韭立銮通太堂亟堂僮论塞基王巍厶式丕煞的捌量左塞啦盈让 低不平顺检测方法基本相同，也是通过表桥法完成的，其测量原理如图2 1 2 所示。 激光位移传感器i 、3 和2 分别代替表桥法中的两个固定支撵点和指示计。当 小车在钢轨上运行的时候，每经过，传感器2 和传感器l 、3 分别测出各自距离 钢轨的位移毛、聊，、( f - l ，2 , 3 ，n 1 ) ；然后利用公式( 2 6 ) 算出a t 值；最后利 用公式( 2 3 ) 得到轨向不平顺数据。 q ；掣一向( 2 6 ) iliii iiii i ilill 。： z ! ： 生 ! 土 f 竺 2 4 传感器的设计 图2 1 2 轨向测量示意图 传感器是轨检小车测量系统的重要组成部分，由嵌入式系统控制其工作与数 据的传输。系统有包括电感式位移传感器、倾角传感器、角度编码器和激光位移 传感器共7 个传感器。 2 4 1电感式位移传感器 电感式位移传感器用来测量高低变化，其本身固定不动，探头随测量轮的轮 轴运动，轮轴通过连杆跟车体连接，图2 1 3 示为电感式位移传感器的结构示意图。 电感式位移传感器探头采用差动变压器式，示值变动性达到0 ，1i im ，量程为3 m m ， 其测量原理如图2 1 4 示。正弦波发生芯片将固定频率和幅值的正弦波输入到初级， 根据铁芯位置的变化，在次级输出相应幅值的同频率正弦波，而铁芯与电感传感 器的探头是连接在一起的。该输出经过放大电路放大和阻抗匹配后进行模数转换， 微控制器采集到该信号后进行处理，并在接收到上位机的采样命令后发出传感器 的数据。 电感式位移传感器应用于系统之前，需要进行调试，如图2 1 5 示。首先，不 1 9 装电感式位移传感器探头，给传感器上电，调节偏置电位器，使第一个放大电路 的输出归零。然后接上探头，使其与光栅尺联动，调节探头的位置，并在第二个 放大电路的输出为零时将光栅尺清零。改变移动台的位置，观察光栅尺的读数变 化到+ 1 5 m m ，重新调节偏置电位器，使第二个放大电路的输出为2 v 。再次改变 移动台的位置，使电感式位移传感器的探头位于其量程的中点，调节增益电位器， 使第二个放大电路的输出为2 v 。调节完毕。此时，当探头的位置为一1 5 m m 时， 第二个放大电路的输出为0 v ；当探头的位置为0 时，输出为2 v ：当探头的位置 为+ 1 5 m m 时，输出为4 v 。 电感式位移传感器插值表如图2 1 6 所示，其趋势线方程为y = 1 3 8 5 4 x + 3 1 7 4 3 ，r 2 = 0 9 9 9 9 ，基本为线性方程，所以采用线性插值法进行查表运算。 图2 1 3 电感式位移传感器结构图 微 图2 1 4 电感式位移传感器测量头原理图 图2 1 5 电感式位移传感器调试图 2 4 2 倾角传感器 图2 1 6 电感式位移传感器插值表 倾角传感器安装在车体之上，用于测量车体与水平面倾角的变化。本系统的 倾角传感器采用电解液式，分辨率达到3 ”，重复度为0 0 0 5 。，响应时间小于4 0 m s 。 电解液式倾角传感器的工作原理是通过电极跟电解