（机械电子工程专业论文）地铁列车振动检测与平稳性分析系统.pdf

摘要 摘要 北京环线地铁经过二十多年的运营，存在着不同程度的车体晃动 问题，长期下去将会影响乘客的乘坐舒适感，甚至对列车运行安全造 成不利影响。本课题根据地铁车辆段的实际需要，设计开发了一种振 动检测与平稳性分析系统，采集列车在运行过程中的横向、纵向和垂 向振动加速度，将其传送到上位计算机，进行振动图像还原并计算平 稳性指标，分析列车运行品质，用以对行车安全监督和进一步的技术 改造提供条件。 本系统在硬件方面，采用撕c 8 3 1 单片机为核心的测量装置，外 扩集成的电容式加速度传感器及调理电路、l c d 显示、时钟芯片和按 键等部分。主要完成地铁列车车体振动加速度信号的实时测量和必要 的系统信息存储，并能将数据转储到上位机进行数据分析。 软件方面，底层采集系统主要应用k e i l c 开发平台，主程序采用 c 5 1 语言，实现系统信息的设置、加速度信号的采集和存储，以及与上 位机之间的数据通信。上层数据管理软件使用w i n d o w s 开发平台，c + + b l l i l d e r 编程语言和s q ls e e r 2 0 0 0 数据库，主要实现对信号的转储、 蠢询、分析和打印，包括振动图像还原、频谱分析、平稳性指标计算 等。整体软件采用了模块化、结构化的设计。 本文还包括用研制的便携式加速度检测记录仪，在北京环线地铁 所做的部分试验，以及用数据管理系统对试验结果进行的分析，初步 探讨了晃车原因。本系统现已投入使用，成为地铁车辆试验中方便且 有效的检测平台。 关键词：地铁振动平稳性检测仪 北京交通大学硕士学位论文 a b s t ra ( 了r a 脏r2 0y e 甜so fo p e r a t i o n ，t h cl o 叩- u n eo fb e i j i n gm e t mh a s d i f f e r e n te x t c n to fv i b r a t i o n s kt t l el o n gm n ，t h ep r d b l e n lw i up m d u c e n e g a t i v ee f f e c t so nc o m f o no fp a s s e n g 譬r sa n ds a f c t yo f 姗血g v e l i i d e s a c c o r d i n gt 0p r a c t i c a lr e q u i r e m e n to fm e n dc a rd e p o t ，as y s t c mo fv i b r a t i o n d e t e c t i n ga n d 锄0 0 t h n e s s 蛆a l y z i gw a sd e s i 弘e da n dd c v e l o p e di n 血c t o p i c n ef i i l l c t i o n o ft i l es y s t e mi n c l u d e sc o l l e c c 吨t h ev i b 础o n a o o e l e r a t i o no f l a t e r a l ，l o n g i t u d i i l a l 翘dv e r t i c a l ，t r 蛆s f c r i i n gt h ca c c e l e r a t i o n d a t at ot h eu p p e rc o m p u t e ra dr e s t o r i n gv i b r a t i o n 伊a p h a tt h es a m et i i n e ， t l i es y s t c mc a l lc a l c i l l a t et h es m o o t l u l e s sc r i t 谢o n 柚d 锄a l y z et h ev e h i d e n m i n gc l l a 豫c t e r sw h i c hp r o v i d ec o n d i t i o n sf o rs a f e t ym o i l i t o ro fr 唧i i l i n g v e l l i c l e sa n df u n h e rt e c h n j c a lr e t 斌t hm eh 硝1 w 盯ed e s i 弘，t h e 虹弛c 8 3 1m p ui st h cc o r co f t h i ss y s t 锄 w h ic ：he x t e d st l l ea c c e l e r a t i o ns e l l s o r ，c o n d i t i o n i i l gc j r c u i t ，d i s p l a yl l i l j t ， c l a c k 出p ，d e p r 髂s e dk e yc t c t h i ss y s t e mc a na 咖1 p u s ld e t e c t i l l g a c c e l c r a t i o ns i 印a la c c u r a t e l y ，s t o r a g es y s t e mi 耐b m l a t i o n 趾dt r a n s f e rd a t a t ot l i eu p p e rc o m p u t e r i nt l l es o 脚a r ed c s i 口，t l l ec o u e c t i n g s y s t 啪a p p l i c st l l e k e i l c d e v e l o p m e n tp i a t f o n n ，a n dt 王1 em a i np r o g r a mh a s ( 葛1l a n g u a g ct 0r e a l 讯 t l l ef 吼c t i o no f s e t t i n gs y s t e mi l d 咖a t i o n ，c 0 u e c t i n g a d s t c l r i n g a c c e l c r a t i o s i 印a l s ，鹅w e l la sc 0 蛐u i l i c a t i n gw i mu p p e rc o m p u t e r w i 血 w i i l d o w sd c v e l o p m e mp l a t f o r m ，c + + b u i l d e rp m 伊劬l a i l g u a g ea n ds o l s e e r 2 0 0 0d a l a b 硒e ，m ed a 诅m a i i a g e m e n t o p e r a t i n gs y s t e mm a i l l i y i i n p l e m e n t st h e s e 叩e r a t i o n sa b o u tm e m o r i z i n 舀i n q u i i i n g ，髓a l y z i n g 蚰d p r i m i n gd a t a w h i c hi i l d u d e sv f b r a t i o 掣a p hr e s t o r e ，f r e q u e n c y - s p e c c m m 柚a l y s i sa n ds m o o t h n e s sc i i 矧o ne v a l u a t i o n m o d l l l 盯如ds m l c t u m l d e s i 毋1 sa r cu s e di i lt h es o f t w a r c f u n 】1 e m o r e ，t h ep a p e ri n c i u d e ss o m ee x p e r i m e n t sj t h el o 叩- l j n eo f b e i n gm c t r ow i mo u rp o n 曲l ea c c e l e m t i o nd c t c c t i ga n dm 伽删z i l l g 北京交通大学硕士学位论文 i n s t n l m e n t ，t h ea i l a l y s i so fe x p e i i m e tr e s i l l t s 、7 l r i t hl h ed a t am a n a g c m e n t s ) r s t e m ，锄ds 鲫ep f e l i l n i i l a r yd i s c u 鹞i o na b o u tt h er e a s o no fc a rv i b r a t i 叻 t h es y s t 锄h 船b e e nu s e d 硒ac o n v e i i i e m 强de f e e c i v ed e t e c t i n gp l a t f 0 皿 i l lt l l ce x p c r i m e mo f s u b w a yt r a j nn o w 硒n 唧0 助s ：m e 们，v i b r a t i o n ，s m o o m n e s sc r n c d o n ，d e t e 础gi i l s t n l m e n t 绪论 第一章绪论 一个城市的现代化水平很大程度上体现在交通条件上，城市交通是 现代化城市的一项十分重要的基础设施建设，而发展地铁又是解决城市 交通的必由之路。地铁是各国繁荣大城市市区公共交通系统的最佳选 择，最近3 0 年发展尤为迅速，成为城市活动的命脉。有些城市的地铁 在客流高峰时占了全市客流的4 0 以上，对城市的畅通无阻起着极为 重要的作用。目前，中国的许多大中城市已经具备发展地铁的基础、实 力和条件，中国地铁的建设发展已成为不可阻挡的历史潮流，2 1 世纪 将是中国地铁建设高速发展的世纪。现在北京轨道交通以每年加k m 的 速度增长，到2 0 0 8 年轨道交通里程将达到3 0 0 k m ，市区计划铺设地铁 线2 0 条。因此，在今后的1 0 至2 0 年内，北京市轨道交通建设的年投 资额约为1 0 0 亿元，到2 0 2 0 年北京轨道交通的总里程将超过1 0 0 0 k m 。 目前，正在建设中的有四号线、五号线、十号线、奥运支线和机场客运 专线。 作为交通工具，确保安全、提高速度和改善舒适度是永恒的话题， 时至今日，在不断更新速度纪录的同时，城市轨道运输的安全问题也 是非常重要的课题。如何安全、快捷、方便地运送旅客，是目前各个 地铁运营公司都在探讨的课题。地铁列车的车体振动问题，直接影响 着乘客的乘坐舒适性和安全性。本文针对此问题，研制开发了地铁列 车加速度检测记录仪，提出了振动采集方案，对列车的安全平稳性进 行初步的分析评价，为地铁部门分析与解决车体晃动等复杂问题提供 了一个很好的检测平台。 1 1 选题背景和意义 到目前为止，北京环线地铁运营已达2 0 多年，车辆经过多年的运 营，存在着不同程度的车体晃动问题，并有愈发严重的趋势，长期下去 将会影响乘客的乘坐舒适感，甚至会对列车运行安全造成不利影响。车 体晃动问题涉及到车辆、线路、运行工况等多方面的问题，具有多种影 响因素的特点，晃动的主要表现形式为运行中车体产生的冲击振动加速 1 北京交通大学硕士学位论文 度，因此，如何准确地获取列车在运行过程中的振动加速度，分析列车 的运行平稳性，进而分析并解决车体晃动问题已成为目前一个重要课 题。 到目前为止，还没有一种专门针对地铁列车的振动测试与平稳性分 析系统。本课题是与地铁车辆段合作的科研项目，课题的所有技术要求 是应现场实际需要提出的。在北京地铁运营公司的大力配合下，成功研 制了便携式地铁列车加速度检测记录仪，并在北京环线地铁做了多次实 地测试，建立了数据管理分析系统，经大量数据统计分析，计算平稳性 指标，初步评价了列车的运行品质。本系统将成为今后地铁公司进一步 分析和研究车体晃动问题的方便且有效的技术手段。 1 2 国内外技术现状、水平及发展趋势 随着我国铁路列车普遍提速，能迅速掌握铁道机车车辆舒适度和 振动情况，获知机车车辆的运行性能，及时测试运行动力学参数，并 检测出可能出现的故障或不正常的运行参数极有必要，对确保铁路安 全运输十分重要，同时对机车车辆的维修保养等也非常有用。为了将 上述信息及时反馈给决定车辆的设计、制造和运用部门，各国铁路都 在积极地进行车辆运行质量、平稳性指标的测量和评价工作。 国内在开展机车车辆运行动力学性能检测试验中，普遍采用在试 验列车中加挂试验车进行检测，并取得了很大进展，但这需要投入相 当多的时间、人力和财力。研制一种便携式的动力学参数测试仪，可 以安装、安放在运行的机车车辆上，在运行的同时连续地显示和记录 被测试车辆的动力学参数以及各种反映行车质量的动力学指标，以满 足机车车辆动力学试验及行车质量监测是十分必要的。 国际上先进的发达国家都研制开发了便携式机车车辆行车质量监 测仪。目前应用较多的有英国d a t aa c q u i s r r i o nu d 研制生产的 1 6 0 0 型平稳性指标仪，日本铁路应用佐佐木研制的新型轻量化心盘加 速度测定装置，美国也有类似产品。这些车辆平稳性指标仪行车质量 监测仪与相应的理论研究、性能试验、质量监督检验和生产制造、运 用维修相结合，使机车车辆的设计和制造技术水平得到不断提高n 1 。 2 绪论 国内一些科研单位也进行了这方面的研究，例如铁道科学院研制 的基于d s p 的三维加速度及平稳性指标仅，西南交通大学研制的基于 虚拟仪器技术的乘车舒适性指标分析系统，浙江大学研制的基于a r m 处理器的便携式振动测试分析系统。这些产品往往成本比较高，应用 范围也有一定的限制。 机车车辆振动水平在怎样的范围内才能被接受，不同国家的铁路 在不同时期，曾采取过多种不同的评估方法和标准1 。目前，德国联 邦铁路采用的斯佩林( s p c r l i n 曲平稳性指标是基于大量试验而制定的， 它的实质是通过单一的判据以评估机车车辆的走行品质和舒适度，走 行品质的对象是机车车辆本身，舒适度的对象是人，人体对机械振动 的反映。但是，用斯佩林经验公式计算司机、旅客的舒适度指标比较 繁琐。英国铁路b r 的平稳性指标v r ，不仅用于对样车和现有机车车 辆的试验结果进行评估，而且也在新车开发阶段普遍用于评估数学模 型的输出。美国的杰奈威( j 柚e w a y ) 舒适性系数，是通过测定车辆的振动 加速度来判定乘坐的舒适性。日本国铁在早期参考美国的j a n e w a y 舒适 度标准方案，在1 9 8 1 年以i s o 一2 6 3 1 为基础，考虑了铁道车辆的振动 特性，提出了乘坐舒适度水平方案。i s 0 2 6 3 1 是国际标准化组织( i s o ) 提出的影响人体的振动评价标准，虽然是一个不具约束力的通用评价 指南，但却给各国振动研究带来很大影响，成为有关规范的重要组成 部分。另一种狄克曼指标可以较简便地判别人体对结构振动具有良好 感觉的界限，它能基本判别司机、旅客和桥上行人在列车过桥时的感 觉“。当前，国际上还没有统一的平稳性指标，s p e r l i n g 平稳性指标在 我国铁路得到长期的非正式的应用，直到1 9 8 5 年发布了g b5 5 9 9 8 5 “1 和1 9 9 3 年发布的靴3 6 0 9 3 “1 两个标准，我国才正式采用平稳性指 标对客货车辆以及机车的运行品质进行定量的评估。我国的平稳性指 标的计算公式和频率修正系数等基本与s p e d i n g 平稳性指标相同，只是 对指标的分级做了简化。 但是到目前为止，还没有一种专门针对地铁列车的振动检测及平 稳性分析系统，因此，本课题借鉴铁路的相关标准，并结合地铁的实 际情况，研究和寻求实现地铁列车安全、平稳、舒适运行的技术手段， 3 北京交通大学硕士学位论文 此项工作具有重大的现实意义。 1 3 课题任务和系统特点 基于以上选题背景，本文主要对以下内容进行研究： 1 。研制便携式加速度检测记录仪 车载装置是本系统的基础部分，只有在正确采集数据的基础上才能 对数据进行科学的研究，本文以m f c 8 3 1 单片机为核心研制了方便精 确的振动加速度数据检测记录装置，可定点安装在运行的地铁车辆上， 检测仅底座的磁性吸盘可与车体铁磁性物体实现刚性连接；对启动时间 等参量进行预设置，使加速度检测记录装置的数据采集的时间坐标与地 铁车辆运行时间坐标相一致；通过改变安装方向可对横、纵及垂向的车 体晃动的加速度数值进行实时采集、显示、存储以及数据转储。 2 研制地面数据处理和分析系统 车辆车体晃动加速度检测记录仪在完成随车数据采集工作后，可将 采集的数据转储给地面上位计算机分析系统，建立检测数据信息数据 库，通过软件计算系统，实现数据存档、查询、图形绘制与打印。对大 量试验数据进行统计分析，绘制出振动加速度的时域变化曲线，通过功 率谱图分析振动信号的频率特征，根据平稳性标准计算列车平稳性指 标，统计出车辆在环线各区间运行的平稳性等级。 3 评价地铁列车的运行品质，初步分析晃车原因 地铁车体晃动是一个非常复杂的问题，需要经过对不同速度、车辆、 测点的长期大量试验数据的统计分析，才能建立起车体晃动的专家库， 为行车安全监督和进一步的技术改造提供依据。 本文针对环线地铁列车的车体晃动问题，在信号采集、存储、评价 标准，以及上层数据管理等方面提出了一系列探讨方案，主要介绍了测 量系统的基本构成和各部分功能，并对大量试验数据进行了分析处理， 统计得出了环线地铁列车的运行平稳性等级，并对车体的晃动原因做了 初步探讨。 4 系统总体方案设计 第二章系统总体方案设计 确定系统总体方案，是进行系统设计的重要环节。系统总体方案的 优劣，直接影响整个系统的运行环境、性能以及具体实施电路的设计。 本系统主要是根据车载运行的环境要求，设计研制出车载装置，同时开 发出地面计算机数据处理系统，以便进行数据分析处理。 地铁列车振动检测与平稳性分析系统主要由加速度检测记录仪和 地面微机数据处理系统组成，如图2 1 所示。 图2 - 1 系统组成 加速度检测记录仪是系统设计的关键所在，如果数据采集不准确， 试验和数据分析处理都将失去意义。列车振动加速度信号经过滤波后进 入单片机，单片机对输入的信号进行d 转换，按照一定的方法对数 据进行判断、选择、存储和显示，列车回段后，通过标准串行接口u 越h 或通用总线接口u s b 把数据传给上位机，进行振动图像还原显示，并 根据采集的数据分析列车的振动情况，计算平稳性指标，分析车辆的运 行品质。 2 1 加速度检测记录仪的系统组成 加速度检测记录仪的主要功能是完成地铁列车横向、纵向和垂向振 动加速度的实时采集和记录，并把采集到的数据传送到上位机以便后期 分析，所以整个系统的可靠性和稳定性是设计检测仪的关键。检测仪的 硬件结构框图如图2 2 所示。 5 北京交通大学硕士学位论文 夔紫! l i 匿圈圈鬯豳 縻篓! 憾一圜窿圜 【? 。：i 1| 譬i _ - 一j 考虑到地铁列车的振动加速度不大，且频响也较低，故选用了型 号为a d 二抑2 型单片加速度传感器。它是集双轴加速度传感器于一体 的单块集成电路，属于力平衡式加速度传感器，测量加速度时满量程 为2 9 ，分辨率可达5 m g 。传感器外围电路简单，测量加速度时通常 只需接几个电容和电阻。可直接输出数字信号，也可输出模拟电压信 号。 a j m c8 3 1 微转换器是加速度检测记录仪的核心。a d 耻c8 3 1 是一 个完全综合的2 4 7 l 【采样保持数据采集系统，内部集成了高性能的自校准 8 通道1 2 位a d c 多路通道，双1 2 位屺通道和可编程8 位m c u 。微 处理器核心是8 0 5 2 ，提供片内6 2 髓v t e 非易失性闪速电擦除程序存储 器，内部带有4 圈3 y t c 的f 乙铃h 数据存储器，可以用于存储各种参数 设置数据，尤其是片内提供2 k b y t c 的扩展r a m ，不用片外扩展数据存 储器，就可以满足数据存储空间的需要。另外，a d “c 8 3 1 的功能还包 括看门狗定时器、电源监视器以及a d cd m a 功能，并为多处理器接 口和加扩展提供了3 2 条可编程的i 0 线、1 2 c 兼容的串行接口、s p i 串行接口和标准u 脚玎串行端口i ，o 。 为了便于p c 机进行数据分析，在测试过程中系统需要提供标准时 钟信号。p 秤8 5 6 3 是一款工业级内含1 2 c 总线接口功能的具有极低功耗 的多功能时钟日历芯片，不但外围电路简洁，而且也增加了芯片的可靠 性，可以为系统提供精确的时间基准。 6 系统总体方案设计 复位电路m a x 8 1 0 是性价比较高的系统监督电路，用于在系统中 监视电源吃，在必要时，向m c u 提供复位信号，不需要外接元件。 在屹掉到复位电压门限以下后的2 0 m s 内，复位输出变为有效。在v 二 上升到超过复位电压门限后，复位信号至少保持1 4 0 m s 的有效状态。 m a x 8 1 0 是高电平有效的复位输出。用来消除圪线上的快速瞬变毛刺。 较低的低电源电流，适用于电池供电的应用。 数据存储器采用了s a m s u n g 公司的酗f 6 4 0 8 u o c t c b 0 闪存。 它具有8 m b 的存储容量，读写操作速度快，尤其是具有优越的非易失 性，数据在系统掉电后不丢失。 为了方便用户操作使用，还在检测仪上扩展了按键和u d 显示， 用于输入系统信息和实时显示。 对于便携式系统，最重要的就是电源供电问题，要尽量降低系统的 功耗，还要保证系统能在较长的时间内正常工作。为此，设计系统电源 为两节1 5 v 电池，既可以使用充电电池，也可以使用干电池，更换方 便。两节新电池能够保证系统连续工作2 0 小时以上。 整个系统的硬件设计，依照高效、适用、低功耗的原则，用于加速 度数据的采集，收到了较好的效果。 2 2 检测仪的安装 本课题的最终目的是对地铁列车各部位的振动加速度进行检测， 并对数据进行分析处理，统计出不同部位的晃动范围、各部位之间晃 动量的关系，为进一步分析晃车原因提供条件。所以要考虑到采集列 车振动加速度的精确性，车载装置在选用传感器和进行安装时，尽量 减小误差。 因此要求选择不同振动程度的车辆进行检测，检测仪安装部位分为 簧下部分、簧上部分、构架部分和车体部分共四个部分。依此每个转向 架上设立4 个检测点，一节车辆上共需8 个检测点，分别安装在两个转 向架的两侧。从而实时检测记录各点的加速度值，待列车回段后将各点 数据转储到上位计算机，通过软件分析，统计各部位不同方向加速度 的变化规律。将8 个点的加速度变化曲线在时域内回放、比较，绘制平 7 北京交通大学硕士学位论文 稳性曲线，分析车辆的运行品质，为下一步寻找晃车原因提供依据。 目前本课题首先研究的是地铁列车车体的振动情况和平稳性的评 价，所以只将加速度传感器装置安放在地铁车厢内部即可，对于车体其 他部位的检测需要制作特定的安装卡具，这将在后续工作中完成。 2 3 数据管理分析系统组成 系统的软件主要有两个部分：底层数据采集、存储和显示，上层 的振动图像恢复和分析处理。底层系统采用c 5 1 编写，程序结构可分 为三个模块：系统设置、数据采集、数据通讯。主要完成采集系统的 信息设置，数据的实时显示、存储和转储。 上层系统采用c + + b u i l d e r 编写，数据库采用s q ls c v c r2 0 0 0 。上 层部分的程序结构可分为以下几个模块：数据通信软件模块、数据管理 软件模块、数据分析软件模块、检测数据与平稳性分析。系统主要完成 对采集的信号进行分析、处理和评估，包括系统数据的转储、查询、打 印和图形显示等功能，以便进一步进行振动特性分析和列车运行平稳性 指标的计算。 8 系统硬件方案设计及选型 第三章系统硬件方案设计及选型 本章主要对加速度检测记录仪的硬件设计各部分做详细的介绍，包 括系统核心的选择、加速度传感器的选择、各组成部分芯片的选择，以 及通讯电路的设计。 3 1 加速度传感器选型 传感器在系统中担负着采集信息的重要任务，传感器的准确度和可 靠性的高低，将决定系统的成败。传统的电子式测振仪需配上磁电式传 感器，才能测量加速度及位移，这种仪器的精度低、频率范围窄、过载 能力差、价格高、体积大。目前，加速度仪表正向单片集成化的方向发 展。最近问世的单片加速度传感器，内含加速度传感器和信号调理器， 只需配备数字电压表v m ) ，即可取代传统的测振仪。单片加速度传 感器的典型产品有美国a d i 公司生产的a d 1 0 5 、a d x l 2 0 2 和 a d x l 2 1 0 ，还有美国m o t o r o l a 公司生产的m m a l 2 0 0 d 、 m m a l 2 0 1 p 和m m a l 2 2 0 d ，这些产品也称作加速度计( a c c e l e m m e t e r ) ， 可广泛用于工业、交通、地矿、建筑及军事领域，既可以测量重力加速 度，又可以测量由振动、冲击所产生的加速度、速度、位移等参数，还 能取代水银式倾斜仪测量倾斜角。本课题选用了a d x l 2 0 2 型加速度传 感器。 3 1 1a d ) 日l 2 0 2 型加速度传感器的原理曲柚 a d x l 2 0 2 是一种低成本、低功耗、功能完善的双轴加速度传感器， 其测量范围为t2 9 。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) ，广泛应用于斜度测量、惯性导航、地震 监测装置、交通安全系统、电池供电的运动测量装置等领域。它采用先 进的m b m s 技术，在硅片中刻蚀了一个多晶硅表面微机械传感器，并在 同一硅片上集成了一套精密的信号处理电路。信号处理电路能将表面微 机械传感器产生的模拟信号转换为占空比调制( d c m ) 数字信号输出。 这种占空比调制信号可以直接用单片机或计算机进行处理，使用非 9 北京交通大学硕士学位论文 常方便。传感器的功能结构图和管脚图如图3 1 、3 - 2 所示。 图3 1a d ) a l 2 0 2 的功能结构框图 a d ) a l 2 0 2 加速度传感器是由一 个利用表面微机械加工的多晶硅机 撼 构和一个差动电容器组成。多晶硅结 v t p 构由多晶硅弹簧支撑着，处于晶片的 s t 顶部，同时该结构还与差动电容的运c 绷 动极板相连。差动电容的固定极板上 t 2 施加了相位不同的1 8 0 。方波。在加w 速度的作用下，多晶硅结构会产生偏 e 棚 移，于是就会拉动电容的运动极板滑 动使电容值发生变化，最终导致输出 方波的变化，利用这个原理，可以通 v d d v 硼 x f i l t y 髓1 t x o u t y c u t 磁 过差动电容检测到加速度的变化，加速度与输出方波的幅值成正比。 相位解调技术是用来提取信息，判断加速度方向的。解调器的输出 通过3 2 k q 的固定电阻输出到脉宽占空比解调器，这时，允许用户改变 滤波电容的大小来设置输出信号的带宽，如表3 1 所示。这种滤波提高 了测量的精度，并有效地防止频率混叠。 1 0 系统硬件方案设计及选型 带宽 c v 噪声噪声峰值概率 o k ) f )( d 动9 5 ( m g ) 1 00 4 71 97 6 5 0o 1 04 3 1 3 2 1 0 00 0 56 12 4 4 2 0 00 。o 凹 & 7 3 5 8 5 0 0 0 0 11 3 75 4 8 经过低通滤波后，模拟信号由d c m ( 脉宽占空调制器) 转换为脉 宽占空比信号。加速度可由一计数定时器或低功耗的微控制器通过测 量小瓦来测得，如式3 1 和图3 3 所示a 将互，瓦带入以下公式可以计算出加速度口为： 口。红 ( 3 - 1 ) “l 窖。 卜一t 2 一 口 l 图3 - 3a d l 2 0 2 输出波形示意图 式3 1 中，五由占空比调制器外接电阻器r 。确定，其关系为 瓦5 如日1 2 5 m q ；跖。“为对应的占空比，其典型值是5 0 ；，。表 示1 。加速度变化引起的占空比变化值，对于a d ) a l 2 0 2 的，的典型值 是1 2 5 。 除了数字输出，还可以通过低通滤波器获得模拟输出信号。模拟输 出信号可通过以下两种方法获得：一种从x 。和y 。l t 管脚得到，一种 是通过r c 滤波器对脉冲信号滤波后得到的d c 值推算。心f c 8 3 l 中 集成的a 加转换模块包含了8 通道1 2 位单电源a d c ，此模块可提供 多通道多路转换器和跟踪保持器，具有片内基准及校准特性，所有部 件能方便地通过3 个寄存器s f r 接口来设置。该a d c 由基于电容d a c 1 1 北京交通大学硕士学位论文 的常规逐次逼近转换器组成。转换器接收的模拟输入范围为0 v p ：。； 片内还提供高精度、低漂移并经工厂校准的2 5 v 基准电压。内部基准 可经外部p 名e f 引脚驱动，外部基准可在2 3 v a y 矗引脚电压的范围 内，可以方便地利用a d 2 0 2 的模拟输出。考虑到本系统后端处理的 单片机中带有高精度的1 2 位a d 转换器，故采用模拟输出，在x 。，和 k ，处取值。 a d x l 2 0 2 具有以下特点： a d ) 江2 0 2 是集双轴加速度传感器于一体的单块集成电路，比 电解质、水银、热能、斜度测量仪响应快； 测量范围小，可达到2 9 ，分辨力可达到5 m g ； 具有脉宽占空比输出，可直接传输给微处理器，而不需d 转 换或附加其他电路； 低功耗( 输出信号的周期在o 5 m s 1 0 m s 范围内，可用外接电阻r 。来 调节； 可承受1 0 0 0 9 的剧烈冲击。 从以上介绍可以看出，a d 2 0 2 型单片传感器具有体积小、测 量范围较小、灵敏度高、功耗低和可测量双向加速度的特点。本课题检 测目的是列车的振动信号，包括横向、纵向和垂向三个方向，而 a d ) a l 2 0 2 具有双向功能，通过设置传感器不同的摆放位置，可以任意 测得这三个方向的振动。经过多次试验后，最终选用了舢) ) a l 2 0 2 作为 采集信号的传感器。 3 1 2a d l 2 0 2 型加速度传感器的参数标定 由于器件参数的差异，芯片的基本参数略有差异，此外，同一器件 两个不同轴向的参数也有差异。因此，当要求测量精度较高时仍使用参 数典型值就会引起误差。要提高测量的精度，就需要在测量前对相关参 数认真标定。a d ) 江2 0 2 的专门设计使用户可方便、及时地进行标定。 系统硬件方案设计及选型 重力系统是最稳定、最精确、应用最广泛的参照系，使装置的方向与水 平方向平行便可得到0 9 对的校准值。然而实际中，由于p c b 板平整度 以及芯片的焊接会引起传感器初始位置的偏移，所以使用o g 平衡标定 的方法是不实用的。因此，采用了一种更为精确的标定方法：将测量范 围定为1 9 。失调值和灵敏度均由这两点决定。这种方法的优点是对加 速度计的位置不很敏感。因为每根轴所获取的信号与角度的余弦值成正 比。例如，在1 9 附近时，5 。所引起的误差仅为测量误差的0 4 ”。 该方法利用重力加速度进行标定，现以x 轴标定为例说明这一方 法：在传感器所处的p c b 板上预留了几个标定孔。利用标定孔将p c b 板悬挂在铁架台上，首先尽量使x 轴正向与重力加速度方向一致，测量 x 轴输出量，然后不断地调整p c b 板的位置，同时测量记录x 轴输出值， 当测量到最大值置。时，表示x 轴的正向与重力加速度方向相同，即 x 一对应+ 1 9 的输出；同样方法可以测量出一1 9 对应的输出x 。利 用公式3 2 可以计算出参数蜀，计算公式如下： x 轴向的x 。= l “m “+ 4 “( 3 2 ) 。o 二 同样，利用这种方法可以标定出y 轴的有关参数。这种方法对于成 品仪器仍然适用，校准系数可存储在佃即c 8 3 1 单片机的闪速电擦除 数据存储器中。 3 2 底层单片机采集系统设计 地铁列车加速度检测记录仪的硬件系统由加速度信号采集部分、数 据处理部分和通讯接口三部分构成，如图3 4 所示。a d ) 口l 2 0 2 传感器 采集到的振动信号，经过枷c 8 3 1 单片机的1 2 位a d 通道实现信号 模数转换，然后进行实时显示和记录。 北京交通大学硕士学位论文 图3 4 底层硬件结构图 3 2 1a e 恤c 8 3 1 单片机 目前，国内外通用型单片机从4 位机、8 位机、1 6 位机到3 2 位机 至少有5 0 多个系列4 0 0 多个品种，进入我国市场的通用型单片机主要 有m o t o r o l a 、a 舢，、m i c 尉蚵p 、n e c 、 f u j i t s u 等公司制造的 m c s 5 1 系列、m c s 9 6 系列、m 6 8 0 0 系列、a v r 系列、p i c 系列。在 如此多样的单片机世界中，m c s 5 1 系列单片机自诞生至今，一直在数 据采集系统、检测系统、控制系统、智能仪表、机电一体化产品等许多 领域中得以广泛的应用。 美国a d 公司是转换器领域的领导者。它率先研制出真正意义上的 完整的数据采集系统芯片( 包括数据转换电路、微控制器、闪速电擦 除存储器等) 。a d 脚c 8 1 2 是投入市场的第一种微转换器产品，它集成 了一个完全可编程的、自校准、高精度的模拟数据采集系统，采用了闪 速电擦除存储器，解决了以r o m 为基础的数据采集芯片的某些麻烦 的问题。微转换器的数据采集电路自身不需要8 0 3 1 过多的干预。因而 与分立方式的a d 转换和微控制器相比，它的效率更高。在微转换器中， 微控制器获取数字数据只需简单地从寄存器中读取。设定转换时间标 准、基准电压和最小化数字噪声的艰难工作都被自动完成了”1 。 1 4 圈 系统硬件方案设计及选型 本系统采用了新近推出的弘c 8 3 1 单片机，这是蛳c 系列中的 新成员，与此系列的其他型号相比，它具有更加强大的功能。内部集成 了高性能的自校准8 通道1 2 位a d c 多路通道，双1 2 位蛇通道和8 位可编程微控制器( 与8 0 5 1 指令系统兼容) 。微处理器核心是8 0 5 2 ，提 供片内6 2 e 非易失性闪速电擦除程序存储器和在线下载、调试、 编程的功能，因而不需要任何硬件仿真器就可以对蛳c 8 3 1 的应用系 统进行调试开发，使用户可以低成本、商质量迅速地开发蛳疋8 3 1 的 应用系统，并随时随地将用户系统更改软件进行升级。片内带有册y t c 的n a s h 数据存储器，可以用于存储各种参数设置数据，尤其是片内 提供2 k b v t e 的扩展r a m ，不用片外扩展数据存储器，就可以满足数据 存储空间的需要。另外，蛳c 8 3 1 的功能还包括看门狗定时器、电源 监视器以及a d cd m a 功能，并为多处理器接口和的扩展提供了3 2 条可编程的可d 线、1 2 c 兼容的串行接口、s p i 串行接口和标准u 螺t 串行端口帕。蛳c 8 3 1 单片机功能结构如图3 5 所示。 图3 - 5 柚“c 8 3 1 功能结构框图 a d c 8 3 1 单片机的功能特点如下”1 ： 1 _ 模拟输入输出 北京交通大学硕士学位论文 8 通道，1 2 位高精度模数转换器( a d c ) 高速a d c 至洲捕获d m a 控制器 双1 2 位电压输出型数模转换器( d a c ) 双输出p w m s - d a c s 片内带有温度传感器3 片内参考电压 2 存储器 62k b y t e 片内闪速电擦除程序存储器 4 k b y t e 片内闪速电擦除数据存储器，存储保持1 0 0 年，重 复擦写1 0 万次 2 3 0 4 b v t e 片内数据r a m 3 以8 0 5 1 为基础的内核 与8 0 5 1 兼容的指令集( 最大1 6 m k ) 1 2 个中断源，2 个优先级 双数据指针 扩展的1 1 位堆栈指针 4 电源： 可用3 v 和5 v 电压工作 正常、空闲和掉电三种工作模式 掉电：2 0 砖 3 v 5 片内外围设备 时间间隔计数器仃i c ) l i a r t ，1 2 c 和s p l 串行接口i ，o 看门狗定时器何研d ，电源监视器( p s m ) 下面对粼8 3 1 的d a c 、并行口、定时器、监控电路等功能模 块作一简单介绍。a d 封c 8 3 1 芯片管脚图如图3 6 所示。 双1 2 位数模转换器( d a c ) a d 肛c8 3 1 片内嵌入了双1 2 位数模转换器，其操作受控于一个特 殊功能控制寄存器s f r 和四个特殊功能数据寄存器s f r ，即d a c o l d a c l l ，d a 0 0 h ，d a c l h ，d a c c o n 。 1 6 系统硬件方案设计及选型 雕魏氆l ；酉 p t i * 0 图3 - 6a d “c 8 3 l 管脚图 并行输入输出口p 0 p 3 伽m c 8 3 l 用四个通用数据口与外部器件交换数据，除了执行通用 的输入输出外，某些接口还能用于外部存储器的操作，其余带片内外围 特征的复用功能接口可进行多路复用传输。p 0 、p 2 和p 3 口为双向口， 而p 1 口则为单向输入口，所有口都含有一个输出锁存器、输出驱动器 和输入缓冲器。接口的读写操作是通过与读写对应的特殊功能寄存器进 行的。通过设置对应端口的特殊功能寄存器位，各输入输出口都可独立 地设置为输入或输出。 定时器计数器 舢m c 8 3 1 采用了三组定时器计数器，定时器o 、l 和2 。在专用寄 存器t m o d 中各有一个控制位( c d ，分别用于控制定时器计数器0 和1 是工作在定时器方式还是计数器方式。定时器2 是一个具有1 6 位 自动重装载功能或捕获功能的定时器计数器，专用寄存器他c o n 是 它的控制寄存器。它的工作方式可以分为两类：一为定时器计数器方 式，另一为波特率发生器方式。 看门狗定时器 当由于程序错误、电噪声或电磁辐射干扰等原因使a d “c 8 3 l 进入 不稳定或错误状态时，该定时器可在一个合适的时间内使系统复位，以 1 7 糕盘嚣器撩 p j h 北京交通大学硕士学位论文 保证其最大限度的可靠性。 片内监控和电源监控 a d “c 8 3 1 具有片内监控功能，可在程序出现混乱或系统错误时， 使代码和数据错误最小。监控功能完全由特殊功能寄存器s f r 控制。 电源监控用于防止寄生噪声误触发中断。当电源电压较低时。此监 控功能保证用户保存工作寄存器内容，以避免可能出现的数据错误，同 时，仅在“安全”电源时，才执行代码。电源监控用于防止寄生噪声误 触发中断。 3 2 2 系统其他外围器件 3 2 _ 2 1 存储器 存储器是单片机外围设备的 重要组成部分，在经历了r o m ， p r o m 和e p r o m 后，如今已 到了闪速存储器( f l 鹊hm e m o r y ) 的时代。f i a s h 存储器以其低 成本、高可靠性的读写，非易失 性，可擦写性和操作简便而成为 一系列程序代码( 应用软件) 和 数据( 用户文件) 存储的理想媒 体，从而受到嵌入式系统开发者 的欢迎。 本系统采用了s 妯船u n g 公司的籼8 u o c t c b o 汹1 闪存，芯片管脚图如图3 7 所示。 对本系统而言，需要随车记录列 3 鞠 瑚 2 7 2 e 2 5 m 船 图3 7 硒融螂u 0 c 一1 b o 管脚图 车振动信息，要求有较大的存储容量和较快的访问速度。在许多测量和 测试应用系统中，尤其是便携式仪器等电池供电系统，需要保证数据的 可靠性和可用性，即使整个系统掉电，而所采集到的数据仍能长时间的 保持不丢失。闪存的非易失性非常优越，数据可保存长达1 0 年。而且 1 8 监篮魁瞄伽粕粒雌眦 舭妣眦眦噼峨|圣瞄惭 辩蚺蛇帖鞠嚣#；轴 k 警3 4 5 6 7 8 o位佐伸h惦侣仃博位船甜笠 蒎：i器潍篙肌麓篙怒篙鬣 系统硬件方案设计及选型 i ( 9 f 6 4 0 8 u o c t c b o 的最大优点在于其命令、数据和地址均可通过8 条加口线与单片机进行通信，大大节约了口，简化了系统连线， 增强了系统的稳定性。 k 9 f 6 4 0 8 u o c t c b o 的功能特点如下： 供电电压：2 7 v 3 6 v ： 该芯片容量为( 8 m + 2 5 6 k ) b ”e ，其中2 5 6 k b 为闲置储存空间。 由1 0 2 4 块组成，每块又由1 6 页组成。一页共有( 5 1 2 + 1 6 ) b y t e 。 每一个扇区又分为三个区( 2 5 6b y t e ，2 5 6b y t e 和1 6b y t e ) ，如 果需要对这三个区独立操作，则通过0 0 h ，0 1 h 和5 0 h 命令分 别选中： 写和读以页为单位，擦除以块为单位 a ) 页编程：( 5 1 2 + 1 6 ) b y t e b ) 块擦除：( 8 k + 2 5 6 ) b y t e 5 2 8 b v t e 页读操作 a ) 随机读取；1 0 肛s ( m a x ) b ) 连续页读：5 0 n s ( m i n ) 快速写操作 a ) 编程时间：2 0 0 肛s 口y p ) b ) 块擦除时间：2 m s p ) 8 位命令地址数据复用端口： 此芯片可擦写一百万次，掉电数据不丢失，数据可保存十年。 系统每次开机都要进行h a s h 检错，因为刚出厂的f u 搐h 可能 存在坏扇区，用久的膦h 好扇区