（测试计量技术及仪器专业论文）便携式列车舒适度仪设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着我国铁路干线全面提速，列车乘坐舒适性性能也逐步成为人们关 注的问题。对于列车舒适性，各国的评定标准都不一样，国际上尚无统一 标准。为了制定舒适度标准，各国以及不同机构均在不同的线路上进行过 大量试验。有的只评价曲线上的舒适度；有的是不分直线、曲线，每隔5 m i n 测一次舒适度指标；有的是感到不舒适时按一下电钮进行统计。标准不统 一，在评价用语上也各异，但都对舒适度现行控制限度做出了贡献。此外， 对车辆振动一般是在车体地板上迸行测量，但考虑入坐在椅子上，其臀部、 背部、头部对振动的感觉就不一样，重要的是找到它们之间的关系。本文 设计的乘车舒适性指标分析系统参照相关标准i s 0 2 6 3 1 和 i c 5 1 3 ，实现了 舒适性指标的计算功能。 信息技术革命的深入研究和计算机技术的飞速发展使数字信号处理技 术已经逐渐发展成为一门关键的技术学科。d s p 芯片，即数字信号处理器， 是专门为快速实现各种数字信号处理算法而设计的、具有特殊结构的微处 理器，其处理速度己高达2 0 0 0 m i p s ，比最快的c p u 还快1 0 一5 0 倍。目前， 在微电子技术发展的带动下，d s p 芯片的发展日新月异，d s p 的功能日益强 大，性能价格比不断上升，开发手段不断改进。 针对实际系统要求，并根据当前数字信号处理理论，论文以 t m s 3 2 0 v c 3 3 为核心处理器，设计和实现了列车舒适度测试仪。该测试仪通 过对列车车体振动加速度的实时检测，并实时分析计算舒适度指标，为保 障行车安全，改善舒适性提供有效的依据。本文分别从硬件和软件两方面 对列车舒适度测试仪进行了研究，并介绍了该测试仪的设计思想、硬件组 成和软件编程。 关键词：d s p ；单片机；数据采集；舒适度 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t w i t ht h ef u l l - s c a l ea c c e l e r a t i o no fm a i nr a i l w a y si no u rc o u n t r y , t h ec o m f o r to f t r a i n sw i l lb ep a i da t t e n t i o nt og r a d u a l l yb ym o r ea n dm o 托p e o p l e s d i f f e r e n t c o u n t r i e sh a v ed i f f e r e n ts t a n d a r da b o u tt h i sp r o b l e m ，s ot h e r ei sn ou n i f i c a t i o n s t a n d a r di nt h ew o r l d i no r d e rt of o r m u l a t et h eb e n c h m a r ko ft h ec o m f o r t , m a n y c o u n t r i e sa n do r g a a z a t i o n sh a v ee x p e d m e n t a l i z e do nl o t so fw a y s s o m eo ft h e m w e r ea b o u tt h ec o m f o r to nc u r v e s ；s o m eo ft h e mc o m p u t et h ev a l u ee v e r yf i v e m i n u t e s ，n e i t h e rb e e l i n en o rc u r v e ；i no t h e r s ，as w i t c hw i l lb cp r e s s e dw h e np e o p l e f e e lt m e o m f o r t a b l et og e tt h es t a t i s t i cv a l u e a l t h o u 咖t h e r ea r ed i f f e r e n ts t a n d a r d s a n dw o r d si ne v a l u a t i n g , t h e yh a v ea g r e a tc o n t r i b u t i o nt ot h ec o n t r o l l i n gb o u n do n t h ec o m f o r t m o r e o v e r , t h em e a s u r e m e n to ft h ev i b n t i o na b o u tt h ec a r r i a g e si s a l w a y sd i do nt h ef l o o rb o a r d , b u tt h e r ei sa l li m p o r t a n tp r o b l e mi st h a td i f f e r e n t p a r t so fap e r s o l l ，s u c ha st h eh e a d ，t h eb a c k , t h es t e r n , h a v ed i f f e r e n tf e e l i n g t o w a r dt h ev i b r a t i o n , s ow h a ti sm o s ti m p o r t a n ti sf i n d i n gt h er e l a t i o na m o n gt h e m t h ei n s t r u m e n ta b o u tc o m f o r ti nt h i sp a s s a g ei sb a s e do nt h ei s 0 2 6 3 1a n d u i c 5 1 3 t h et e c h n i q u ea b o u td i g i t a ls i g n a l sp r o c e s sh a sb e e nb e c o m i n gak e ys u b j e c t g r a d u a l l yb a s e d0 nt h ed e e p e rr e s e a r c h o fi ta n dt h ef a s t d e v e l o p i n go ft h e c o m p u t e rt e c h n i q u e d s pi s am p uw i t hs p e c i a ls t r u c t u r e ，j u s tf o rt h ef a s t a r i t h m e t i ca b o u td i g i t a ls i g n a l sp r o c e s s ，t h el a r g e s ts p e e do fw h i c hc a nr e a c h2 0 0 0 m i p s ，w h i c hi sa s1 0 - 5 0t i m e sf a s ta st h eb e s tc p u n o w a d a y s ，w i t ht h ef a s t d e v e l o p m e n to fm i c r o - , e l e c t s o n i c s t h ed e v e l o p m e n ta b o u td s pc h a n g e sw j t he a c h p a s s i n gd a y , a n dt h ef u n c t i o no fd s ph a ss w e l l e dd a ya n dd a y , b u tt h ep r i c ei s b e c o m i n gl o w e ra n dl o w e r , w h a ti sm o r e ，t h ew a y so fe x p l o i t a t i o nh a v eb e e n i m p r o v e da l lt h et i m e s a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h ei n s t r u m e n kt h i sp a s s a g e , b a s e d0 1 1t h e t h e o r ya b o u td i g i t a ls i g n a l sp r o c e s s ，d e s i g n st h ei n s t r u m e n tu s e dt om e a s u r e c o m f o r to ft r a i n s t m s 3 2 0 v c 3 3i st h ec p ui i lw h i c h t h ei n s t r u m e n tc a na n a l y z e a n dc o m p u t eo ft h ec o m f o r tb yd e t e c t i n gt h ea c c e l e r a t i o no ft h ev i b r a t i o no nr e a l t i m e sw h i c hc a np r o v i d et h ev a l i dg i s tf o ri m p r o v i n gt h ec o m f o r ta n de n s u r et h e q u a l i t yo fi t st r a v e l i n g t h i sp a s s a g eo f f e r st h er e s e a r c ho f t h i si n s t r u m e n tb a s e do n b o t h h a r d w a r ea n ds o f t w a r e 。a n di n t i o d u c e st h ed e s i g n i n gc o n i 鸵，t h ec o m p o s i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文第h i 页 k e yw o r d s ：d s p ；s i n g l ec h i p ；d a t ac o l l e c t i n g ；c o m f o r t 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密砂使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：蝴皿看 指导老师签名： 日期：妒7 。1 2 2 7 日期： 溅良 m 夕 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明；所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均己在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 本测试仪分为数据采集部分和数据处理部分，分别用单片机和d s p 来进行控制和计算的。单片机来控制a d 芯片的工作，并定时向d s p 传送 采集数据，由d s p 来完成舒适度指标的计算工作。 2 测试仪通过对列车车体振动加速度的实时检测，并实时分析计算舒 适度指标，为保障行车安全，改善舒适性提供有效的依据。 3 本舒适度仪的设计具有体积小，运算速度快，重量轻，便于携带， 精度高的特点，实现低功耗的保证。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 1 1 选题背景和意义 第1 章绪论 目前，铁路在世界范围内正处在历史上第二个黄金时代，即高速时代 的发育阶段。在1 9 世纪末第一个铁路黄金时代，由于工业机器生产所带来 的振动危害，社会公众从追求舒适环境出发，要求提高旅行舒适度。从那 时起，铁路就十分重视从研究振动对人体的生理影响出发，开展改善乘坐 舒适度的研究。随着铁路现代化发展，传统的运输系统不断面临许多新难 题：行车速度越高，安全问题愈显突出：既要保证高速列车不倾覆、不脱轨。 又要保证机车车辆运行平稳、舒适：车辆在运行过程中产生各种振动，影响 旅客乘坐的舒适性和装运货物的完整。因此，列车运行的安全性和舒适性 具有重要的现实意义。 在我国，随着铁路的大幅度提速和高速铁路的兴建，铁路将成为人们 工作和出游旅行的首选交通工具。但列车运行质量、车厢内环境和服务质 量等影响列车舒适度的因素却没有受到足够重视，缺乏监督检查设备、检 测标准和对舒适度的控制管理手段，难以保证旅客乘车的舒适性，不适应 铁路旅客运输安全、高速舒适协调发展的要求。为改变这种状况，确保铁 路“安全、经济、快捷、舒适”的特点和优势，进行客车舒适度的评价与 检测是必要的。列车舒适度测试仪是专门针对列车在行使过程中对列车匀 速度行驶时的横、纵、垂向加速度参数进行数据采集分析，计算出舒适度 和平稳性指标，检测列车行驶的状态，确保列车在安全行使中，更好地为 旅客服务。 现在，高速将带来严重的振动问题，社会生活的提高对舒适环境的要 求也越来越高，因此，弄清舒适性所表述的物理和数学概念，回顾历史的 成果，将无疑会对高速舒适性研究起到推动作用。振动是人体产生不舒适 感的主要因素，人处于振动环境中，不仅会引起疲劳，还会发生人体内部 器官及全身组织与外界振动共振或谐振的可能。随后的研究表明，只要确 保振动品质满足人的舒适度要求，工程应用的其他要求就不足为虑了。在 铁路方面最早开始舒适度研究的是德国的e s p e r l i n g 和法国m m a j i n ，以 后由英国的j c l o a c h 发展到一个比较完善的阶段。 对于列车乘坐舒适性性能的评价，目前国际上尚无统一的标准。车体 振动加速度是最一般的舒适性性能评价标准。为了更准确地对舒适性进行 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 评价，不仅要考虑加速度的大小，还要考虑振动的性质( 频率等) 。在对包 括频率特性的车体振动加速度作为评价舒适性指标时，各国有着不同的标 准。日本采用舒适度系数评定标准，法国采用疲劳时间法，i s 0 2 6 3 1 是国 际标准化组织采用的描述通用振动和冲击对人的影响评价准则，u i c 5 1 3 是 欧洲铁路标准一一描述铁路车辆内旅客振动舒适性评价准则，另外还有欧 洲( 我国也是) 一直广泛采用的s p e r l i n g 平稳性指标。 1 2 数字信号处理综述 数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行 采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需 要的信号。数字信号的一个重要指标就是能否实时处理。实时指的是系统 必须在有限的时闻内对外部输入信号完成指定的处理。即信号的处理速度 必须大于或等于输入信号的更新速度：而且从信号输入到处理后信号输出 延时必须足够小。实时信号处理的速度要求对不同类型信号可以相差很大， 因而对实时信号处理的速度要求是与相应的模拟信号带宽和数字格式( 字 长、维数) 相关的。 由于实时信号处理系统所要处理的信号多为自然信号，因此必须通过 传感器将自然信号转换为电压或电流等模拟信号：此外要对模拟信号进行 数字处理，就必须通过a d ( a n a l o gt od i g i t a l ) 子系统将其转换为数字 信号，通常在a d 转换前需要进行抗混叠滤波，将输入信号中比主要频率 高的信号分量滤除，避免产生信号频谱的混叠现象；d s p 芯片对数字信号处 理完成后，有时还需要通过d a ( d i g i t a lt oa n a l o g ) 子系统把处理后的 数字信号转换为模拟信号，再经平滑滤波后得到连续的模拟信号，输出显 示等。 数字信号处理核心实现方法一般有以下几种： ( 1 ) 在通用的计算机( 如p c ) 上用软件( 如c 语言) 实现： ( 2 ) 在通用计算机系统中加上专门的加速处理机实现： ( 3 ) 用通用的单片机( 如m c s 一5 1 。9 6 系列等) 实现，这种方法可用于 一些不太复杂的数字信号处理，如数字控制等。 ( 4 ) 用通用的可编程d s p 芯片实现。与单片机相比，d s p 芯片具有更加 适合于数字信号处理的软件和硬件资源，可用于复杂的数字信号处理算法。 ( 5 ) 用专用的d s p 芯片实现。在一些特殊的场合，要求的信号处理速度 极高，用通用d s p 很难实现，例如专用于f f t 、数字滤波、卷积、相关等 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 算法的d s p 芯片，这种芯片将相应的信号处理算法在芯片内部用硬件实现， 无需进行编程。 上述几种方法中，第1 种方法的缺点是速度较慢，一般可用于d s p 算 法的模拟与仿真：第2 种和第5 种方法专用性强，应用受到很大限制，且第 2 种方法也不便于系统的独立运行：第3 种方法只适用实现简单的d s p 算法： 的模拟与仿真：第4 种方法不仅可以单独形成系统，由于可以编程，算法改 动灵活，而且，与单片机相比，通用d s p 芯片具有更适合于数字信号处理 的软件和硬件资源。 数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 是一种具有特 殊结构的微处理器，采用程序总线和数据总线分开的哈佛结构，具有专门 的硬件乘法器，指令的取址、译码、读操作和执行采用流水线操作，提供 了特别适合于进行数字信号处理的位反转指令、循环寻址指令，在实时信 号处理领域具有非常高的实用价值。 d s p 有如下特点： ( 1 ) 速度高 在一个指令周期内可以完成一次乘法和一次加法，有许多d s p 芯片还 可以支持并行指令，在一个c p u 周期内可以实现两条指令的同时运行。本 系统所应用的删s 3 2 0 v c 3 3 的指令周期为1 3 n s ，这个速度是当前各种单片 机所无法达到的。 ( 2 ) 编程方便 为了支持高的运行速度，d s p 芯片内部都采用了通用集成电路所无法 达到的告诉r a m ，有的芯片还设置了高速缓冲器( c a c h e ) ，用于指令的快 速译码。为了便于用户的使用，d s p 所采用的编程方法有三种；第一种是 通过具有很少几个管脚所构成的j t a g 口将程序写入d s p 的r o m 中，然后由 d s p 内的驻机程序自动将r o m 内的程序加载到高速的r a m 中运行：第二种 方法是通过通用的编程，将程序直接写在d s p 的r o m 中，为了能够高速运 行，当d s p 上电后，这种由编程器写入r o m 内的程序也需要加载到芯片内 的高速r a m 中运行，这种方法适合引脚数较少的d s p ；第三种方法是将程 序写入电路板上外扩的r o m 中，上电后，由d s p 内的驻机程序自动将外部 r o m 内的程序引导到d s p 的高速r a l i 中。这些灵活的变成方法为用户的使 用提供了极大的方便。 ( 3 ) 精度高 实现高精度的信号分析与处理是d s p 能够快速发展并得到广泛应用的 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 一个重要原因。有些d s p 的字长可达到3 2 位，扩展精度可达到4 0 位，许 多芯片还具有浮点运算的功能，其中扩展精度浮点数的指数用8 位二进制 表示，分数和符号用3 2 位二进制数表示，所能够表示的最大和最小正、负 数与微型计算机所能表达的最大和最小正、负数相同，这对于高精度、小 体积、低成本、实时的现场应用特别的重要。 ( 4 ) 稳定性好 d s p 是以数字处理为基础，不容易受到噪声、电磁、温度等外界环境 的干扰，有的d s p 还设有专门的看门狗电路，可实现d s p 系统的长期的、 稳定运行，处理结果的正确性不受外界因素的影确。 ( 5 ) 接口方便 d s p 的数字部件具有高度的规范性，与其他以现代数字技术为基础的 集成电路和系统有很好的兼容性，借口方便，另外，根据d s p 功能的侧重 点不同，不少芯片还设置了一些使用起来非常方便的功能，如u s b 口、1 2 c 口、l i s 2 3 2 口以及内部的a d 和d a 等。 ( 6 ) 集成度高 高的集成度在减小芯片体积的同时，也增强了系统的硬件资源，有利 于d s p 系统的小型化，减小了外围扩展芯片的数目，提高了可靠性，降低 了生产成本。目前，d s p 芯片的价格已经达到了非常低廉的程度。 ( 7 ) 指令丰富 许多d s p 芯片支持非常适合于相关、卷积、f i r 、f i r 和f f r 运算的循 环寻址等特殊指令，对数字信号处理起到了非常方便的作用，实现了其他 c p u 无法实现的快速、高效运算功能，而且编程十分方便。 ( 8 ) 支持流水线作业 在一个c p u 指令周期内，可以同时对几条指令进行不同的操作，即同 时对几条连续的指令非别进行取指令、译码、读操作、执行等。再加上快 速的中断处理、并行指令功能及无开销的循环、跳转等优越性，使得d s p 有非常理想的运算性能。 1 3 本文的研究内容 本文主要是通过单片机的控制和d s p 的处理功能来设计一种便携式 的列车舒适度仪，它能够方便、准确、实时测试列车的舒适性，论文主要 包括以下凡部分内容： ( 1 ) 计算舒适度的理论基础； 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 2 ) 研究数据采集的原理，如何用单片机和a d 芯片来很好地完成 所要求的数据采集的任务： ( 3 ) 研究单片机和d s p 各自的外扩电路以及d s p 和单片机的通信问 题； ( 4 ) 研究单片杌和外界的接口问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章系统设计的理论基础 2 1 舒适度指标 铁道车辆“舒适度”是一个因人而异的很难定义的概念。广义的讲“舒 适度”是乘坐铁道车辆旅行的人对乘车旅行品质的综合反应评价。舒适度 受车内的振动、噪声、温度、湿度、空气清新度、坐席的质感、空间的设 计、色彩、照明等许多因素的影响，甚至还受到人们健康和心理因素的影 响。狭义来说“舒适度”是列车运行产生的振动( 加速度) 对乘坐铁道车辆 的人影响问题，即“振动舒适度”或“平稳性”。各人对于振动舒适性的感 受是不同的，因此不可能找到一种对每个人都适用的评价尺度。u i c5 1 3 标准所应用的振动舒适性的振动舒适性的评估标准是根据在5 m i n 的期间 内在车辆内所测得的加速度和一个有代表性的旅客小组所给出的振动舒适 度平均值之间的关系提出的。 2 1 1 舒适度的评价方法 为提出评估方法而安排的旅客舒适性试验考虑了下列原则： ( 1 ) 车辆振动具有的特征：振动量级低和振动频率主要在l o h z 以下。 ( 2 ) 已经制订了适合于上述条件，特别是在频率0 5 5 h z 范围内的 生理反映计权曲线。 ( 3 ) 只在车辆的指定位置和座椅上测量线加速度，旋转加速度由于量 值太小面不予考虑。 ( 4 ) 根据在铁路车厢内的客观测定值和人体主观感觉之间的关系，得 出了一神统计评价方法。 当前有两种评估方法：是根据在车内地板上测得的加速度进行统计 分析的简化法：一是根据在车内地板和座椅( 座椅面和靠背) 上测得的加速 度进行统计分析的完整的方法。在统计中，采用加速度的计权均方根值来 表征舒适性。本系统是采用第一种评估方法简化法来计算舒适度的。 2 1 2 舒适度的计算原理 根据u i c 5 1 3 ，综合乘坐舒适度按下式计算： n 猷忑再谣了i 爵( 2 - i ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 式中：争稼合舒适度指标，加速度在某一时间f 母隔内的加权均方搬值， 它是一个统计值； 口加速度的均方根值； k 既此上标与按加权曲线d 、b 的频率加权值有关； i = x ，y ，z 表示加速度传感器的敏度方向：x 为纵向y 为横向，z 为垂向； 由于铁路车辆的振动不是稳态的，而是波动性的，故4 嚣取的是统计 值，它是在某一段时间间隔内的计权均方根值。在计算综合舒适度时， u i c 5 1 3 规程中提供了模拟法、混合法和数字法三种方法。混合法是每隔5 秒计算出一个各向舒适度值，然后对整个匀速段所获得的多个各向舒适度 值求统计值，代入公式( 2 - 1 ) ，最后求得整个匀速段的综合舒适度指标。 混合法的实现如图2 - 1 所示： on 口( f ) 模拟加权滤波器 4 ”o ) 取样器 a w ( i a t ) i - 1 , 2 , 3 模拟数字转换器 有效值数字计算 图2 - i 计权有效值的混合法计算示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 舒适度等级评定 根据u i c 5 1 3 ，列车综合舒适度等级如表2 - i 所示： 表2 - i 舒适度等级划分表 舒适度等级舒适度指标评定 1 级n 1非常舒适 2 级 1 n 2舒适 3 级 2 4还算舒适 4 级 4 n c 5不舒适 5 级25非常不舒适 根据i s 0 2 6 3 1 。列车各向( 横、垂、纵) 舒适度等级如表2 - 2 所示： 表2 - 2 各向舒适度等级划分表 舒适度等级舒适度值( m s 2 )评定 1 级 2极不舒适 2 计权曲线 综合舒适度指标和各向舒适度指标在计算时要先对所测得的加速度信 号进行加权，这是因为人体对加速度的敏感度随频率及方向( 垂向z 、横 向x 和纵向y ) 而变化。只有将所测得的加速度和一个有代表性的旅客小 组所给出的振动舒适度平均值结合起来考虑，这样计算出来的舒适度才能 更真实地反映现实情况。目前己分别对垂向和水平方向( 包括横向和纵向) 的加速度信号制订了计权曲线。尽管每个铁路均有它自己的计权曲线，但 表2 - 3 各方向计权曲线对应表 计权曲线乘车舒适度( 简化法) w 带通滤波器 w bz 地板 吼 w dx 地板y 地板 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 这里所选择的曲线对评价振动平均舒适性是最佳的。表2 - 3 是采用乘车舒 适度计算方法时各方向上的计权曲线表。 3 频率计权滤波器的传输函数 带通滤波器睨的传输函数h ( s ) 为： 耶卜萌每繁荸丽 q _ 2 ) 垂直方向计权滤波器的传输函数玩o ) ： 酬一蒜一群， 水平方向( 包括横向x 和纵向y ) 计权滤波器的传输函数吼岱) ： 啪卜赫等 ( 2 - 4 ) 下表给出上叙述传递函数中各个系数的值。 表2 - 4 滤波器传递函数中各项系数值 计权曲线频率范围计权曲线的各项系数值 ，2q l 厶，4兀，6q 2幺q 4k 睨 0 41 0 0o 。7 1 0 41 0 00 7 l1 61 62 540 6 30 80 8o 4 形 0 41 0 0o 7 l88 o 6 3 l 睨 。0 41 0 0o 7 1 2 20 6 31 4 计权曲线频率响应 将滤波器的各项系数值代入其传输函数中，作出它们的频率响应如图 2 3 、2 4 、2 5 和2 - 6 所示。显然由图中可看出，不同频率和方向下滤波 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 器的幅值是不一样的，正是通过这种滤波器实现了不同频率与方向下的加 权。 图2 - 2 传递函数王r 1 0 ) 的幅频响应 图2 - 3 传递函数风0 ) 的幅频响应 图2 - 4 传递函数日。p ) 的幅频响应 西南交通大学硕士研究生学位论文第u 页 2 。2 数字滤波器 2 2 1 滤波器的基本概念 滤波器( f i l t e r ) 是信号分析与处理中的重要仪器，滤波技术是信号 处理中的最基本而重要的技术。 1 滤波器的定义： 滤波器是具有一定传输选择特性的信号处理装置，可以是硬件或者软 件。 2 滤波器的基本原理： 滤波器，顾名思义，其作用是对输入信号起到滤波的作用。离散线性 时不变系统，其时域输入输出关系是卷积关系： y 协) 一j ( n ) ( ) ( 2 5 ) 若) ，o ) ，工( 刀) 的傅立叶变换存在，则输入输出的频域关系是乘积关系： r ( e ”) 一x 忙) h 0 ”) ( 2 6 ) 当输入信号工o ) 通过滤波器系统h o ) 后，其输出t o ) 中不再含有 l 叫，k ，仅使c m 的信号成分通过。因此，滤波器的形状不同，其滤 波后的信号结果也不一样。 若滤波器的输入输出都是离散时间信号，那么该滤波器的单位冲击响 应y 0 ) 也必然是离散的，这种滤波器称为数字滤波器( d f ，d i g i t a l f i l t e r ) 。数字滤波器是指输入输出均为数字信号，通过一定运算关系改变 输入信号所含频率成分的相对比例或者滤除某些频率成分的器件。当用硬 件实现一个数字滤波器时，所需的元件是延迟器，乘法器和加法器；而模 拟滤波器( a f ，a n a l o gf i l t e r ) 只能用硬件来实现，其元件是电阻r ，电 感l ，电容c 及运算放大器等。因此数字滤波器的实现要比模拟滤波器容 易得多，且更容易获得较理想的滤波性能。 数字滤波器本身是一个线性时不变离散系统，用差分方程来描述，用 离散变换方法来分析。数字滤波过程是一个计算过程，是将输入序列按预 定要求转换成输出序列，所以，数字滤波器的基本工作原理是利用离散系 统特性去改变输入的数字信号波形或频谱。模拟滤波器理论是数字滤波器 设计的基础依据，一个模拟滤波器过程可由数字滤波器逼近或代替。 3i i r 滤波器的设计方法： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 i i r 数字滤波器设计最通用的方法是借助于模拟滤波器的设计方法， 模拟滤波器设计已经有了一整套相当成熟的设计方法它不但有完整的设计 公式，而且还有较为完整的图表供查询，因此，充分利用这些已有的资源 将会给数字滤波器的设计带来很大方便。 具体的i i r 数字滤波器设计步骤如下； a ) 按一定规贝b 将给出的数字滤波器静技术指标转换为模拟低通滤波 器的技术指标： b ) 根据转换后的技术指标设计模拟低通滤波器g o ) ； c ) 再按一定规则将c ( s ) 转换成( z ) 。如果所设计的数字滤波器是低 通的，那么上述设计工作可以结束，如果设计的滤波器是高通、带通或带 阻数字滤波器。那么还需进行步骤d ) 。 d ) 将高通、带通或带阻数字滤波器的技术指标转化成低通模拟滤波 器的技术指标然后再按新的技术指标设计模拟低通滤波g ( s ) ，最后再 将g o ) 转化成h ( z ) 。 2 2 ，2 典型li r 数字滤波器的设计 滤波器设计最重要的是寻找一个稳定、因果的系统函数去逼近滤波器 的技术指标。一个因果、稳定模拟滤波器的传递函数g o ) 应该满足如下条 件： 1 ) 滤波器的单位冲击响应函数g ( i ) 应该是一个实函数，即g o ) 是一个 既有实系数s 的有理函数； 2 ) g ( s 1 的极点必须分布在s 平面的左半平面； 3 ) g ( s ) 的分子多项式的阶数必须小于或等于分母多项式的阶数。 假设给定模拟滤波器的技术指标口，o ，口，q 。其中4 ，为通带允许的 最大衰减，4 ，为阻带应达到的最小衰减，口的单位为皿，q ，为通 带上限角频率，q ，为阻带下限角频率，且预设计的滤波器的传递函数g ( s ) 为： g 咖筹4 - 筹鼍4 - c , v 是箩 ， c 0c l j + 一l s + c s ” 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 使其对数幅频响应1 0 g | g ( ，q ，2 在q ，q ，处分别达到口，4 ，的要求。 根据下式： 4 ，- 2 0 1 9 - 一2 0 1 9 l h ( e l 铲加k 嬲一枇叫 可知口，口都是q 的函数，他们的大小取决于g ( j q ) 的形状。因此 定义衰减函数a ( o ) 为： 卿- 叫涮2 圳g 击 埘 口，- 口( q ，) - 1 0 1 i g ( j o ) ，1 2 ( 2 1 1 ) 4 ，- 口( q ，) - 1 0 1 9 g ( j f j ) ，1 2 ( 2 - 1 2 ) 这样，式( 2 1 0 ) 把低通模拟滤波器的几个技术指标和滤波器的幅平 方特性联系了起来。由于所设计的滤波器的冲击响应函数一般都为实数， 所以有： c ( s ) c o ) - o ( s ) g ( 一5 x ，。- i g ( ，q 1 2 ( 2 1 3 ) 如果能根据滤波器的指标4 ，q ，4 ，o ，求出l g ( j q _ 2 ，由| g ( j q l 2 就很 容易求得滤波器的传递函数g o ) 。因此幅平方特性i g ( ，q m 2 在模拟滤波器 的设计中起到了重要的作用。 根据式( 2 一1 3 ) ，如果g o ) 有一个极点( 或零点) 位于s s 。处，则g ( 一s ) 在s s 。处必有一个极点( 或零点) 。因为g ( s ) 为实函数，则g o ) 的极点 v11 黪 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 ( 或零点) 必然共轭出现。若g o ) 互为共轭的一对极点( 或零点) 位于 一a - , - j b 处，则g ( 一，) 必有一对一a 千j b 的极点( 或零点) 与之对应。显然g o ) 在s - a 处有极点，g ( 一s ) 必在s - 一a 处有极点。当a o 的零点、极点位于 虚轴上时，也必定是二阶或偶阶。因此，c ( s ) g ( 一$ ) 的极点和零点分布如 下图，零点和极点是对称分布的。 l oo x 。 0x ，早_ n 7 o x 0 图2 - 5g ( s ) g ( 一s ) 的极点和零点分布图 g o ) 的极点必须位于s 左半平面，而右半平面的极点必须属于g ( 一s ) 。 至于零点，则取决于设计的滤波器是否要求是最小相位的。如果要求是小 相位的，则g ( s ) 的所有零点必须分布在左半平面或虚轴上。综上所述，由 i g ( ，矧的确定g p ) 的方法是：用s - j q f ) k l g ( j 咧得到g o ) g ( 哪) 的函 数：将g ( s ) g ( q ) 因式分解。得到其全部的零点和极点，把左半平面的极 点归于6 ( s ) 。若无特殊要求，取g ( s ) g ( 一j ) 对称零点的一半归于g ( s ) 的零 点，若要求设计最小相位的滤波器，则取左半平面的零点作为g o ) 的零点。 虚轴上的零点时偶次的，其中的一半归于g 0 ) ；由g o ) 的低频特性，即 g o m ，。- g ( ，q ) l 。o 确定增益常数实际上设计模拟原型滤波器是要寻求 一个逼近理想低通滤波器的函数，所谓原型低通滤波器是指模拟低通或数 字滤波器。模拟低通滤波器主要包括巴特沃斯( b u t t e r w o r t h ) 低通滤波器、 切比雪夫i 型低通滤波器、椭圆低通滤波器三种，由于每一个滤波器的频 率范围将直接取决于设计者所用的目的，因此实际应用中的滤波器是千差 万别的。为了使设计规范化，需要将滤波器的频率参数作归一化处理。设 所给的滤波器频率q ( 或f ) ，归一化后的频率为a ，对低通模拟滤波器 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 令： = g ， 显然：1 - q ，o ，- 1 o q ， 令归一化附属变量为p ，且p - 弘，那么有： p - j - j + + o p - s q p 2 2 3 滤波器的离散化 ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 滤波器的离散化有激响应不变法和双线性法。这里介绍双线性法。我 们希望找到由s 平面与z 平面的另外的映射关系，这种关系应保证： 1 s 平面的整个j q 轴仅映射为z 平面的单位圆上一周； 2 若g ( s ) 是稳定的，由o ( s ) 映射得到的h ( z ) 也应该是稳定的； 3 这种映射是可逆的，既能由g ( s ) 得到h ( z ) ，也能由h ( z ) 得到g ( s ) ； 4 如果o ( j o ) 1 ，那么h ( c 芦) 一1 。 满足以上4 个条件的映射关系为： s 。；譬t t - - 1 7 ) s 一一一 ，j t iz + 1 此关系称为双线性z 变换。 双线性z 变换的基本思路是：首先将整个s 平面压缩到s ，平面的一条 带宽为z z t ( 从叫t i 到一卅t ) 的横带里，然后通过标准的变换关系 z - e “将横带变换成整个z 平面上去，这样就褥到s 平面与z 平面问的一 一对应的单值关系。 根据式( 2 - 1 7 ) ，有： z 氅 ( 2 - 1 8 ) 1 一( t l 举 及： 肛詈甍兰罱- 圣端 即。 q 一t a n ( 彬2 ) ( 2 - 2 0 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 珊i2 a ，d 龃( q t i 2 )( 2 - 2 1 ) 式( 2 - 1 8 ) 及式( 2 - 1 7 ) 给出了s 和z 之间的映射关系，而式( 2 2 0 ) 及 式( 2 - 2 1 ) 给出了q 和n 的映射关系，但这是一种非线性关系。 当珊由。至石时，协擘) 由。变至+ * ，当由。至一石时，q 由。变至一m ，即整 个j q 轴映射为单位圆的一周这种频率映射关系利用了正切函数的非线 性特点，把整个j q 轴压缩到了单位元的一周上当给定了数字滤波器的技 术指标w p ，w 。，口p ，口后，有： q ，一 t a n 咄2 ) ( 2 2 2 ) o 一t a n ( q 2 ) ( 2 2 3 ) - t a n ( , 2 ) t a n ( 2 ) ( 2 2 4 ) 于是可以设计模拟原型滤波器的传递函数g ，然后g o ) 转为模拟滤 波器的传递函数( 咚) ，再由o ( s ) 转为数字滤波器的传递函数h ( z ) ，其转换 关系如下： g ( s ) - g 酬一 ( 2 2 5 ) h ( z ) 一g 酬。- 色生 ( 2 2 6 ) 注意到： p 音导南罟景。而1 磊z - 1 2 t ， 无论是在设计模拟滤波器还是由模拟滤波器转变为数字滤波器的过 程，系数2 t , 均被约掉，因此在式( 2 1 7 ) 、式( 2 1 8 ) 、式( 2 1 9 ) 及式 ( 2 2 0 ) 中的可t 可以省去，即有： z - 1 s - 一z + 1 1 + s z i 一 1 一s ( 2 - 2 8 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 第3 章系统的硬件结构 在系统设计之前。我们必须对要解决的问题进行调查研究和分析论 证。在这个基础上，我们还要根据我们所要解决的实际问题所提出的具体 要求，确定系统所要完成的任务和技术指标，确定系统的实现方案。另外， 在系统的设计中，我们还要在满足系统性能指标的前提下，尽量选择价格 低的元器件以便使所设计的系统有较高的性价比。 列车舒适度指标测试仪设计采用软硬件结合的办法，硬件部分采用单 片机与d s p 相结合。现在很多仪器的设计都是采用c p l d 和d s p 结合的方式， 一般单片机能完成的功能，c p l d 都能完成，不过c p l d 的价格高的多，本 设计中主要是控制应用的，用单片机就可以，既便宜又方便。设计中利用 单片机的控制能力进行数据采集，以及实现与p c 机的通讯问题：利用 t m s 3 2 0 v c 3 3 芯片的浮点计算能力实现列车的舒适度的浮点算法问题。通过 软件编程，利用d s p 实现列车的舒适度的计算。 3 1 单片机 图3 - 1 系统结构硬件框图 随着单片机的发展，出现了很多高速、高性能的新型单片机，被广大 工程界人士所熟悉的8 0 c 5 l 系列单片机面临被淘汰的局面，为此，生产 8 0 c 5 1 系列单片机的厂家都在对其内核迸行改造。其中美国s i l a b s 公司推 出的c 8 0 5 1 f 系列单片机把把8 0 c 5 1 系列单片机从微控制器( m c u ) 时代推 向了片上系统( s o c ) 时代，使得以8 0 5 1 为内核的单片机上了一个新的台 阶。 s o c 意思是把计算机常用的一些数字和模拟外设等全部都做在一块芯 片上，使它成为一个完整的模拟数据采集和控制系统。c s 0 5 1 f x x x 系列单 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 片机是一种高度集成的s o c 型芯片，具有和8 0 5 1 单片机兼容的微控制器内 核，与m c s 一5 l 指令系统完全兼容。除具有标准8 0 5 1 的数字外设部件以外， 片内还具有数据采集和控制系统中常用的模拟部件及其它数字外设部件。 该单片机增加的外设或功能部件包括：模拟多路选择器、可编程增益放大 器、a i ) c 、d a c 、电压比较器、电压基准、温度传感器、s m b u s 1 2 c 、增强型 u a r t 、s p i 、可编程计数器定时器阵列( p c a ) 、电源监视器、看门狗定时 器( 1 d t ) 和时钟振荡器等。所有器件都有内置的f l a s h 存储器和2 5 6 字节 的内部r 枷，有些还具有位于外部数据存储器空间的r a m ，即x r 删。 3 1 1c 8 0 5 1 f 系列单片机的特点 c 8 0 5 1 f 系列单片机除了具有一般单片机的共同特点外，它与8 0 c 5 1 系 列单片机的主要特点是其内核与8 0 5 1 基本相同，指令系统完全一样。此外， 还具有很多显著优点，因此能在近几年里有很快的发展。主要特点如下： 1 指令运行速度高 由于e 8 0 5 1 f 单片机采用流水线结构，废除了机器周期的概念，指令以 时钟周期为单位，由标准的1 2 个系统时钟周期降为1 个系统时钟周期，处