（光学工程专业论文）车轮扁疤检测系统开发与算法研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 i l lm l l 摘要 本课题来源于黑龙江省重点科技攻关项目“基于d s p 及嵌入式的车轮扁 疤检测平台”。作为项目的重要组成部分，本文详细介绍了一种基于d s p 的 车轮扁疤检测数据采集和处理系统及相应车轮扁疤检测算法开发。 论文介绍了车轮扁疤检测平台的背景及意义，从而引出本课题的设计思 想，描述了其工作原理及特点，同时明确了课题的主要工作及目标。提出了 基于d s p 的车轮扁疤检测系统的总体设计方案，并进行了详细的方案论证。 论文主要在系统硬件设计和软件算法开发，及最后系统调试及联调三个方面 进行了描述：硬件方面，以t m s 3 2 0 c 6 x x x d s p 芯片作为主处理芯片和以 e p m 7 x x ) ( ) 【c p l d 芯片为主控制芯片，详细描述了其各个功能模块的电路原 理，包括a d 采集模块、系统存储模块、通信模块、复位模块、电源模块等。 最终，要实现基于d s p 的检测系统的硬件电路板，为平轮检测算法提供硬件 实现的平台。软件方面，首先运用小波变换的相关理论对扁疤振动信号的特 点进行详细分析，根据分析结果提出平轮检测具体的算法实现，包括扁疤振 动信号采集算法的具体实现，有效数据段的截取、可能起振点的判断、擦伤 轮位的判别的具体实现，及与a r m 监测系统通信的具体实现，并给出了各 种实现方法的具体程序流程图。在文章的最后，介绍了基于d s p 车轮扁疤检 测系统的调试及整个平轮检测平台的联调过程，测试的方法以及实验结果， 并最终验证了系统的可靠性与稳定性。 关键词：平轮检测；d s p ；数据采集；小波变换；检测算法 哈尔滨工程大学硕士学位论文 j 宣i ；i ；i 审i 暑j ；i ；i | 1 瓷i i ；ji ；亩i i ；j i 置宣j i ；i i i 昌i ；暑 a b s t r a c t a st h ei m p o r t a n tp a r to ft h ep r o j e c t ”f l a tw h e e ld e t e c t i o np l a t f o r mb a s e do n d s pa n de m b e d e ds y s t e m ”w h i c hc a m ef r o mh e i l o n g ii a n gp r o v i n c es c i e n c ea n d t e c h n o l o g yd e p a r t m e n t ，t h i sd i s s e r t a t i o nd e t a i l e dak i n do fd a t aa c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n gs y s t e ma n dt h ec o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h mo fw h e e l - f l a td e t e c t i o nb a s e d o n d s p f i r s to fa l l ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h eb a c k g r o u n da n dt h es i g n i f i c a n c eo f f l a t w h e e ld e t e c t i o np l a t f o r m ，c o n s e q u e n t l yi n t r o d u c e dt h ed e s i g nm e t h o d ，a n di t d e s c r i b e dt h ep r i n c i p l eo fw o r ka n dc h a r a c t e r i s t i c ，t h e ni tc l e a r e da b o u tt h em a j o r w o r ka n dt h eg o a l s e c o n d ，t h ep a p e rb r o u g h tf o r w a r dt h et o t a ld e s i g n ep r o g r a m , a n dd e m o n s t r a t e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o g r a m a f t e r w a r d ，t h ep a p e rd i v i d e dt h e t o p i ci n t o t h r e ea s p e c t s ：h a r d w a r ed e s i g n , s o f t ：w a r ed e s i g na n dt h es y s t e m d e b u g g i n g t h eh a r d w a r et o o kt m s 3 2 0 c 6 x x x d s pa st h em a i np r o c e s s i n gc h i p a n de p m 7 x x x x c p l da st h em a i nc o n t r o lc h i p ，d e t a i l e de a c hf u n c t i o nm o d u l e c k c m t r y , i n c l u d i n ga dd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，m e m o r ym o d u l e ，r e s e tm o d u l e ， c o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dp o w e rm o d u l e a tl a s t ，w ew i l lc a r r yo u tq u i t e i n t e g r a t e dh a r d w a r et op r o v i d eac o n d i t i o nf o rw h e e l f l a td e t e c t i o na l g o r i t h m i n t h ea s p e c to fs o t t w a r e ，t h ep a p e rf i r s t l ya n a l y s i s e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e w h e e l f l a tv i b r a t i o ns i g n a lu s i n gt h ew a v e l e tt h e o r yi nd e t a i l b a s e do nt h e c o n c l u s i o n , t h ep a p e rc a r r i e d o u tt h ew h e e l f l a td e t e c t i o na l g o r i t h m ，a n d i n t r o d u c e d i t s i m p l e m e n tm e t h o d ，i n c l u d i n g v i b r a t i o n s i g n a la c q u i s i t i o n a l g o r i t h m ，i n t e r c e p t i n gt h eu s e f u ld a t a , f m d i n gt h es t a r tp o i n to fv i b r a t i o n ，m a k i n g s u r ew h i c hw h e e lt h ef l a ts c a rw a so n , a n dc o m m u n i c a t i o na l g o r i t h mw i t ha r m s y s t e m ，a n dg a v et h e f l o wc h a r to ft h ep r o c e d u r e i nt h el a s to ft h e p a p e r , i t i n t r o d u c e dt h ed e b u g g i n gm e t h o do ft h ew h e e l - f l a td e t d c t i o ns y s t e mb a s e do n d s pa n dt h eu n i t e dd e b u g g i n gp r o c e s so ft h ew h o l ed e t e c t i o np l a t f o r m ， a n a l y s i s e dt h ed e b u g g i n gr e s u l t s ，a n dd e m o n s t r a t e dt h er e l i a b i t i t ya n ds t a b i l i t yo f 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t h ed s pd e t e c t i o ns y s t e ma n dt h ew h o l ed e t e c t i o np l a t f o r m k e yw o r d s ：w h e e l f l a td e t e c t i o n ；d s p ；d a t aa c q u i s i t i o n ；w a v e l e t ；d e t e c t i o n a l g o r i t h m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：宴席舄砂 日期：硼9 年，月，泪 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 酪在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：蔓鹏砂导师( 签字) ：圭z 弓团 日期：伽c 7 年月仟日z 。叶年月f 争日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的背景及意义 本课题来源于黑龙江省重点科技攻关项目。随着铁路运输能力的不断提 高，铁路部门迫切需要对运输车辆进行实时监控，对铁路检测设备的安全性、 高效性、智能性提出更高的要求。而车轮扁疤是列车重大行车事故的隐患之 一。因此，对于平轮检测平台的开发与研究有着非常重要的意义。 车轮是机车车辆走行的重要部件。在列车运行过程中，车轮踏面常因各 种原因而出现局部擦伤或剥离，此类现象统称为车轮扁疤( 或平轮) 。火车车 轮扁疤的存在是影响火车运行安全性和平稳性的重要因素。带有擦伤车轮的 机车在线路上行驶时会产生周期性的噪声、轮轨冲击力，这种噪声不仅会对 乘车舒适度及周边环境等产生极其恶劣的影响；而且，轮轨冲击力沿道床向 路基的内层传递破坏力，是钢轨、混凝土轨枕断裂的重要原因之一，并且这 种冲击力也是造成轮轴疲劳冷切，轴承破损的重要原因，特别是在高速重载 和擦伤程度加深的条件下，这种高强度冲击荷载的破坏性更强。因此，车轮 扁疤是列车重大行车事故的隐患之一。据统计，欧洲每年因车轮扁疤造成的 损失达8 0 0 亿欧元，美国为1 1 9 0 亿美元。 目前车辆检修部门对踏面故障的检查在很大范围内仍然是通过列检人员 的肉眼观测或停车时的锤敲或车辆运行时听音检查来判断是否有擦伤车轮， 这样的劳动强度大，漏检率高，技检时间长，不能适应铁路现代化的发展需 要。因此对于车辆段来讲，研制一种车轮踏面扁疤的自动检测系统，自动地 实现对列车动态检测，进行操作和数据处理，及时准确发现轮对踏面故障有 着现实的必要性与急迫性。另一方面随着我国国民经济和科学技术水平的持 续发展和不断提高以及我国铁路第六次大提速的成功，社会对铁路运输也提 出更高的要求。铁路系统对车轮扁疤检测系统的稳定性、高效性、智能性和 精准性也提出越来越高的要求。因此研制一种铁路车辆车轮扁疤的智能检测 系统具有及其重要的现实意义。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 当前国内外平轮检测技术研究现状 目前国内外对车轮扁疤的检测方法可分为静态检测和动态检测，前者是 指机车车辆在检修时进行的测量，后者是指机车车辆在运行时进行的测量。 动态检测由于自动化程度高，不占车辆周转时间，便于存储信息资料，近2 0 年来受到各国的重视。动态检测又可以分为随车形式和地面测量形式。随车 测量型是机车车辆上安装车轮外形参数的测量系统，虽然能够做到实时监控， 但需要为所有的车辆都安装传感器，不经济也没必要。地面测量型是在铁路 线路上固定安装车轮外形参数的测量装置系统，对于大量正在运行的机车车 辆而言，这种地面动态测量系统最为理想。数十年来，世界各国为实现车轮 扁疤的动态检测做了不懈的努力，下面主要介绍几种车轮扁疤地面式动态监 测的方法及工作原理【1 】【2 】。 l 、噪声检测法 在列车行进过程中，轨道间通常发出均匀的、有规则的声响，而带有扁 疤的车轮通过时，则可明显听到车轮对钢轨的撞击声。据此声响信号，可大 体判断车轮扁疤的大小和位置。 日本利用噪声检测法原理，研制了一种自动检测装置，其测试方法是将 一只话筒对准轨头，另一只话筒距车体1 s i n 处采集当时的背景声。将两个音 频信号进行比较后，可从记录波形中分辨出扁疤的信号。采用2 个话筒的目 的是为了提高信噪比，防止误判。 但是由于邻轮的影响，这种方法只能判断出扁疤所在的轮对，测试精度 也不高。它只能对车轮扁疤作定性检测，无法满足现场定量检测的要求。至 今未见有人使用。 2 、图像检测法 图象处理技术是近几年发展起来的新技术，其原理是通过装在轨道上的 摄像机获取车轮的图像，由微机对图像进行数字化处理。 罗马尼亚、澳大利亚等国用该原理研制的车轮踏面进行自动检测。该系 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 统由测量装置、照明装置、摄像装置、计算机及外围设备组成。系统可对所 测图像进行显示、处理和打印，并对超限车轮发出报警信号。 由于受图像采集和处理速度的限制，该系统结构复杂，准确度低i 且只 能在低速下运行，一般运行时速速为l o k r n h - 1 2 k m h 。 3 、功率倒频谱法 功率倒频谱法是频谱分析的一种方法。它先对信号的功率谱作对数转换， 而后再进行傅立叶变换，也就是说，功率倒频谱是对数功率谱的功率谱。倒 频谱法特别适用检测功率谱中的周期分量，如谐波和边带，尤其是可很方便 地将混合各种谐波和边带的复杂信号分离出来。这种方法最关注的是车轮扁 疤冲击的能量和频率。与简单的振幅比较法相比，消除了许多不确定因素。 多年来，人们用倒频谱法诊断齿轮箱、涡轮片故障，取得很大的成功。1 9 9 7 年，意大利用倒频谱法进行了车轮扁疤动态检测的实验。 4 、剪应力检测法 剪应力法测试钢轨垂直力的原理如下：在垂直力p 2 的作用跨内，其两边 的剪力分别为s r 及s i 。则：p 2 - - - s r - s i 。随着钢轨、轨枕支撑条件的改变，轨 枕反力r 值可能发生变化，剪力s r 和s i 也相应变化。但只要能同时测得s r 和s i ，即可得p 2 值。用应变法无法直接测得剪应力，但是在钢轨中性轴的4 5 度方向有主应力，其值与断面上的剪应力相等。因此，可以在轨腰中性轴处 4 5 度方向贴应变片，用测试主应力的方法来测试剪应力，再通过标定求得轮 轨力p 2 的值。 剪力法的有效测试长度可达2 0 0 m m - 3 0 0 m m 。如果想增加有效测试长度， 只能增大轨枕间距。轨枕间距太大，又会影响线路的稳定性。火车车轮的周 长约为3 m ，要想在测试中覆盖整个车轮，至少需要1 0 个测点，两侧钢轨共 需2 0 路应变放大器。其信号采集和计算机处理的难度可想而知。 日本于1 9 7 3 年开始探索用剪力法测试车轮扁疤。原上海铁道大学与长沙 铁路总公司合作攻关，也对剪力法作了有益的尝试，并发表了测试报告和相 关论文。 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 5 、枕上压力检测法 铁道部科学院于1 9 9 2 年7 月申请了一项专利，叫做动态测量垂直力组合 装置，或叫移动测量垂直力组合装置。枕上压力检测法的基本原理是：用特 制钢轨渣枕取代混凝土轨枕，在钢轨与钢轨间安装垂直力传感器，或叫枕上 压力传感器。为了扩大测试范围，用数个钢轨和枕上压力传感器。在组合装 置两端安装一对剪力传感器，组合成综合测试区。移动荷载的大小等于上述 剪力与垂直力之和。 众所周知，在测试区两端，车轮荷载由测试区内的轨枕和测试区外的轨 枕共同承担。此方案中的剪力传感器必须将测试区临近轨枕所承受的部分轮 载力隔开来，否则，邻近轨枕上分布的轮载力将对测试结果产生影响。实际 上，剪力传感器不可能将测试区和非测试区完全隔离。也就是说，当车轮驶 入或驶出测试区时，测试区邻近的轨枕仍承受部分轮载力，剪力传感器无法 完全消除这一误差。 枕上压力检测法的主要缺点是，它必须改变线路的结构，在安装施工中， 必须较长时间中断行车，并给工务维修带来一定困难，其成本也是现在各种 检测方法中最高的。 6 、位移检测法 位移检测法已由北方交通大学等单位申请技术专利。其原理是：以轮缘 外沿为基准，测量车轮踏面相对于轮缘的高度变化来测量车轮扁疤。也就是 说，通过测量轮缘相对钢轨位置的变化来测量车轮扁疤的深度。 该系统的机械装置每年必须经过几百万次以上的车轮冲击的考验，不仅 机械装置容易发生故障，传感器在激烈振动下发生位置改变后，其形状需要 经常调整。另外，该设备对工务维修也有一定程度的影响。 此外，还有电信号检测法，震动加速度检测法，多点式轨腰压缩法等。 1 3 论文的研究内容与任务 本文在广泛收集国内外关于车轮扁疤检测方法研究资料的基础上，总结 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 上述各种方法的优缺点，考虑各种方法的测试精度、测试准确性、成本高低、 安装难易度等方面，再结合实验室的科研环境，提出了采用震动加速度法的 检测方法a 基于功能特点模块化、分工具体化的设计思想，车轮扁疤检测平 台的总体框图如图1 1 所示。 基于d s p 的 车轮扁疤 检测系统 基于删的 监测系统 p c 上 位 机 图1 1 车轮扁疤检测平台的总体框图 从图1 1 可以看出，整个平台的工作流程为：前端的震动加速度传感器 将车轮扁疤与钢轨冲击的震动捕捉，将震动信号转换为电信号，并通过电荷 放大板将此微弱电信号放大。然后基于d s p 的扁疤检测系统将此震动信号采 集并存储，然后在d s p 中经过平轮检测算法的处理，将处理结果送到基于 a r m 的监测系统，a r m 监测系统将检测结果显示在现场的l c d 液晶显示屏 上，并同时将检测结果通过网络传递给监控室里的p c 机，供人员随时查看 和打印。 从图1 1 不难看出基于d s p 的车轮扁疤检测统是整个检测平台的核心部 分，整个扁疤检测算法都是在该模块上实现的，其性能的好坏直接影响到整 个扁疤检测系统的检测结果。而本文作者的主要工作就是设计基于d s p 的车 轮扁疤检测的硬件系统及其平轮检测算法的软件开发。本论文要完成的工作 主要有以下几点： 1 、课题方案论证。主要是前期车轮扁疤检测系统硬件平台的结构设计和 软件开发环境的选择，并通过阅读大量相关方面的书籍和文献资料，完成硬 件芯片具体型号的定型、软件平台的确定及建立。 2 、完成车轮扁疤检测系统的硬件电路原理图设计、p c b 的制作、元器 件焊接及电路调试工作。 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 、完成基于d s p 的平轮检测算法的开发。实现对震动信号的采集、存 储、处理。最终要实现对扁疤信号的准确检测，包括车轮上是否有扁疤，若 扁疤存在，判断出它所在的车厢号，所在的轴号，扁疤是在左侧的轮子还是 在右侧的轮子上，以及此扁疤的等级( 预警级别或报警级别) 。 4 、与车轮扁疤检测平台其它模块在实验室环境下进行整体联合调试进一 部验证系统设计的正确性、可靠性与稳定性。 1 4 论文的结构安排 第1 章：从实际需要和课题的背景出发，概述了目前平轮检查平台的发 展状况及研究意义，简明扼要的阐述了本课题所做的具体研究工作。 第2 章：从振动加速度检测法前端传感器的现场安装模型出发，结合系 统的设计任务和技术指标，提出了车轮扁疤检测系统的总体方案，并进行了 方案的论证。 第3 章：从车轮扁疤检测系统硬件系统的功能模块出发，详细阐述平轮 检测系统的硬件设计，给出了具体的电路原理图。最后简单说明了p c b 制作 需要注意的地方。 第4 章：从车轮扁疤的动力学分析入手，首先运用小波变换的相关理论 对已知典型扁疤信号进行分析，提出扁疤检测算法，并详细介绍了算法的核 心部分，即有效数据段提取，起振点的判别和擦伤轮位的判别及其它一些用 到的数据处理算法，并对算法进行了验证。 第5 章：本章从介绍d s p 集成开发环境c c s 出发，主要阐述了扁疤检 测算法在d s p 硬件系统上的具体实现。包括a d 采集算法的实现和d s p 与 a r m 系统通信算法的实现，最后介绍了系统工作的整体流程。 第6 章：本章主要是车轮扁疤检测系统的调试及整个检测平台的联调过 程，说明了测试的具体内容以及相关步骤，给出调试结果，并验证系统的可 靠性、可行性与稳定性。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章检测系统的总体方案及论证 2 1 系统的设计要求与性能指标 1 、本检测系统用于车辆到达场列车车轮扁疤的检测： 2 、实现无人值守自动检测，列车通过时，当车轮有扁疤时自动报警，并 形成列车检测结果数据文件； 3 、具有远端传送能力，及时上传检测结果： 4 、能够对四路磁钢信号和1 0 路传感器信号进行识别、采集与处理； 5 、适应列车运行速度：大于l o k m h ： 6 、能够实现动态检测扁疤所在的轮位，具有自动计辆、计轴、计轮功能； 7 、具有自动测速功能； 8 、给出扁疤预报级别：报警级( 扁疤深度大于1 0 m m ) ，预报警级( 扁 疤深度介于03 m m 与1 o m m 之间) ； 9 、器件选择满足温度要求：- 4 5 c 十6 0 。 2 2 前端传感器的现场安装模型 由于车轮扁疤检测系统的设计方案包括硬件设计和算法设计都是与前端 传感器的现场安装密切相关的，所以这里先介绍一下前端传感器的现场安装 模型，然后提出扁疤检测系统的总体方案。本系统采用的是震动加速度检测 法，其对应的前端传感器现场安装模型如图21 所示。 絮。l 爹 图2 1 前端传感器现场安装图 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 1 中，c i ，c 2 ，c 3 ，c 4 为四路磁钢信号，当火车经过时，由于磁 钢磁通的改变，会产生脉冲信号，这些脉冲信号用来产生检测系统的控制信 号。其中c l 磁钢信号是开机信号，当有c 1 信号到来时，检测系统开始工作， 否则一直等待c 1 磁钢信号，c 2 磁钢信号为检测系统a d 采样开启信号，当 有c 2 磁钢信号到来时，a d 开始采集振动信号，否则等待，同时c 1 与c 2 磁钢间的距离是一定的，配合用来测列车车速。由于c 3 与c 4 磁钢的距离也 是一定的为3 1 m ，而火车车轮的周长一般为2 4 5 - 2 。6 5 m ，若车轮有扁疤， 则在c 3 与c 4 磁钢间的振动加速度传感器一定能捕捉到扁疤的震动信号，从 而通过c 3 与c 4 磁钢可以提取有效的数据段。 图2 1 中z 1 z l o 为振动加速度传感器，列车在运行过程中，当经过传 感器采集区时，行进中的带扁疤的车轮撞击钢轨产生冲击振动波，它将以一 定的速度，并且有一定的衰减沿着钢轨双向传播，双向传播的机械波能量被 不同位置的五个振动加速度传感器捕捉到，所探测到的机械波的能量与擦伤 程度有关，也因为振动所产生的位置不同，必然在五个加速度传感器上体现 出振动信号的幅值或能量的差异。 2 3 检测系统的总体方案及论证 2 3 1检测系统总体方案的提出 目前国内外存有的车轮扁疤检测系统大多是通过单片机或者低速处理芯 片控制a d c 采用串行通信方式将数据采集到单片机或者低速处理芯片的外 围存储器中【3 1 1 4 5 ) ，然后通过低速的串口或者p c i 口或者h p i 口传送到工控机 或者p c 机中，然后再进行处理得出检测结果 6 1 1 7 1 。这样的检测平台虽然功能 全面，但同时具备很多不利的因素，一方面其体积大，不易扩展，建设成本、 维护成本和扩容成本都高，而且不利于现场观测。另一方面数据采集和处理 分离严重影响了系统的实时性，数据传输环节多，速率低，噪声累积多，影 响检测结果的精度。 随着火车运行速度的不断提高，轮疤检测前端数据量也显著增大、对数 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 据采集和处理系统不断提出更高的要求，单片机、以及低速的数据传输方式 已经无法满足铁路系统提出的新要求。而t 1 6 0 0 0 系列高端浮点d s p 以其鲜 明的特点已经在数据采集和处理领域有突出表现，本论文就是采用t 1 6 0 0 0 系列高速浮点d s pt m s 3 2 0 c 6 x x x 为核心处理芯片，以复杂可编程逻辑器件 e p m 7 x x x 为主控制芯片，控制两片低功耗并行模数转换器a d s 7 x x x 对1 2 路 前端模拟数据进行实时采集转换，并用双口r a m 芯片i d t 7 x x x 作为和a r m 监测系统的接口，实现本系统与a r m 监测系统的互访以及数据的实时高速 传输。t m s 3 2 0 c 6 x x x 外扩一片8 mb i tf l a s h 和两片1 2 8 mb i t 的s d r a m 分 别用于对程序和数据进行存储。图2 2 为系统的总体框图。 图2 2 系统的总体框图 根据图2 2 的检测系统的总体框图，再结合图2 1 传感器的现场安装模型， 扁疤检测系统的基本工作流程为首先系统接到c l 号开机磁钢信号后，系统 开始工作，进行初始化。当c 2 号磁钢信号到来时，检测系统的a d 采集模 块以相同频率2 0 k h z 采集c 3 ，c 4 两路磁钢信号及z 1 z 1 0 振动加速度信号 共1 2 路传感器信号并存储在系统的存储模块s d r a m 中，当列车经过采集区 后，数据采集完毕，然后d s p 从s d r a m 中取出数据对数据进行总体处理， o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 包括滤波，时域幅值判别，随机方差判定，小波分析，频域幅值判别，插值， 信号能量计算及其相应的补偿算法，对擦伤车轮进行判断。并将检测结果通 过双口r a m 通信模块实时传送给以a r m 为核心的监测系统，最终传输到 p c 机监控系统存储和显示。 2 3 2d s p 芯片的选择 t 1 6 0 0 0 系列高端浮点d s pt m s 3 2 0 c 6 x x x 芯片是近年推出的高速浮点 d s p 蚋，工作主频2 0 0 m h z ，其单指令执行周期仅5 n s ，具有强大的定点、浮 点运算能力，运算速度可达1 6 0 0 m p s 1 2 0 0 m f l o p s ；其片内集成了一个3 2 位的外部存储器接口e m i f ( e x t e r n a lm e m o r yi n t e r f a c e ) ，通过e m i f 可以外 扩8 位、1 6 位、3 2 位并行存储器；包括f l a s h 、s d r a m 、a d c 、c p l d 和 双口r a m ，对这些器件的访问都是通过e m i f 接口实现的。内部的1 6 个独 立扩展的直接存储器访问通道e d m a 很大的提高了存储器访问的效率， e d m a 面向实时信号处理，可以在c p u 后台高效地完成存储空间中数据的 转移，具有高效的传输速率，数据传输率可高达1 2 0 0 m b s ；两个m c a s p ， 两个m c b s p ，可以模拟几乎所有形式的串行接口；两个1 2 c 总线接口；两个 3 2 位的通用定时器t i m e r 0 和t i m e r l ；1 6 个通用i o 口g p i o ：一个1 6 位 的主机接口h p i ；和一个内部p l l 控制器。 1 m s 3 2 0 c 6 x ) ( ) ( d s p 芯片是一款性价比极高且功耗极低的芯片，特别适合 于进行数字信号处理运算的微处理器，能实时快速地实现各种数字信号处理 算法。其一般具有如下特点i s j ： l 、在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法： 2 、程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； 3 、片内具有快速r a m ，通常可以通过独立的数据总线在两块芯片之间 同时访问； 4 、具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； 5 、快速的中断处理和硬件i o 支持； 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 6 、具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； 7 、可以并行执行多个操作： 8 、支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 上述t m s 3 2 0 c 6 x x x d s p 芯片特点无论对于是进行数字信号处理，还是控 制a d c ，响应中断信号，或者是执行多任务都具有得天独厚的优势。因此本 系统综合考虑芯片的价格及其性能优势，选择t m s 3 2 0 c 6 x x x d s p 芯片作为主 处理芯片。 2 3 3e p m 7 x x ) ( c p l d 芯片在检测系统中的应用 由于d s p 很多时候专用于处理数字信号，其计算能力很强，而控制能力 相对较弱，并且d s p 跟某些外扩器件不能无缝接口，因此在t m s 3 2 0 c 6 x x 与外扩器件之间通过一片c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 帮助t m s 3 2 0 c 6 x x x 和外扩器件实现无缝接口。c p l d 在系统中实现的主要功能有译码器、a d c 模数转换控制器、中断复用器、中断标识字寄存器。其中，译码器实现对外 扩器件的选通：a d c 模数转换控制器实现对a d c 模数转换的控制；中断复 用器实现外部中断端口扩展；中断标识字寄存器存储外部中断的类别。 与其它器件相比，c p l d 具有如下显著特点【9 】： 1 、编程方式简便先进。采用在系统编程( i s p ) 方式。这种编程方式己 成为当今世界上各类编程器件发展的趋势。因为它省去了价格昂贵，操作不 便的专用编程器，只需一个十分简单的下载编程电路和一条联机的并口电缆 即可。它可以在调试阶段发现接口时序或逻辑有特殊要求时，只要在线更改 逻辑文件即可满足用户要求，使系统灵活方便，而且缩短了开发周期。 2 、高可靠性。器件虽然在功能开发上是通过e d a 软件实现的，但是其 物理机制却像一片7 4 l s 系列i c 一样纯属硬件电路，十分可靠，只要设计合 理，在大多数应用中是无需考虑复杂的复位和初始化。c p l d 的可靠性还表 现在几乎可将整个系统下载于同一芯片中，从而大大缩小了体积。 3 、高速。虽然不同公司不同系列的c p l d 的速度各不相同，但其运行的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 时钟均可达几十m n z 甚至两百多m h z 。现在也已有更高频率的产品问世， 在超高速应用领域和实时测控方面有非常广阔的应用前景。 4 、高集成度。c p l d 内部可拥有1 0 万以上的逻辑门，所以c p l d 可实 现几乎任何形式的数字电路或数字系统。 5 、开发周期短。由于a l t e r a 的q u a t u s i i 不仅为用户在设计的输入、综合、 仿真方面提供了极大的方便而且还为用户提供了丰富的元件库和库参数化模 块库。由于相应的软件功能完善而强大，仿真能力便捷而实时，开发过程形 象而直观，兼之硬件因素涉及很少，因此可以在短时间内完成复杂的系统设 计。 6 、保密性强。c p l d 的开发过程适合于正向设计，即从电路原理图到芯 片级的设计，所以对知识产权的保护非常有利，此外，c p l d 上还有编程保 密位，进一步加强了设计保密。 基于c p l d 芯片的如上特点，在系统设计中选择了c p l d 芯片来辅助主 处理芯片t m s 3 2 0 c 6 7 x x x 实现对外围电路的逻辑控制及实现相关功能。这样 不仅可以减小系统设计的复杂度，增大设计的灵活性，而且对系统安全稳定， 系统效率都能带来改善。 2 3 4a d 模数转换芯片的选择 a d s 7 x x x 是德州仪器( t i ) 公司b u r r - b r o w n 产品部推出的快速六通道全 差分输入的双1 2 位a d 转换器。它能以5 0 0 k h z 的采样率同时进行六通道信 号采样。a d s 7 x x x 的六路输入通道可分成三对，用于同时高速信号采集。给 片内6 个采样保持放大器的信号经全差分，并在a d c 输入期间内保持，使 其在5 0 k h z 时仍能提供高达8 0 d b 的良好共模抑制比，对高噪声环境中的输 入噪声抑制起到非常重要的作用。a d s 7 x x x 特有的并行接口能与六个f i f o 寄存器连接，便于更快速地捕获数据。各通道输出字( 地址和数据) 为1 6 位。该器件封装形式为t q f p 4 8 ，温度范围为：4 0 + 8 5 。该器件无论从 温度指标还是从工作性能指标都达到了系统要求【l o 】。 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a d s 7 x x x 的主要具有如下特性： 1 、能6 通道同时采样； 2 、采用全差分输入方式； 3 、每通道数据吞吐时间只需2 9 s ，保证无丢失码； 4 、有效采样速率为5 0 0 k h z ； 5 、并行接口； 6 、低功耗：5 0 m w ； 7 、工作温度：- 4 0 - - - + 8 5 ； 8 、内置6 个f i f o 寄存器用于快速捕捉数据； 9 、全硬件控制。 基于a d s 7 x x x 的如上诸多特性和优越特点，本文所设计的系统选择此型 号的a d c 作为a d c 模数转换的主芯片。因为系统要实现对1 2 路模拟信号的采 集和转换，所以系统中共用了两片a d s 7 x x x 。 2 3 5 其它一些芯片的选择 双口r a m 通信具有兼容性强、配置灵活、数据传输速度快、抗干扰性 能好等诸多优点。因此作者在文中所提的基于d s p 的车轮扁疤检测系统中， 选用双口r a m 芯片i d t 7 x x x 实现基于d s p 的车轮扁疤检测系统与基于a r m 的监测系统的高速实时通信。从而解决了串口、并口和h p i 口等通信方式操 作复杂，数据传输速度缓慢极易造成数据处理中的瓶颈现象，从而导致传输 效率低下等缺点。 s d r a m 存储模块是用来存储a d 采集模块采集到的振动信号，综合考 虑到列车的长度，传感器采集区间的长度，列车行驶的最小速度和a d 的采 样速率，从而估算系统的最大数据采集量，本系统选用两片存储容量为 1 2 8 m b i t 的s d r a m 足以存下所采集的数据量。 f l a s h 存储器存储程序代码实现开机自启动，根据平轮检测算法的代码 量，选择8 m b i t 的f l a s h 存储芯片足够。 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 此外，系统需要提供+ 5 0 v 、5 0 v 、3 3 v 、1 2 v 的电压，需要5 v 到3 3 v 和5 v 到1 2 v 的电压转换芯片，本系统主要通过t p s 7 5 x x x 和t p s 5 4 x x x 两 个芯片来实现。 2 4 本章小结 本章首先给出了车轮扁疤检测系统的设计要求与性能指标，然后介绍了 传感器现场安装模型，并根据此模型提出了车轮扁疤检测系统的总体方案， 给出了方案的总体框图。最后根据系统的设计要求，介绍了车轮扁疤检测系 统各模块的芯片选型，对设计方案进行了整体论证，证明了方案的可行性。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章扁疤检测系统的硬件电路设计 3 1 概述 根据第二章所提出的车轮扁疤检测系统的总体方案及其要实现的功能， 我们可以把此检测系统分为a d c 采集模块、系统存储模块、高速通信模块、 复位模块和电源管理模块五部分。下面我们将对此五部分的具体硬件实现做 详细介绍。 3 2a d 采集模块 3 2 1a d c 模数转换输入前端调理模块 a d s 7 x x x 模数转换器的输入方式可采用单端输人或差分输入，要求+ 端和i n 端之间的电压波动范围为+ v r e f 。由前端电荷放大板传输过来的信 号( 实验室环境下为平轮模拟信号源输出信号) 是单端信号。为了降低电路 的复杂程度作者在设计中a d s 7 x x x 采用了单端输入方式。其+ i n 端接信号输 入，i n 端直接与a d s 7 x x x 内部2 5 v 电压参考相连。此时a d s 7 x x x 允许的 电压输入范围为0 - - - 5 0 v 。 因为实际的前端传来的模拟输入信号在土5 v 之间，所以必须设计一个 a d c 模数转换输入前端调理电路【l l 】，将a d c 的输入信号调理到0 5 o v 范 围内。对于每一路模拟输入信号作者采用了如图3 1 所示的调理电路。 图3 1a d c 模数转换输入前端调理模块 1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 1 中r 1 的电阻值设为2 k q ，r 2 的电阻值设为1 0 k o 即可将输入信号 u 。的幅值调理到a d 允许的电压范围0 - 5 0 v 范围内。同时为防止由于意外 干扰使模拟运算放大器输入电压超过其允许范围而损伤器件，在模拟运算放 大器电路输入前端先让输入信号经过晶体二极管钳制保护电路，将电压严格 限制在输入允许范围内( 本系统为5 到+ 5 v ) 。本系统中需要两片a d 采集 1 2 路振动信号，所以共用了三片t l c 2 x x x 模拟运放【1 2 】( 每片内集成四个运 放) 来对1 2 路通道进行前端电压调理。 3 2 2a d c 模数转换模块 因为根据需要系统要实现对1 2 路扁疤振动信号的采集处理。所以要求 a d c 模数转换模块要有1 2 个采集通道，进行同时采样。德州仪器( t i ) - 公 司生产的a d s 7 x x x 是快速六通道全差分输入的双1 2 位a d c 转换器，它能 以5 0 0 k h z 的采样率同时进行六通道信号采样，其内部6 只f i f o 寄存器用于 保存6 个通道的a d 转换结果，有利于更快的捕捉数据。本设计在 t m s 3 2 0 c 6 x x x 的外部存储器接口e m i f 的c e l 空间上外扩两片a d s 7 x x x ， 用e m p 7 x x x 辅助控制来实现a d c 模数转换模块。通过c p l d 内部译码器的 不同译码输出，d s p 可以选通不同的a d s 7 x x x 芯片，从而t m s 3 2 0 c 6 x x x 可 以像访问其外部静态存储器一样随意访问任一片a d s 7 x x x 1 3 】。每一片 a d s 7 x x x 与t m s 3 2 0 c 6 x x x 的连接原理框图如图3 2 所示。 c e l爿司 -a c c s a 2 1 ：1 8 刈 - - h a a w e a d c t l r h b a i i eh c l二 - a d r d n 6 3 2 0 c 6 x x x 彳f a d s 7 x x x d 1 5 ：0 i i 卜 z - - - - d 1 5 ：0 1 a 2a o a 3a l a 4a 2 图3 2a d 模数转换模块连接图 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 图3 2 中a d c 转换控制寄存器a d c t l r 控制发出启动转换命令，这个 命令启动a d s 7 x x x 的指定通道完成转换工作。a d s 7 x x x 上一共有三根命令 线，即h a 、h b 和h c 。它们分别对应a d s 7 x x x 的a 0 、a 1 ；b 0 、b 1 ；和 c o 、c 1 三组。每当某一根h x 信号线由高电平变为低电平时，将会有两个通 道实现转换。当启动信号线抬高后，经过一段时间，转换完成。此时可以读 取数据。通道数据寄存器a dh x x r 用于读取转换后的数据。其中译码电路、 a d c 转换控制寄存器a d c t l r 和通道数据寄存器a dh x x r 在复杂可编程 逻辑器件c p l d 内部由硬件设计描述语言v h d l 编程实现【1 4 】【1 5 】。 3 3 系统存储模块 t m s 3 2 0 c 6 x x x 外部存储器接口e m i f 数据总线宽度为1 6 位，支持四个 外部存储空间扩展，分别为c e 0 、c e l 、c e 2 、c e 3 。每个存储空间寻址范围 为2 5 6 m 字节。时钟可由外部e c l k i n 引脚输入或内部s y s c l k 3 提供，最 高时钟频率为1 0 0 m h z 。支持8 位、1 6 位、3 2 位宽的存储器，支持的存储器 类型有s d r a m 、s b s r a m 、异步存储器( s r a m 、f l a s h 等) 。 本系统的存储模块主要由两片8