（交通信息工程及控制专业论文）列车完整性监测系统滤波算法设计.pdf

e盛金丝厶：羔亟堂垃迨 塞生!塞 地 墨 中文摘要 摘要：随着我国铁路事业的快速发展和铁路运输速度的提高，列车安全运行l 三成 为一个亟需解决的问题。在我国铁路干线全面提速的今天，研究并实现列车完整 性监测系统具有重要的理论和现实意义。 本文首先介绍了几种国内外列车完整性监测系统，分析了系统需求，根掘系 统需求决定采用嵌入式系统来实现本系统，并进行了系统规划和功能划分。加速 度传感器所采集的数据是本系统中最为重要的数据，而此数据在列车运行的过程 中将受到许多干扰，因此采用有效的滤波算法对所采集的数据进行滤波是使数据 的可靠性提高的最为有效的方法。本文的主要任务就是以加速度信息为研究对象， 进行理论分折、数学建模、结果仿真等研究工作，最终设计出一套行之有效的滤 波方案。 小波滤波与传统的滤波方法相比，具有独特的优势。小波分析是一种时域一 频域分析，应用在本系统的滤波中是可行的，进而设计了一个基于小波变换模极 大值的滤波器，还给出了基于小波阂值的去除噪声的算法描述，并给出了几种改 进的阈值函数，对各种算法进行了软件实现和仿真，对它们的滤波效果进行了比 较。在仿真中发现该滤波器能够收到较好的滤波效果。文中还阐述了系统各模块 的开发过程、关键技术、遇到的问题和解决方法。 图2 1 幅，表3 个，参考文献3 7 篇。 关键词：s 3 c 4 4 b o x ；pc o s - i i ；a d x l 2 0 2 ；g p s ；滤波算法 分类号：u 2 8 3 1 e 盛塞丝厶兰亟上! ：立途塞旦si 壁垒i a b s t r a c t a b s t r a c t ：t r a i ni n t e g r a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e mb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t ， b e c a u s eo f t h er a p i dd e v e l o p m e n to f r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n t h es t u d yo f t h i sp r o b l e mi s s i g n i f i c a n tb o t ht h e o r e t i c a l l ya n dp r a c t i c a l l y , e s p e c i a l l yd u r i n gt h ed a yw h e nt r a i n a c c e l e r a t i o ni si nt h ei m p l e m e n t a t i o n t h i sp a p e rf i r s t l yp r e s e n tan u m b e ro f t r a i ni n t e g r a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e m s ，t h e n r e q u i r e m e n ta n a l y s i si sp r e s e n t e d t h ee m b e d d e ds y s t e mi sc h o s e n ，b e c a u s eo f t h e r e q u i r e m e n ta n a l y s i s d a t ao f a c c e l e r a t i o ns e n s o ri sm o s ti m p o r t a n t i nt h i ss y s t e m ， w h i c hi si m e f f e r e d t h i sp a p e rm a k e si ta no b j e c ta n dr e s e a r c h e so nt h em o d e lb u i l d i n g a n ds i m u l a t i o n w a v e l e tf i l t e r i n gh a sp r e d o m i n a n c eo v e rt h et r a d i t i o n a lf i l t e r i n gm e t h o d s w a v e l e t a n a l y s i si sat i m ed o m a i n - f r e q u e n c yd o m m na n a l y s e s ，i ti sf e a s i b l et ob eu s e di nt h i s s y s t e m sf i l t e r i n g + am o d u l u sm 戥i m u md e - n o i s i n gf i l t e r i n gi sg i v e n t h ew a v e l e t t h r e s h o l dd e n o i s i n gf i l t e ra l g o r i t h mi sd e s c r i b e d t h i sp a p e ri m p r o v e do nt h ea l g o r i t h m t h i sp a p e rr e s e a r c h e so nt h em o d e lb u i l d i n ga n ds i m u l a t i o no f t h e s ef i l t e ra l g o r i t h m ， a n dc o m p a r e st h er e s u l t so f t h e s ef i l t e ra l g o r i t h m t h i sf i l t e rh a sag o o de f f e c t t h i s s t u d yp r e s e n t sad e t a i l e dd e v e l o p i n gp r o c e s so f a l lp a r t s ，p i v o t a lt e c h n i q u e ，d i f f i c u l t i e s a n dr e s o l v e s k e y w o r d s ：s 3 c 4 4 b o x ；i j t c i o s i t ；a d x l 2 0 2 ；g p s ；f i l t e ra l g o r i t h m c l a s s n o ：u 2 8 3 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：主j 休 导师签名： 签字日期：2 司年j 1 - b2 ，r 日 签字同期：矽年，7 月矽同 ：眶堕窑适厶堂塑士堂位垒塞鲨剑壁生型 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 互研木 签字日期：l ，9 ) 年j l 月玎日 致谢 本论文的工作是在我的导师蒋大明副教授的悉心指导下完成的，蒋大明副教 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： 年来蒋大明老师对我的关心和指导。 戴胜华副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向戴胜华老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，王树珂、蔡宏、姚亚平、潘长清、陈帅、王 巍等同学对我论文中的嵌入式系统研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我 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。 盛尘丝厶翌熊土堂位延 童 ：j z ； 1 引言 随着我国铁路事业的快速发展，列车监测系统的研究与应用己成为我国铁路 运输领域内比较重要的课题。在我国铁路干线全面提速的今天，保证列车行驶安 全也成为无比关注的课题。在这个前提下，列车完整性监测系统的研究与丌发具 有重要的理论和实际意义。 1 1 课题背景 列车安全运行是各国铁路部门十分关注、投入巨大精力和财力所要解决的问 题。特别是在我国，铁路是国民经济的大动脉，是社会主义市场经济发展的重要 基础设施。实施列车提速，是铁道部扭亏为盈的重要战略决策，1 9 9 6 年以来，铁 路已经进行了六次大面积提速。列车行车速度的提高、行车密度的加大、高负荷 的运输，对行车安全提出了更高的要求。铁道部已将列车安全运行作为头等事情 来抓。 铁路运输一些重大事故是由于列车脱钩，使尾部一节或多节车厢脱离列车整 体而造成的。在国外列车完整性的检查只是铁路智能交通系统的一个附属小模块， 通过轨道电路或定位系统，在完成某些功能时顺便检测。而国内则采用列车尾部 安全防护装置( 简称列尾装置) 来保证列车的完整j 。列尾装置是取消守车后投入使 用的重要的行车安全设备，对保障行车安全、提高全路运输效率起着重要作用， 提高了铁路运输的经济效益。但是列尾装置还存在着一些问题，如：列尾装置主 机途中漏风，列车被迫停车；列尾装置主机途中不报风压，但列尾装置主机返回 测试一切正常；电池质量差、寿命短。 1 2 国内外列车完整性监测系统介绍 国外高速铁路均以列车监测诊断系统作为其安全可靠运行的基础之一。美国 的“蓝虎”机车、日本的新干线、法国的t g v 、德国的i c e 等都实现了完整性监测 的微机化。德国i c e 高速列车自检系统。”，在列车运行过程中能不断检测列车的 运行状态是否j 下常，记录发生的意外现象，其数据可存储也可用文字或图形显示。 一旦发生意外，不仅能够报警，还可以通过i c e 的无线通信系统将消息传送给有 关的路段，使其作好准备。现在得到广泛应用的欧洲列车运行控制系统，其地面 系统的轨道电路，具有轨道占用检查、沿轨道连续传送地对车的信息等功能，能 e巫窑迪厶：羔 亟堂也迨塞：吉 够进行列车占用检测及完整性检查。 1 2 1i c e 高速列车的自检系统 i c e 高速列车在世界上首次实现了对整个列车的全面诊断。该诊断系统大大减 轻了对高速列车的运行操作、故障排除和维修保养工作。 i c e 中每一个用微电子技术控制的子系统都具有自诊断特性。这些系统是通过 一种性能良好的数据总线接口，由光缆实现与车辆和动力头车内部的上一级诊断 设备联网。 该上级诊断设备采集、判断和存储所有重要信息。通过列车光纤总线将中间 车的切诊断数据传给车头计算机，同时数据就被存储在那里。然后，用文字或 图形将行车所需要的，以代码形式存储在头车储存器中的诊断信号如制动压力显 示在司机台诊断显示屏上。一旦出现故障，该系统不仅进行报警，而且还同时向 司机提出处理建议。如有必要，司机还可以通过i c e 的列车无线通信系统将维修所 需的重要诊断数据传给有关的检修段。i c e 列车到段后可立即进行修理，这就为缩 短在段时间创造了条件。一般情况下，i c e 的在段时间仅为6 0 m i n 。司机设定好时 间，由计算机整备i c e ，使其处于待命开行状态。 i c e 由于采用了先进的计算机和诊断技术，才有可能使许多操作功能实现自动 化。例如高速动车组在其投人运营后可以“在整备状态下停放”。在运行过程中， 通过司机台的屏幕数据输入，还可以把i c e 动车组的相关机组预先调整到某一时间 的运行状态。 开机停车时，车载计算机和检修段的计算机负责监控主机开关和列车总线、 防止中间车的车内温度降至7 以下，保持列车用水不结冰。出现故障时监控系统 通过无线电发出报警这样监督人员可以就地立即排除故障。 在维修中心也可对动力头车计算机存储的诊断数据进行核查。按照预定交付 运营的时间，该系统自动进行动车组的整备过程。车辆完成空调过程、自动进行 制动检测、并在动力头车的司机台显示屏上显示整备过程完毕。这样，司机在出 乘前始终有i c e 高速列车处于待命状态。 在司机驾驶台上的电子自诊断系统： 在列车行驶时搜集运行数据： 将这些数据通过无线电台传送给检修工厂； 大幅度地减少检修时闻。 在司机驾驶台上的电子信息系统： 报告列车的运行状念； 2 e盛銮擅厶兰：熊：羔位途皇 ：i 盏 在出现各种故障时提示可采取的措施。 与动车组诊断系统相对应在检修段内启用了一套高性能的电子数掘处理系 统( e d v ) ，此外，这套系统还可以根葫c i c e 的诊断信息换算出材料用量和人员投入 量。检修段车间的8 段轨道之问装有约1 0 0 台计算机终端机。如有必要，它们中的 大多数也可借助打印机在最短时问内绘制出应维修部件的图纸。 德国铁路工业出于经济效益的考虑，规定i c e 动车组的每年走行公罩数高达 5 0 x 1 0 4 k r n 如果不充分利用每次机会做好保养维修工作并进行精心的协调，这项 规定就无法实现。 1 2 2 列车尾部安全防护装置 自1 9 9 2 年开始，我国进行了列车尾部安全防护装置( 简称列尾装置) 的研究， 并已成功地研制出了科技含量高、适应性强的列尾装置，解决了货物列车取消守 车和运转车长的列车运行安全问题。 国内主要的列尾装置都是利用机车上和列车尾部分别安装的无线发射和接收 装簧来实现的。本务机车与列尾装置主机通过无线编码构成“一对一”关系。机 车乘务员用机车控制盒发出需要查询的控制信号，列尾装置主机在接受到本次列 车的本务机车发出的指令后，向机车反馈查询信息，并在机车乘务室用语音播发， 或向尾部列尾装置主机中的风压控制系统发出响应的排风指令，可实现全列车安 全停车，防止列车放扬事故的发生。此外，列尾装置主机还具有监控功能，在列 车主风管被切断，主管泄露量超过规定值时，列尾装置主机会及时向机车乘务员 发出警示，提醒列车乘务员注意列车运行状态。 1 2 38 0 0 m h 列尾和列车安全预警系统 8 0 0 m h 列尾和列车安全预警系统。”由机车车载预警电台设备、道口安全预警设 备、袖珍式和便携式列车接近预警器，以及列车自诊断、日志记录信息传送设备、 专用维护设备等等组成。 实现的功能有：列车接近预警，道口障碍预警，列车二次防护预警，列尾风 压信息传送，设备自诊断、同志记录信息传送等。 8 0 0 m h z 列尾和列车安全预警系统主要功能： 列车接近预警：为铁路工务、电务、电力等部门的现场作业人员的人身安 全提供列车接近安全防护预警信息： 列车防护预警：为防止列车事故后发生二次行车事故的预警； 3 e盛尘堙 厶：! i 三 班 ：= ：j 三位迨塞i言 道口安全预警：为列争接近通知和道口障碍预警提供双向预警功能； 列尾信息传送：通过该系统平台，为列尾信息传送提供数传通道。 8 0 0 m h z 列尾和列车安全预警系统特色： 多协议、多制式的无线和有线数据传输； 采用f f s k 调制解调方式，实现道口预警、列车事故预警和列尾风压信号 的传送和接收，传输速率为1 2 0 0 b p s ； 采用p o c s a g 无线寻呼方式，实现列车接近预警信号的传送和接收，传输 速率为1 2 0 0 b p s ： 采用纠错和检错编码，实现传输数据的纠检错，保证了数据传输的准确性 和可靠性； 采用语音合成技术，使用方便； 采用标准的4 8 5 接口和火车”黑匣子”相连，可靠读取”黑匣子”内的数掘； 记录并保存发送和接收的预警信号日志，并能方便地转存到计算机； 全数字化通信具有抗干扰性好，保密性强等特点； 设备具有自检功能； 具有故障弱化功能，两部电台平时各负责本身的任务，若任一电台故障时， 另一电台尽可能地完成两电台的任务。 该项目的整个开发过程，是在铁道部的指导下完成的。该系统的开发成功， 为解决困扰铁道部多年的列车运行安全问题提供了有力的工具。从整个行业发展 趋势来看，该系统的开发、生产、装备是铁路运输发展的需要，是列车安全运行 的需要，是提高运能运力及经济效力的需要。在技术上，列车安全告警系统将向 着标准化、功能齐备、品质可靠、集道日安全、列车二次事故防护、接近告警、 综合信息传送、等多种业务于一体的方向发展。该系统将成为铁路运行的”第四大 件”，成为列车安全运行的有力保障，有着巨大经济效益和社会效益。 1 2 4z t f 2 0 0 2 型列车尾部装置 1 9 9 6 年9 月，z t f 型列车尾部装置通过铁道部鉴定。截止到2 0 0 4 年1 2 月， 已在全路运用8 9 0 0 套( 不含地方铁路) 。主要的型号有：z t f 9 9 型，z t f 2 0 0 0 型和 z t f 2 0 0 2 型。 z t f 2 0 0 2 型列尾装置”执行铁道部行业标准列车尾部安全防护装置通用技 术条件( 1 b t 2 9 7 3 2 0 0 0 ) 以及列尾装置与无线列调设备接口与数掘传输主要技 术条件( 运基通信 2 0 0 0 2 8 6 号) 。 z t f 2 0 0 2 型列尾装黄具有以下功能： ：也!垒丝厶 鲎 鲤土：z位 监皇 i |，j 列尾主机“零风压”报警，用于识别是否“断钩丢乍”； 列尾蔓机风压传感器故障报警： 列尾主机行车中电池欠压报警； 列尾主机具有抗震动瞬日j 断电保护功能； 司机控制盒指令自动重发，确保与列尾主机的可靠沟通； 司机控制盒增加四位数码显示，用于显示风压值和报警提示： 司机控制盒预留列车二次防护报警功能； 列尾主机与司机控制盒均预留编程接口，软件升级方便快捷； 简化附属设备配置，司机控制盒与确认仪增加置号功能，取消了“司机控 制盒置号仪”与“列尾主机置号仪”。 z t f 2 0 0 2 型列尾装置与前几代产品最重要的区别是：建立了列尾作业“黑匣 子”数据记录系统。通过对列尾主机与司机控制盒中的“黑匣子”数据进行分析， 可再现列尾作业全过程。 z t f 2 0 0 2 型列尾装置可在1 5 0 m h z 、4 0 0 m h z 以及8 0 0 删z 等无线通信信道平台 上工作。 z t f 2 0 0 2 型列尾装置采用“双向数传”技术，即机车与列尾主机之间的双方 向通信全部使用数字编码，缩短了占用无线信道的时间，减少了与无线列调之间 的相互影响，有利于在双线区段运用列尾装置。为此，z t f 2 0 0 2 型列尾装置预留 列车二次防护报警功能，以待条件具备时在双线区段使用。 随着铁路技术的发展，z t f 2 0 0 2 型还衍生：z t f 2 0 0 2 k 型客运列车列尾装置以 及z t f 2 0 0 2 g 型( 即：g s m r 列尾装置) 。 z t f 2 0 0 2 g 型列尾装置是按照铁道部技术政策，从依靠传统的独立的通信技术 走向依靠数字化、智能化、网络化的新一代数字移动通信系统。在中国铁路g s m - r 数字移动通信网总体发展的规划中，其抗干扰性以及在隧道中列尾信号传输的能 力将有大幅度提高。 z t f 2 0 0 2 型列尾装置同时推出了以下新型的附属设备： z t f 8 8 型机车号确认仪 采用“双向数传”工作方式，便携式电台设计，可监听列尾作业；可对列尾 主机置号；可控制下载主机“黑匣子”数据；可校准主机“黑匣子”时钟；可呼 叫机车与车站：可对讲通话；一机多用。 z t f 8 8 型一体化列尾控制台 采用便携式设计，集电台、列尾信令系统、列调机车台功能于一体。当列尾 司机控制盒不能与列调电台挂接使用，或挂接使用效果不好时，可替代列调电台+ 司机控制盒功能，完成列尾作业。该控制台可选择信道，还具有呼叫车站与机车 e!垒迤厶：羔亟j芏位 盈 塞i |t ：l 的功能，可作为机车乘务员的备j 月电台，也可当成“机车防护台”使用。 列尾主机自动测试台 町自动完成一台列尾主机所肯测试指标的检测，并| 动判定检测结果是否合 格。检测数据自动存储，并可上传至j l i , t - 算机中显示、查询和打印。使用自动测试 台既提高了列尾主机的检测效率，又确保了检测的准确度和可靠性。 z t f 型列尾中继器 为解决在无线列调弱场区或列调作业繁忙区，列尾信号传递受阻而专门设计。 采用交流2 2 0 1 供电，可连续使用而无须专人操作和维护。 列尾主机数据接收器 用于下载列尾主机“黑匣子”数据。数据下载方式分无线和有线两种，由于 无线下载无严格场地要求，又不受时b j 限制，操作方便灵活，是现场主要采用的 下载方式。 列尾司机控制盒数据转储器 用于下载司机控制盒“黑匣子”数据。 1 3 课题研究目标和内容及拟解决的关键问题 列车完整性监测系统，拟采用s 3 c 4 4 b o x 微处理器为主控制器，通过a d x l 2 0 2 加速度传感器实现加速度信息采集。通过数字电台，对列车头部和尾部的加速度 信息进行比较，同一时刻列车头部和尾部的数据差异超过某- 1 3 限值时，系统立 即报警。本系统中g p s 可以提供时间信号，作为时钟校对。本研究中拟解决的关 键问题如下： 加速度信息可靠性问题 作为判据的加速度信息在复杂的行车条件下被干扰，因此需要采用滤波算法 对加速度信息进行滤波。如何选择适当的滤波算法对加速度信息进行滤波是本课 题的主要任务之一。 数字电台的时钟同步问题 通过数字电台，对列车头部和尾部的加速度信息进行比较，必须是同一时刻 下列车头部和尾部的数据进行比较，否则信息比较将会变得毫无意义。因此需要 采用准确性较高的时自j 信号，作为时钟校准。 人机接口设计问题 人机交互是测试系统与操作人员之i b j 交互的窗口，是系统与外界联系的纽带。 一个安全可靠的应用系统必须具有方便灵活的交互功能，它既能及时反映系统运 行的重要状念，又能在必要时实现适当的人工干预。测试系统具有测试数掘显示 6 ea i 窑丝 厶：2 ： 塑! 位途塞i f 功能。人机接口主要由液晶显示屏、按键、键盘等组成，为操作人员提供了简单 友好的操作界面，方便使用。 1 4系统设计概述 列车完整性监测系统由列车头部和尾部两部分组成，二者通过数字电台通信， 将各自的信息交互，从而判断列车的状态，用以在列车发生抛车时及时向车载综 合电台发送告警信息，以便机车司机采取有效措施，防止事故发生。 列车在正常运行情况下，车体作为一个钢性整体，车头和车尾应该具有相同 的参数，如运行方向、速度、加速度等，当两端的参数不一致时，说明车体不再 是一个整体了。 目前的技术是尝试采用测量车身长度和车头车尾速度的方法来判断列车状 态。可以通过g p s 追踪列车，定位车头和车尾，计算出车身长度，同时利用速度 传感器采集车两端的速度信息。这种设计虽然简单，便于实现，但是对g p s 信号 的依赖严重，定位误差容易造成错误判断，在某些接收不到g p s 信息的环境( 如 隧道) 中，系统就无法正常工作。而与以速度为判据相比，以加速度为判据有着 更多的优势。首先，列车在抛车后的短时间内，车头和车尾的速度差距并不是很 大。其次，因为加速度是速度的导数，因此可以滤除很多因测量速度而带来的干 扰。最后，采用在车头与车尾的车轴上安装测速装置比较速度差值从而完成列车 完整性监测是可行的，但是会损害车轴装置，减少设备的使用寿命，在列车上安 装加速度传感器非常方便，加速度传感器可以直接嵌在系统中，不会损害设备。 因此该系统采用速度的导数为研究对象，即以加速度及其增量为判据，在求导的 同时对数据起到了初步平滑滤波的作用。尤其是本系统中g p s 主要是提供时间信 号，作为时钟校对，用以保证两组对比的加速度信息是同步的，并且同时提供列 车头部和尾部的定位信息作为参考。采集加速度信息对其进行滤波并计算加速度 增量，同一时刻下车头和车尾的数据差异超过门限值时，系统立即报警。 e ! 塞堑厶望塑! ：堂垃迨塞丕熟；蠡耋塑! 盟丝丝划 2 系统需求和总体规划 在列车完整性监测系统的设计中，大体上可以分为列车头部和尾部两个部分。 列车尾部需要通过数字电台将加速度信息传输到列车头部，列车头部通过对头部 和尾部的加速度信息进行处理比较，如果差值大于某一门限值，即可认为列车已 经抛车。所需要的信息还应包括系统所需要的时间、位置、速度，这些信息必须 由列车头部和尾部两个部分的设备采集、存储、处理，才能最终判断列车是否抛 车。 2 1 系统需求 列车头部和尾部都具有的功能有采集加速度信息、获取时间信息、获取位置 信息和数字电台。而列车头部还应具有数据存储及处理、判断和抛车报警等功能。 由此可得整个系统应当具有的主要功能如下： ( 1 ) 加速度信息( a ) 的采集； ( 2 ) 获取当前时间信息( t ) ，当前的位置信息( 经度和纬度) ； ( 3 ) 列车头部和尾部的通讯； ( 4 ) 数据存储、处理； ( 5 ) 逻辑判断； ( 6 ) 报警。 根据系统的主要功能，列车完整性监测系统的需求如下： ( 1 ) 由加速度传感器采集加速度信息( a ) ； ( 2 ) 由硬件时钟提供时间信息( t ) ，并由g p s 进行校准； ( 3 ) 由g p s 模块获取当前的位置信息( 经度和纬度) ； ( 4 ) 由数字电台保证列车头部和尾部的通讯； ( 5 ) 本嵌入式系统需要具有加速度传感器、g p s 模块、数字电台和报警模块等 部分的接口： ( 6 ) 本嵌入式系统需要具有一定存储空间用以存储数据和信息： ( 7 ) 本嵌入式系统需要具有一定数据处理能力，从而对采集到的信息能够迸行 处理、逻辑判断。 将列车完整性监测系统分成列车头部和尾邦两个子系统，它们的数据信息流 如下图所示： s e ! 垡迪厶翌亟! ：黧 互迨塞丕丝孟盛生! 堑i 奎拯型 圈2 - 1 列车头部数据流 f i g u r e 2 1t r a i nh e a dd a t af l o w 围2 2 列车尾部数据流 f i g u r e 2 - 2t r a i nt a i ld a t af l o w 根据系统的数据信息流，列车尾部采集尾部信息并通过数字电台将信息传输 至列车头部，列车头部同样采集头部信息，然后有列车头部根据两组信息进行数 据处理和逻辑判断，如果列车抛车，还将发出报警信息。 将列车头部、列车尾部和整个系统的数据信息流按表格列出如下所示： ：坠丛生适厶翌亟! 至：位迨塞丕丝盈盛塑! 整丝丝型 表2 - 1 数据信息流 t a b l e 2 1d a t ai n f o r m a t i o nf l o w 输入输出 列车头部列车头部加速度信息如果抛车，发出报警 列车头部时间信息信息 列车头部位置信息( g p s 信 息) 列车尾部加速度信息、时间 信息、位置信息等集成信息 列车尾部列车尾部加速度信息列车尾部加速度信 列车尾部时间信息 息、时间信息、位置 列车尾部位置信息( g p s 信 信息等集成信息 息) 整个系统1 、列车头部加速度信息、时如果抛车，发出报警 间信息、位置信息( g p s 信息)信息 2 、列车尾部加速度信息、时 间信息、位置信息( g p s 信息) 2 2 系统规划 首先将整个系统分为列车头部子系统和列车尾部子系统。而每个子系统都应划 分为若干功能模块。两个子系统都是以同一个嵌入式处理器为核心，增加相应的 外围电路以完成不同的功能。在程序设计上可以划分为若干程序模块，分别进行 调试，最后对程序进行整合并进行整体调试。在系统中，很多模块都是软硬件结 合不可剥离的，需要对软硬件整体把握、总体规划、协同设计。 列车头部子系统具有的功能模块包括： ( 1 ) 加速度信息采集模块； ( 2 ) g p s 信息采集模块； ( 3 ) 通讯模块； ( 4 ) 数据信息处理模块； ( 5 ) 逻辑判断模块； ( 6 ) 报警模块。 0 丛笠堡厶：兰亟! ：堂i ! 迨塞墨鱼孟苤塑! 堑丛堡羔 图2 - 3 列车头部子系统模块图 f i g u r e 2 3t m i nh e a ds u b s y s t e mm o d u l ep l a n s 列车尾部子系统具有的功能模块包括： ( 1 ) 加速度信息采集模块； ( 2 ) g p s 信息采集模块； ( 3 ) 通讯模块。 幽2 - 4 列午尾部子系统模块幽 f i g u r e 2 - - 4t r a i nt a i ls u b s y s t e mm o d u l ep l a n s e 巫至丝厶堂亟土堂位丝幺丕丝矗耋星! 簋i 查塑型 整个系统设计的内容包括： ( 1 ) 以嵌入式处理器为核心的硬件系统； ( 2 ) 可以按照设计要求完成各个功能调度的嵌入式操作系统 ( 3 ) 采集加速度信息的加速度传感器模块； ( 4 ) 采集g p s 信息的g p s 模块； ( 5 ) 通讯模块； ( 6 ) 完成数据存储的存储模块： ( 7 ) 完成数据处理、逻辑判断的程序处理模块； ( 8 ) 报警模块。 2 3 系统设计流程规划 在一个完整的系统设计过程中，有两种主要的思路：一种是自上而下的设计， 另一种是自下而上的设计。本系统的设计工作比较复杂，涉及的流程也比较长， 需要从逐个的电子元器件为基础，构造出一个具有一定逻辑控制功能的系统。 在本系统的设计过程中，单纯地使用自上而下的设计或者自下而上的设计都 是有局限性的： ( 1 ) 如果采用自上而下的设计，需要首先构造软件的逻辑，而软件又要依赖于 底层的电子元器件，软件的规划很难充分考虑到硬件的情况，如果遇到硬 件不能满足软件逻辑的情况，上层的设计就会被完全推翻。 ( 2 ) 如果采用自下而上的设计，缺乏整体的协调性，设计上一层的时候很可能 需要重新设计下一层。 综上所述，本系统的设计分成两个阶段，第一个阶段是平台设计阶段，第二 个阶段是上层程序设计与整合阶段。在平台设计阶段，采用自下而上的设计思路， 主要应用的是电子技术和嵌入式系统构建的知识。最终将完成列车完整性监测系 统所需要的所有资源。在上层程序设计与整合阶段，采用自上而下的设计方式， 分层完成各项功能，其中底层部分是由平台设计阶段得到的。上层的设计中，需 要应用软件工程中数据流分析和设计思想，以及嵌入式系统中实时设计的思想。 在平台设计阶段，主要包括如下： ( 1 ) 嵌入式系统：嵌入式系统的设计目的是构建一个系统运行的环境，它是一 切其它硬件软件设计的基础。嵌入式系统的设计主要包括：处理器芯片的 选择，外围硬件设计、系统调试环境与操作系统等。 ( 2 ) 加速度传感器模块：加速度传感器模块由加速度传感器得到子系统的加速 度数据信息，在本模块的设计中需要根据加速度传感器的特点，设计相应 j b 盛奎熊厶堂亟：兰位丝望丕丝；蓝耋! ! 整缝趣型 的硬件接口并编写程序。 ( 3 ) g p s 模块：g p s 模块是需要采集位置信息( 经度和纬度) 并对时间信息在一 定的周期下进行校准的功能模块。 ( 4 ) 双机通讯模块：双机通讯模块是由数字电台保证列车= 头部和尾部的通讯。 ( 5 ) 报警模块：当列车出现抛车事故时，将及时启动报警模块，使事故的危害 减到最低。 其中嵌入式系统模块的设计是整个系统设计中最为重要的设计，它不仅包括 硬件设计还包括操作系统的选择。 系统设计工作量分配如下： 图2 - 5 系统设计工作量 f i g u r e 2 - 5s y s t e md e s i g nw o r k l o a d 和整合阶段 e 塞童堑厶：王亟! ：堂芷迨塞丞筮益盛塑：垦缝坦型 图2 - 6 系统模块结构图 f i g u r e 2 - 6s t r u c t u r eo f t h es y s t e mm o d u l e 4 瘟童迤厶堂塑：羔i ! 迨塞丕红壁f ! i ：佥型自! 缝缝丞丝曲壅邀 3 系统硬件介绍和操作系统的更改 考虑到列车完整性监测系统各方面的要求，以及方便测试系统的数据管理和 液晶显示控制，因此测试系统的c p u 在选型上决定使用s a m s u n g 公司的s 3 c 4 4 b o x 。 s 3 c 4 4 b o x 是s a m s u n g 公司推出的一款基于a r m 7 t d m 内核的3 2 位r i s c 处理器，该 处理器为手持设备和一般类型的应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方 案。 a d x l 2 0 2 是美国a d i 公司出品的低成本、低功耗、功能完善的双轴加速度传感 器，其测量范围为2 9 。a d x l 2 0 2 将敏感元件和后续电路集成在一个芯片上，可广 泛地应用在斜度测量、惯性导航、地震监测装置和交通安全系统等领域。 本章在介绍了s 3 c 4 4 b o x 、a d x l 2 0 2 和g p s 基本特点和原理的基础上，还阐述 了pc o s i i 操作系统在s 3 c 4 4 b o x 上的移植和在本列车完整性监铡系统中应用的 更改。 3 1s 3 c 4 4 b o x 处理器 s a m s u n g 公司的s 3 c 4 4 8 0 x 1 6 3 2 位r i s c 处理器为手持设备和一般应用提供了 高性价比和高性能的微控制器解决方案。”。为了降低整个系统成本，s 3 c 4 4 b o x 还 提供以下部件：8 i ( bc a c h e 、可选内部s r a m 、l c d 控制器、2 个u a r t 、4 个d m a 、 系统管理( 芯片选择逻辑、f p e d o s d r a m 控制器) 、6 个带p w m 的定时器、i o 口、 r t c 、8 通道1 2 位a d c 、i i c i i s 总线接口、同步s i o 接口和时钟p l l 。 s 3 c 4 4 b o x 是使用a r m 7 t d m i 核、0 2 5u m c m o s 标准单元和存储器编译开发的。 它的低功耗和全静态设计使得其特别适用于成本敏感和功耗敏感的应用。 s 3 c 4 4 b o x 的杰出特性是它的c p u 核，是由a r m 公司设计的a r m 7 t d m ir i s c 处理器 ( 6 6 m h z ) 。 s 3 c 4 4 b o x 的特性如下： 1 6 3 2 的r i s c 体系结构。 高效、强大的a r m 7 t d m ic p u 核。 3 2 8 硬件乘法器。 新总线体系结构( s a m b a ) 。 8 k b 指令数据c a c h e ( s r a m ) 。 支持外部总线主控模式。 性价比高基于j t a g 调试的解决方案。 系统管理( 外部总线8 位、1 6 位、3 2 位) ： e 巫垡迪厶竺熊：羔i i 迨塞丕丝鲤刨金型垄l 送红丕筮鲍丝邀 一总2 5 6 、i b 地址存储体( b a n k ) ； 一支持d , 大端存储器； - - 3 个存储体( r o m s r a m f p e d o s d r a m ) 。 时钟和功耗管理： 一低功耗( 1 0 u 6 6 m a ) 6 6 m h z ； - - - 6 2 0 m h z 主振荡器，输入时钟内部由片上p l l 使用系统时钟6 6 m h z 产 生，高达1 3 2 m h z ； 一软件可以选择使能或禁止时钟进到每个功能块； 一功耗模式：正常、慢、空闲和停止模式。 中断控制器：3 0 ( 8 ：e x t ) 个中断源。 5 个带p w m 的定时器。 1 个内部定时器。 时钟：3 2 7 6 8 k h z 工作。 通用i 0 口：最多7 1 1 个0 口。 1 个s i o 2 个u a r t 带1 6 字节f i f o 或基于中断( 支持i r d a l 0 ：1 1 5 k b s ) 。 一2 个通用d 姒控制器，2 个d m aa o 转换器； 8 路多路开关a d c ； - - 5 0 0 k b p s l o 位； 一读命令启动a d c 转换不浪费a d 转换时间： 一1 个中断源。 l c d 控制器： 一支持彩色单色灰色l c d 板； 一支持单扫描和双扫描显示； 一系统存储器用作显示存储器； 一可编程屏幕尺寸； 一灰度等级：1 6 色； 一色彩：1 6 色； 一专用d m a 用于从系统存储器取映像数据。 1 6 位看门狗定时器。 i i c 控制器： 1 个i i c 总线控制器； 一串行、8 位、双向数掘传送在标准模式高达l o o k b s 或在快速模 式高达4 0 0k b s 。 i i s 总线用于c o d e c 接口。 6 ej ! 奎地厶：z 塑! ：堂位迨塞丞丝鲤! 金型型遨缝丕丝丝垂邀 ：【作频率：达6 6 m h z 。 2 5 - - + 0 2 v 内核供电，3 3 4 - 0 3 v i o 供电。 封装类型：1 6 0 一l q f p ，1 6 0 - f b g a 。 3 2 加速度传感器a d x l 2 0 2 3 2 1简介 a d x l 2 0 2 是美国a d i 公司出品的低成本、低功耗、功能完善的双轴加速度传感 器，其测量范围为2 9 。a d x l 2 0 2 将敏感元件和后续电路集成在一个芯片上，可 广泛地应用在斜度测量、惯性导航、地震监测装置和交通安全系统等领域。 a d x l 2 0 2 既能测量动态加速度( 如振动加速度) ，又能测量静态加速度( 如重力 加速度) 。a d x l 2 0 2 可输出数字信号，其脉宽占空比与两根传感轴各自所感受到的 加速度成正比。这些信号可直接传输给微处理器，而不需a d 转换或附加其它电路。 输出信号周期在0 5 m s l o m s 范围内，可用外接电阻r s e t 调节。如果需要与加速度 成正比的模拟电压输出，则可从x f i l t 和y f i l t 管脚输出信号，或者使用对脉宽占 空比输出信号滤波后的信号。 a d x l 2 0 2 的带宽可以通过电容c x 和c v 在0 0 1 h z 一5 k h z 的范围内设定。6 0 h z 带宽时 的分辨率为5 m g 。a d x l 2 0 2 采用1 4 引脚表面封装。有两种工作温度范围：商业温度 范围为o 。c 一7 0 ，工业温度范围为- 4 0 - + 8 5 。 a d x l 2 0 2 具有以下特点： a d x l 2 0 2 是集双轴加速度传感器于一体的单块集成电路； 它既可测量动态加速度，又可测量静态加速度； 具有脉宽占空比输出； 低功耗( 4 时，就可能产生溢出。 4 2 5递推平均滤波法( 又称滑动平均值滤波法) 上面介绍的算术平均值滤波，每计算一次数据，需要测量n 次。对于测量速 度较慢或要求计算速度较高的实时系统，该方法是无法使用的。例如菜a i x ；芯片 的转换速率为每秒钟1 0 次，而要求每秒输入4 次数据时，则不能大于2 。下面介 绍一种只需要进行一次测量，就能得到一个新的算术平均值的方法，即滑动平均 值滤波法。 滑动平均值滤波法采用队列作为测量数据存储器，设队列的长度为n ，每进行 一次测量，把测量结果放于队尾，而扔掉原来队首的一个数据，这样在队列中始 终就有n 个“最新”的数据。当计算平均值时，只要把队列中的n 个数据进行算 数平均，就可得到新的算数平均值。这样每进行一次测量，就可得到一个新的算 术平均值。滑动平均值滤波法中的队列一般采用循环队列来实现。 4 2 6加权滑动平均滤波法 在算术平均滤波和滑动平均滤波法中，n 次采样值在输出结果中的比重是均等 的，即l n ，用这样的滤波算法，对于时变信号会引入滞后，n 越大，滞后越严 重。为了增加新的采样数据在滑动平均滤波法中的比重，以提高系统对当前采样 值中多受干扰的灵敏度，可以采用加权滑动平均滤波法。实质上它是前面介绍的 滑动平均滤波算法一种改进，即对不同时刻的数据加以不同的权，通常越接近当 前时刻的数据，权重越大。加权滑动平均滤波算法适用于由较大纯滞后时间常数 的对象和采样周期较短的系统，而对于纯滞后时间常数较小，采样周期较长，变 化缓慢的信号，则不能迅速反映系统当前所受干扰的严重程度，滤波效果较差。 4 2 7复合滤波法 单片机、嵌入式系统在实际应用中，所受到的随机干扰往往不是单一的，既要 消除脉冲干扰的影响，又要做数据平滑处理。因此，在实际应用中常常把前面介 绍的两种以上的方法结合起来使用，形成所谓的复合滤波。例如，防脉冲扰动平 e 壅坌埋厶鲎亟! ：垡i 互逾塞筮主造遮丝堡塑! 直选 均值滤波算法就是一种实例。这种算法的特点是先用中位值滤波算法滤掉采样值 中的脉冲干扰，然后把剩下的各个采样值再进行滑动平均滤波。由于这种滤波算 法兼容了中位值平均滤波算法和滑动平均滤波算法的优点，所以无论是对缓慢变 化的过程变量还是对快速变化的过程变量都能起到较好的滤波效果。 下面总结了几种常用的滤波算法，如下表所示： 表4 - 1 数字滤波算法总结 t a b l e 4 1d i g i t a lf i l t e r i n ga l g o r i t h ms u m m a r y 滤波算法 算法描述优点缺点 限幅滤波法根掘经验判断，确能有效克服因偶然( 1 ) 无法抑制周期 定两次采样允许的 因素引起的脉冲干性的干扰 最大偏差值( 设为扰( 2 ) 平滑度差 a ) ，每次检测到新 值时判断： ( 1 ) 若本次值与上 次值之差小于等于 a ，则本次值有效 ( 2 ) 若本次值与上 次值之差大于a ， 则本次值无效，放 弃本次值，用上次 值代替本次值 中位值滤波法连续采样n 次( n( 1 ) 能有效克服因对快速变化的参数 取奇数) ，把n 次采偶然因素引起的波不宜采用 样值按大小排列，动干扰 取中间值为本次有( 2 ) 对变化缓慢的 效值被测参数有良好的 滤波效果 算术平均滤波法连续取n 个采样值适用于对一般具有( 1 ) 对于测量速度 进行算术平均运随机干扰的信号进较慢