（光学工程专业论文）便携式列车测振仪的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 列车的振动性能，包括舒适性或平稳性的检测与评价是新型列车研究、 检验过程中的一项重要工作。随着我国铁路新型高速、重载列车研究、研制 及试验运行工作的大面积展开，十分需要一种方便、快捷的便携式列车振动 测试仪，为此开展了相关的研究工作。 l 、研究了列车舒适性、平稳性的评价标准和评价方法以及振动测试仪的 相关要求，确定测振仪的功能和技术指标，设计了系统的总体方案，其特点 有：鉴于检测人员在密闭的列车内，而振动检测包括车体下方的转向架， 轴箱多处测点，因此，测振仪分成车内p d a + 车下数据采集器两部分，二者 之间采用蓝牙无线连接，解决布线问题；选用带l c 芯片的应变式加速度传 感器，可降低系统设计难度，确保信号准确可靠：选用d s pf 2 8 1 2 高速处 理器，以解决数据流量大、实时性高等问题；选用g p s 手持定位仪，获得 评价列车振动性能必需的运行速度信号；选用p d a 掌上电脑作处理平台， 实现指标计算、数据存储与显示 2 、设计、制作以d s p f 2 8 1 2 为核心的数据采集与发送硬件电路：a d 转 换采用1 6 位a d s 8 3 6 1 芯片，具有足够的精度；选用t c 7 2 温度传感器，采 集环境温度；采取无线发送与有线发送并存的冗余设计，方便系统调试。 3 、在t i 公司的c c s 下编写数据采集、发送代码：在e v c 下编写p d a 、 g p s 的数据接收处理程序；在v b 下编写w o r d 格式试验报告自动生成程序。 系统各部分调试试验结果表明：便携式列车测振仪的各项关键技术均已 实现，系统结构具有先进实用性，具有较大的推广应用价值 关键词：测振仪，列车，d s p ，p d a ，g p s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h et e s ta n de v a l u a t i o no ft r a i n s v i b r a t i o np e r f o r m a n c e ，i n c l u d i n gt r a i n s c o m f o r to rs p e r l i n g ，i sa v e r yi m p o r t a n tw o r k si nt h en o wt r a i n s r e s e a r c ha n dt e s t a st h em o r er e s e a r c hw o r kd o n eo nh i g h - s p e e dr a i l w a ya n de v e l l o a d i n gt r a i n s ， w en e e dac o n v e n i e n t ，s h o r t c u ta n dp o r t a b l ev i b r a t i o nm e t e rj u s tf o rt h et r a i n ：s o t h i sd i s s e r t a t i o ns p r e a d st h er e l a t i v er e s e a r c h ( 1 ) r e s e a r c ho nt h ee v a l u a t i o nc r i t e r i o na n de v a l u a t i o nm e t h o do ft r a i n s c o m f o r t ，s p e r l i n g ，a n dt h er e q u e s t so fv i b r a t i o nm e t e r b a s e do nt h o s ew ea s s u r e t h ef u n c t i o na n dt e c h n o l o g yc r i t e r i o n ，d e s i g nt h eg e n e r a lp l a n n i n go fs y s t e m ，t h e s p e c i a l t i e so f w h i c hf o l l o w sa s ：b e c a u s eo f c e n s o r sh a v et os t a yi nt h et r a i n ，b u t t h et e s to ft r a i nv i b r a t i o nc a p a b i l i t yc o n t a i n sm e a s u r i n gp o i n t ss u c ha sa x l eb o x a n db o g i e ，w h i c ha r ea l lu n d e rt h eb o d y w o r k ，t h ev i b r a t i o nm e t e ri sm a d eu po f b yt w op a r t s ：p d at h a ti si nt h eb o d y w o r k , d a t ac o l l e c t o rn l a ti su n d e rt h e b o d y w o r k ，a n dt h et w op a r t sc o m m u n i c a t eb yb l u et o o t h ，s oa st or e s o l v et h e c a b l ep r o b l e m c h o o s er e s i s t a n c es t r a i na c c e l e r a t i o ns e n s i n gd e v i c ew i t hi c s l u g ，s ow ec a nr e d u c ed i f f i c u l t yo fs y s t e md e s i g n ，a n de n s u r et h er e l i a b i l i t yo f t h ec o l l e c t e dd a t a ( 耍) c h o o s eh i g hs p e e dp r o c e s s o rd s pf 2 8 1 2 ，s ow ec a ns o l v e t h ep r o b l e m ss u c ha sb i gd a t as t r e m na n dh i g hr e a lt i m e c h o o s eh a n d y a l l o c a t i o ni n s t r u m e n tg p s 。t ot e s tt h en e e d e dr u n n i n gs p e e do ft h et r a i n c h o o s eh a n d yc o m p u t e rp d aa sp r o c e s s i n gf l a t ，t or e a l i z et h ec o m p u t i n go ft h e i n d e x ，t h es t o r a g ea n dd i s p l a yo fd a t a ( 2 ) d e s i g na n dm a k eh a r d w a r ec i r c u i t ，w h i c hu s e st h ed s pf 2 8 1 2a sc o r e ： t h ea d ci sa d s 8 3 6 1t h a th a s 1 6b i t s t oe n s u r et h ee n o u g hp r e c i s i o n c h o o s e t e m p e r a t u r es e n s i n gd e v i c et c 7 2 ，t oc o l l e c te n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r eo fr u n n i n g t r a i n ；u s er e d u n d a n td e s i g nw h i c hh a sb o t hw i r e l e s ss e n d i n ga n dw i r es e n d i n g ，t o c o n v e n i e n tf o rt h es y s t e md e b u g ( 3 ) p r o g r a mt h ec o d eo fd a t ac o l l e c t i o na n ds e n d i n gu n d e rc c s ；p r o g r a m t h ed a t ar e c e i v i n ga n dd i s p l a yc o d eo f p d a 、g p su n d e re v c ；p r o g r a ma u t o m a t i c g e n e r a t i o nt e s tr e p o r tc o d eo nw o r ds t y l eu n d e rv b 西南交通大学硕士研究生学位论文第l ii 页 t h ed e b u g g i n gt e s t i n gr e s u l t so fa l lp a r t so ft h es y s t e mp r o v et h a ta nk e y t e c h n i c so ft h ep o r t a b l et y p et r a i nv i b r a t i o nm e a $ u r e rh a v eb e e nr e a l i z e d t h e s y s t e ms t r u c t u r ei sa d v a n d e e da n da p p l i c a b l e a n dh a st h eb i g g i s he x t e n d i n g v a l u e k e yw o r d s ：v i b r a t i o nm e a s u r e r ；t r a i n ；d s p ；p d a ；g p s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题意义与研究现状 安全、经济、平稳、舒适是铁路运输的目标。我国铁路近年来经历了五 次大规模提速。提速线路已达1 6 5 0 0 公里，客车速度不断提高，货物重载列 车开行数量增多【1 】。同时随着我国铁路新型高速、重载列车研究、研制及试 验运行工作的大面积展开，列车的振动性能，包括舒适性或平稳性的检测与 评价日益成为新型列车研究、检验过程中的一项重要工作。十分需要一种方 便、快捷的便携式列车振动测试仪。 此外，便携式列车振动测试仪可作为列车运行质量的简单有效的检查设 备，对潜在的故障有一定自钰预警作用。 目前，国内外生产、制造单通道的振动测试仪的公司非常多，产品也很 多，但真正应用于铁路交通的几乎没有。比如：日本理音公司的v m - 6 3 a 便 携式测振仪、v m 。2 0 0 1 型振动分折仪，伊麦特公司的e m t 2 2 0 b n c 袖珍式测 振仪，时代集团的t v 3 0 0 瞧携式测振仪、t v 2 0 0 笔杆测振仪，星晟检测公司 的星晟r i b l 0 a 测振仪，等等；这些仪器都具有较多的功能、较好的性能指标， 但都不能测量1 0 h z 以下的加速度；另外，日本理音公司的v m 一7 0 0 0 超低频 测振仪测量加速度的频率范围为o 3 3 0 0 h z ，灵敏度误差5 ，线性度1 5 ， 但只有一卟通道，不能满足列车的多通道测量的需求。 国外，针对铁路列车的测振仪器有：英国t d mt a p es e r v i c e sl i m i t e d 公 司生产的m k i t 型便携式平稳性指标仪【5 们，但价格比较贵。 因此国内有多家单位开展了研制工作，例如，同济大学和青岛四方车辆 研究所合作研制了基于虚拟仪器技术开发的便携式铁道车辆平稳性测量仪 5 0 1 ，它采用n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司的l a b v i e w 软件、s c x i 设备以及笔 记本电脑构造了一个应用于现场测试的平稳性指标测试系统。由于应用了 s c x i 多通道信号调理开关平台及l a b v i e w 可视化软件，信号控制与数据采 集比较方便，而且图形化效果也比较好， 浙江理工大学设计了基于d s p 的铁道车辆平稳性测量仪【4 9 】，它采用 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 t m s 2 3 0 c 3 2 浮点d s p 芯片及8 9 c 5 1 单片机双核处理器对采集数据作控制分 析，并用l c d 作显示终端。 西南交通大学在2 0 0 2 、2 0 0 4 年分别设计了基于虚拟仪器技术的乘车舒适 性指标分析系统【5 2 】、列车运行安全性和平稳性评价系统的虚拟仪器实现 5 3 ) 以及基于d s p 的列车舒适度、平稳性指标测试仪设计【l 那 目前，国内外这些专用仪器对常规列车的振动性能的检测是比较有效的。 但对于高速列车，检测人员在密闭的车箱内，而振动检测包括车体下方的转 向架、轴箱多处测点，车下到车上的电缆布线就成了很大的问题。而且，对 已经投入运营的高速列车，检测布线因为会严重影响车体的气密性，所以几 乎是不可能的，即便可以也是非常不便的。总之对高速列车的振动测试，布 线是最大的难题。 随着科技的进步，当今计算机网络技术、通信技术、数字信号处理技术 飞速发展，出现了蓝牙无线通信、p d a 、手持式g p s 等等高新技术、设备， 而且都已经发展比较成熟。 在这种背景下，我们采用蓝牙无线连接技术将测振仪分成：车内p d a + 车下数据采集仪器两部分，从而解决高速列车振动测试的布线难题。 1 2 完成的主要工作 l 、研究了列车舒适性、平稳性的评价标准和评价方法以及振动测试仪的 相关要求，确定测振仪的功能和技术指标，设计了系统的总体方案，该方案 特点有： 鉴于检测人员在密闭的列车内，而振动检测包括车体下方的转向架、 轴箱多处测点，因此测振仪分成车内p d a + 车下数据采集器两部分，两者之 间采用蓝牙无线连接，解决布线问题。 选用带i c 芯片的应变式加速度传感器，可降低系统设计的难度、确 保信号准确可靠； 选用d s pf 2 8 1 2 高速处理器，以解决数据流量大、实时性高等问题； 选用g p s 手持式定位仪，检测评价列车振动性能时所必需的运行速 度信号： 选用p d a 掌上电脑作处理平台，实现指标计算，数据的存储与显示 2 、设计、制作以d s p f 2 8 1 2 为核心的数据采集与发送硬件电路：a d 转 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 换采用1 6 位的a d s 8 3 6 1 芯片，具有足够的精度；选用t c 7 2 温度传感器， 采集列车运行的环境温度。 3 、在t i 公司的c c s 下编写数据采集、发送代码；在e v c 下编写p d a 、 g p s 的数据接收处理应用程序；在v b 下编写w o r d 格式试验报告自动生成 程序。 4 、对系统硬件、软件、通信分剐调试后再联机调试。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章测振仪总体设计 为适应高速、重载铁路的大发展，列车振动测试仪不仅要求精度高、功 能全、稳定性好，而且要求体积小、联接安装方便、可移动性强。因此，测 试仪的设计要综合考虑机械尺寸，功能、精度、通信方式等方面。此外，还 应从如下几方面来考虑： ( 1 ) 查询规范，确定系统的功能及性能指标。 ( 2 ) 根据性能指标和价格成本，确定系统的硬件选型。 ( 3 ) 判断系统是否需要滤波设计、扩展片外r a m 、片外f l a s h 以及 它们的容量等等，从而确定系统的硬件设计 ( 4 ) 对各个功能模块做功能测试，对电路板做抗干扰测试。 ( 5 ) 设计友好的人机界面。 按照以上思路，测振仪设计、研制的基本过程流程如图2 1 。 图2 - 1 设计，研究的基本过程 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 2 1评价标准与技术规格 铁道机车车辆平稳性与舒适性的评价指标和评价方法的制定是否正确、 合理，不仅关系到机车车辆平稳性与舒适性的评价是否准确，而且直接影响 到了机车车辆的检修、制造成本。 对于平稳性和舒适性的评价，国际化标准组织和国际铁路联盟分别制定 了相应的标准。我国国家标准局和铁道部经过专门研究、通过大量地试验制 定了适用于我国的标准。目前，我国对机车、车辆的平稳性评价标准分别是 g b 5 5 9 9 8 5 铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范和t b t 2 3 6 0 - 9 3 铁 道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准，对舒适性评价统一采用的是 u i c 5 1 3 欧洲铁路标准铁路车辆内旅客振动舒适性评价准则。 本节介绍了机车车辆平稳性与舒适性评价标准以及g b 5 5 9 9 8 5 、 t b ，r 2 3 6 0 9 3 和u i ( 2 5 1 3 对振动测试仪的技术规格要求。 2 1 1 评价标准 2 1 1 2 平稳性评价 根据g b5 5 9 9 8 5 规范，车辆平稳性指标按下式计算： ：7 0 8 妇而 ( 2 一1 ) 式中，a 为振动加速度的最大值( 单位：g ) ；，为振动频率( 单位：h z ) ：f 为频率，对应的修正系数( 见表2 - 1 ) 。 表2 1 频率修正系数 垂向振动横向振动 由计算公式可得垂向和横向的频率加权曲线f f 如图2 - 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 s k 藏 暖 墨 晨 o 1i 毅鼬恤 1 0i 图2 2 平稳性指标的频率加权曲线 实际运行中车辆的振动并不是单一的频率和不变的振动加速度，因此， 要从测得的加速度记录中，分出若干个不同频率组，找出每组的平均加速度， 设第i 组按式( 2 - - 1 ) 求出的平稳性指标为彬，则合成的平稳性指标按下式 计算： 。 一一 形= 吲”+ 呒”+ + 呒”= 对彤” ( 2 2 ) - “l 将式( 2 1 ) 代入式( 2 2 ) 得： 一 f y = 7 0 8 吲4 3 f ( z ) 石 ( 2 3 ) y 扭i 式中，4 为车体加速度经过频谱分析后在频率z 时的振动加速度幅值。 平稳性指标计算算法如下：对车体加速度信号的频谱分析，以2 0 秒信号 为一分析段，以2 秒为一小段，共分为l o 个小段。对每小段进行快速f f t 变 换得到小段信号的频谱，最终的频谱为l o 段频谱的平均值。根据最终频谱获 得的么f 和正代入公式( 2 3 ) 计算出车辆的平稳性指标所记频谱的范围为 0 5 4 0 h z 。 最终平稳性指标的评价等级如表2 2 所示 表2 - 2 车辆平稳性指标评定等级 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 根据t b t 2 3 6 0 9 3 规范，评定机车运行平稳性的主要指标是车体的垂向 和横向振动加速度的最大值a m a x ( m s 2 ) 、司机室振动加权加速度有效值a w ( m s ) 及铁道机车的平稳性指标w 本文以最大加速度值和平稳性指标的 计算说明评价机车平稳性的计算方法。 肘一= 彳+ 3 吒 +(2-4) 式中，j 为试验加速度样本中所有峰值绝对值的统计平均值，m s 2 ； 吒为试验加速度样本中所有峰值绝对值的均方差，m s 2 。 。惭 式中，4 为z 的振动加速度最大值，c m s 2 ； z 为第i 级振动频率，h z ； ，“) 为频率修正系数( 见表2 1 ) 。 最终的平稳性评定等级值见表2 3 。 表2 - 3 机车平稳性评定等级值 ( 2 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 1 2 3 舒适性评价 在u i c 5 1 3 中，对列车舒适性有三种评估方法：一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( 站姿) 和座椅( 坐 姿) 上测得的加速度进行统计分析的完整的方法。这3 种测量方法的计算公式 如表2 3 所示。 表2 3 舒适性三种测量方法 式中：n _ 一舒适度指标；a 加速度的均方根值；每个加速度的上标表示 频率加权，下标表示加速度有效值的置信点，例如：口表示纵向加速度使 用频率加权且取9 5 舶置信有效值。符号详细说明见表2 4 。 表2 - 4 舒适性计算公式符号说明 图2 3 分别表示了、呒和呒的频率加权变化曲线 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图2 _ 3舒适性指标加权交化曲线 舒适度指标的计算算法如下：以5 m i n 时问为一分析段，每5 8 为一计算单 元。求得加权有效值，然后取6 0 个有效值的5 0 或9 5 的置信点进行统计分 析，最后合成3 方向加速度计算得到舒适度，所记频谱的范围为0 4 8 0 h z 。 以简化法为例，舒适性指标的计算方法如下： 对记录信号进行数字加权。 以5 秒为一分析段，计算各方向的加速度加权均方根值。 按表2 - 2 简化法公式计算舒适度指标。 最终舒适性指标的评价等级如表2 5 所示。 表2 5 舒适性指标的评价等级 舒适度 评定 n l l 耋n 2 2 蓦n c p u 芯片的运算速度。 ( 2 ) c p u 芯片的硬件资源 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 ( 3 ) c p u 芯片的运算精度。 ( 4 ) c p u 芯片的价格。 ( 5 ) c p u 芯片的功耗及其开发工具的支持 由于本系统需要对采集数据频率比较高，时实处理的数据量比较大，而 且处理过程比较复杂如：数据滤波、频谱分析( f f t ) 、参数计算等，一般的 单片机运算速度过慢，而高端单片机价格高，并且运算速度和硬件资源不如 d s p ，故优先考虑使用d s p 作c p u 。 对于d s p ，综合考虑了功能、价格、开发时效性等因素，最终选定 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 。它具有以下特点； 采用高性能静态c m o s 技术： 主频达1 5 0 m h z ( 时钟周期6 6 7 n s ) ； 低功耗设计： f l a s h 编程电压为3 3 v 。 高性能3 2 位c p u ： 1 6 1 6 位和3 2 x 3 2 位的乘法累加操作； 1 6 1 6 位的双乘法累加器； 哈佛总线结构； 快速中断响应和处理能力； 统一寻址模式； 4 m b 的程序，数据寻址空间，可外扩i m b 的寻址空间； 高效的代码转换功能( 支持c c + + 和汇编) ； 片上存储器： 达t 2 8 k x l 6 位的f l a s h 存储器； 达- 1 2 8 k x l 6 位的r o m ； 1 k x l 6 位的o t p r o m ； l o 和l 1 ：两块4 k x l 6 位的单周期访问r a m ( s a r a m ) ； h o ：一块8 k 1 6 位的单周期访问r a m ( s a r a m ) ； m 0 和m 1 ：两块l 1 6 位的单周期访问r a m ( s a r a m ) ： 引导( b o o t ) r o m ： 带有软件启动模式； 数学运算表。 串口通信外设： 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 串行外设接口( s p i ) ： 两个u a r t 接口( s c i ) ； 多通道缓冲串口( m c b s p ) ； 增强的e c a n2 o b 接口。 2 3 2 存储器 对f l a s h 程序存储器，由于本系统代码优化后只有1 0 3 k ，小于1 2 8 k 片 上f l a s h 最大容量，故不需要扩展。 对r a m 数据存储器，由于检测系统采样频率为2 5 k h z ，加上4 2 个 通道同时采集，此外还有s c i 发送延时需要存储等因素，片上r a m 空间不 够，因此需要扩展r a m 。在外扩存储器的选择的时候，主要考虑的因素：存 取速度、存储容量、功耗和价格。由于本系统要求比较高的读写速度。故选 择读写速度比较高的s a r a m 。再综合考虑其它因素，最终选定 i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 a l 。它的特点如下： 2 5 6 k x1 6 位的最大容量； 读取最大时间1 2 n s ： 低功耗： 最大偏置电流5 m a ； 3 3 v 工作电压； 工业级芯片 2 3 3 模数转换器( a d o ) 数转换器的选择标准主要有以下几个方面： oa d c 接口标准； 通道数及精度； 输入量程； 转换速率： ，功耗； 工作电压。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 处理器提供多通道缓冲串( m c b s p ) 和串行外设接口 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 ( s p i ) ，且并行总线由于扩展r a m 已经占用，为了提前时效，减少软件开 销，选择a d s 8 3 6 1 作a d c 。a d c 8 3 6 1 是2 + 2 通道，1 6 位的a d 转换器，四 通道差分输入分成两组分别连接到独立的转换器上，可能完成双信号的同时 采集，最高转换速率为5 0 0 k h z 。它工作在5 0 k h z 时具有极强的搞干扰能力， 特别适合高噪声的应用场合此外，提供了高速双串行接口。其特点如下： 2 个1 6 位同时转换器； 4 通道差分输入； 每通道2 u s 的吞吐能力； 四通道的吞吐能力为4 u s ：- 低功耗：1 5 0 r o w ； 提供内部参考电压。 2 3 4 温度传感器 对于不同的温度环境，钢轨、车轮、转向架的形变、磨损以及减振器的 性能都会发生变化。例如我国京广线、京九线，横贯南北，线路温差变化很 大，监测环境温度对正确评价列车的性能有相当的意义。 考虑到电路设计、编程方便性等方面，决定选用带内部a d 转换器的温 度传感器，查询资料后选择t c 7 2 。主要特点如下： 内含1 0 位数字温度传感器； 最小温度分辨率为0 2 5 ； 在4 0 到8 0 内测温精度为2 ； 工作电流典型值为l u a ； ， 工作电压范围2 6 5 v 5 5 5 v ： 带s p i 兼容的串行接口。 2 3 5 加速度传感器 机车车辆的振动分为3 个轴向：x 轴是纵向、y 轴是横向、z 轴是垂直 方向。x 方向的振动主要与机车的操纵、列车的启动、减速或紧急制动情况 有关，y 方向主要是列车通过曲线或道岔产生的离心力和振动，z 方向振动 主要与线路水平度或车辆走行部及减振器的状态有关。为了得到准确的舒适 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 度和平稳性指标，所用的加速度传感器要符合下面的各项技术要求： 1 自振频率；用于车体振动加速度测量，推荐使用下限频率从零开始低 频性能较好的惯性应变式加速度传感器。所选用加速度传感器的自振频率应 为测量频率上限的5 1 0 倍。 2 幅值非线性误差：在量程范围内的幅值非线性误差应小于2 。 3 灵敏度：应有适宜的灵敏度，其分辨率应达0 0 0 5 8 ，并与所配用的 二次仪表相适应，使在加速度测试范围内，传感器输出为二次仪表满量程的 3 0 5 0 。 4 横向效应；加速度传感器在承受垂直于主轴方向( 测试方向) 的振动 时所获得的灵敏度为横向灵敏度和轴向灵敏度的比率，其值应小于5 。 5 稳定性：在环境温度不变的条件下，加速度传感器零点漂移每小时不 应超过其满量程的0 1 ；在环境温度变化l o 时，传感器的零点漂移每小 时不超过其满量程的1 ，传感器的灵敏度变化每小时不应超过l 。 6 幅频特性和相频特性：为使在较宽的频域内传感器的灵敏度保持线 性，其输出信号相对于输入信号的相位差也保持线性，兼具较好的幅频特性 和相频特性，传感器的阻尼比( 相对阻尼系数) 应为0 6 o 7 。 本系统选用的加速度传感器为l c 0 7 0 9 2 ，其性能指标如下： 量程2 9 ： 3 d b 频率响应：5 0 0 h z ； 灵敏度：1 0 0 0 r a v g ； 非线性误差：0 2 ： 噪声密度：o 1 9m g , m ； 横向效应： 5 ： 封装误差：1 。 供电电源：+ 5 v 3 m a 。 2 4“蓝牙”无线通信 无线通信在现代通信领域中的发展，无疑是最迅速和最具潜力的。从现 有的发展来看，无线通信涉及蜂窝移动通信系统、卫星通信系统、数字广播 系统和无线局域网等，基本上形成了满足不同层次应用需求的无线网络。对 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 于短程无线通信技术，目前主要流行的是红外通信和蓝牙通信，本节介绍了 为何选择蓝牙通信方式及蓝牙的特点。 红外线，是物质分子在其振动状态发生改变时辐射出的电磁波，波长在 o 7 6pm 到1 0 0 0i m 之间。i r d a 是一种利用红外线进行点对点通信的技术， 是由红外线数据标准协会( i n f r a r e d d a t a a s s o c i a t i o n ) 制订的一种无线协议。 现行的i r d a 传输速率为1 6 m b p s ，相比原来的4 m b p s 快了4 倍；接收角度也 由传统的3 0 度扩展到1 2 0 度。 蓝牙( b l u e t o o t h ) 是一种开放性短距离无线通信技术标准，它的学名是 i e e e 8 0 2 1 5 ，用于建立带宽为2 4 g h z ，波长为1 0 米的私有网络，如图2 - 2 所示。首先提出通信要求的设备是主设备( m a s t e r ) ，被动进行通信的设备 为从设备( s l a v e ) 。通过时分多址( t d m ) 方式，l 台主设备可与多台从设 备进行通信，即是点对多点通信方式。如果加入配对即实现点对点方式，一 旦主设备打开，便只会自动搜 寻所配对的从设备。 蓝牙提供了一些非常高级 的服务层面，如类, f t p 的文件 服务、文件推送、语音传送、 串行线模拟等等。凡是嵌入蓝 牙技术的设备相互之间都能够 自动进行联络与确认，利用相 应的控制软件，不需用户干预 就可以自动建立连接并传输数据， 蓝牙技术特点主要包括： ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) 图2 2 蓝牙网络 免去了用户安装和设置的烦琐工作。 使用2 4 g h z 的i s m 无线通用频段，无需申请许可证； 采用跳频技术提高信号的抗衰减性； 采用快速确定、短分组技术，选择干扰最少的信道，减少同频干 扰，保证传输的可靠性； 采用前向纠错编码技术，减少远距离传输时的随机噪声影响； 传输速率设计为1 m h z 基于时分复用进行双工通信，基带协议 是电路交换和分组交换的组合。 采用通信码验证，提高了传输数据的安全性。 r 咖 一 一 ( 么 ， ，ti， 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 表3 - 1i r d a 与b l u e t o o t h 的区别 由表3 1 可以看出，蓝牙的传输距离远远大于红外，此外蓝牙很容易穿 透障碍物，实现全方位的数据传输，而且耐用性比较好，故选择蓝牙传输方 式。 小结；本文研究的列车测振仪的硬件组成及工作方式如下：使用9 0 0 m v | g 高灵敏度加速度传感器，采用多路同步1 6 位a d 转换芯片及1 5 0 m h z 高速 d s p 处理器，结合g p s 全球定位系统，应用“蓝牙”无线通信技术，利用 p d a 作接收终端，对运行机车车辆的坐标、时间、加速度等实时检测、实时 分析计算，得到列车运行每个时段、地段的“平稳性”和“舒适度”性能指 标，在p d a 上实时显示、存储下来，并动态显示性能指标的变化曲线。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 第3 章测振仪硬件设计 根据第二章系统设计方案，系统硬件主要由电源模块、滤波模块、模数 转换模块、通信模块及d s p 处理器模块等组成。此外，系统附加了标准r s 2 3 2 串口通信模块，方便用r s 2 3 2 电缆线与p c 机或笔记本电脑相连。这样，既 实现硬件冗余性设计，又方便了系统调试。系统硬件原理图结构见图3 1 。 因此，该系统一方面是一个相对独立的系统，它可以进行信号的采集、处理、 显示以及存储；同时，它又是一个开放的系统，系统提供了与p c 机之间进 行数据通信的接口，也可以把系统采集的原始数据送到微机进行二次处理。 图3 - 1 测试仪系统硬件原理结构图 ，o机、笔记本电脑 一 ：；：；：；：；。nn：；： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 3 1 电源模块 电源是整个系统稳定工作的前提保障，设计高效、稳定、低功耗的供电 系统是非常值得考虑的。本测振系统需要的供电类型有：1 8 v 、3 3 v 和5 v 虽然电源类型不多，但每个模块的功耗不同，对电平轮换芯片的功率驱动以 及额定电流提出了很高的要求。而且，硬件系统由于体积比较小，限制了集 成芯片的封装形式。此外，还要考虑散热等问题。 根据每个工作模块的工作电压和电流，对系统采用分布式供电、分级降 压的方法，各级之间增加电阻散热，两组电池并联供电，并可用充电器充电。 系统供电结构图见图3 2 ，p c b 板原理图见图3 3 。 屯 池 一 印 鬻vh 撩3 vh 。品( + 5 ) if ( + 3 ) li 外设模块 ( ”v ) _蓝牙( + 3 3 v ) 5 基一传感器模拟电压( + 5 、後) 图3 2 系统供电结构图 对各级电平转换，选择的芯片分别为t p s 7 6 8 5 0 ，t p s 7 6 8 3 3 、t p s 7 6 8 1 8 ， 得到+ 5 v 、+ 3 3 v 和+ 1 8 v 电压。t p s 7 6 8 x x 的电气特性如下： 输入电压：2 7 v 1 0 v ： 最大输出电流：i a ； 工作温度：4 0 1 2 8 ； 固定输出公差：2 ； 过激漏电流：8 5 u a ： 瞬态响应； 过电保护； 8 引脚s o i c 贴片封装。 t p s 7 6 8 x x s o i c 封装的引脚功能见表3 一1 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 表3 - 1t p s 7 6 8 x x s o i c 封装的引脚功能 图3 - 3 系统供电p c b 原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 3 2 滤波设计 由于不同检测点的振动频率不同，对不同的通道，滤波器设计参数也不 同。以列车车体为例，由于列车车体的振动信号有效的频率范围为0 5 h z 6 0 h z ，为防止高频噪声干扰，采用了巴特沃思2 阶r c 滤波器对采样信号低 通滤波。 使用m a t l a b 设计巴特沃思2 阶r c 滤波器，得到r c 参数，并用 s i m u l i n k 对设计的滤波器仿真。仿真电路如图3 4 所示，仿真波形见图3 5 。 由图3 4 知，当输入正弦波幅值为1 v ，频率为6 0 h z ，r c 阻值分别为5 k 、 0 2 u f 时，输出波形幅值为o 7 3 1 v ，滤波效果比较好 图3 - 4 滤波器仿真电路 图3 - 5 滤波器仿真波形 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 3 3a d 转换模块 为进行数字信号处理，需将测得的模拟信号转换成数字信号，为此需要 选择合适的a d 转换器，根据要求选择了a d 公司的a d s 8 3 6 1 由于系 统需要8 通道多路采样，故选择了2 片a d c 芯片2 片a d s 8 3 6 1 的片选由 d s p f o 端口控制，分时循环工作。 a d s 8 3 6 1 提供m c b s p 多通道缓冲串行接口，与f 2 8 1 2 芯片的m c b s p 兼容，可以非常方便的传输a d 转换结果。m c b s p 的功能如下： 全双工通信； 双缓冲数据寄存器，允许连续的数据流； 收发独立的帧信号和时钟信号； 2 个1 6 级3 2 位深度韵f i f o 代替d m a ； 可以与工业标准的编解码器、模拟接口芯片( a i c s ) 以及其他串行 a d 、d ，色芯片接口； 数据传输可以利用外部时钟。也可以由片内的可编程时钟产生； 发送接收数据可以首先选择l s b 先传或者m s b 先传； 较多的数据位长度选择：8 、1 2 、1 6 、2 0 、2 4 和3 2 位字长； 可设置帧同步信号和数据时钟信号的极性； 内部传输时钟和帧同步信号的可编程能力强。 表3 2 描述了m c b s p 接口引脚的功能。 表3 - 2 m c b s p 信号功能 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 a d s 8 3 6 1 与d s p 之间通信连线比较简单，a d s 8 3 6 1 的c l o c k ， ( r d + c o n v s t ) 和s d a 引脚分别连接到m c b s p 的c l k x ，f s x 和d r 引 脚，由g p i o 口控制8 3 6 1 的工作模式和片选。p c b 原理图见图3 - 6 iilf 一 d 2 ； lli ：1iil i if ll l b o n db v 础 2 # 3 3 嘎1 l l l g = h b f b l 口 b1+sda 2 5d r 。f j - o li ：!b b1-sdb 7 , 2 i ； c 丑2 f b oi 1 4 2 1 l ：p 1” l b b o + 丑瑚y 2 0c i 叔l il 一 l 阻f a l bo-clock 1 9o 莹, z o ：a lli 1 ： 一 a 1 +c s c h 2 f a ol ；1 8 a 1 -r d l b ： 1 i ：9 a o +c o n v s t 1 7i f s x l ! l 一fl ；j1 d 0 a o 1 6a p i o b 3 i lj ll lu r e f 缸瑚 1 5g p i o b 4 jl 1 = ：= y 4 1 2 r e f o u tm l 辑o i h o b 5 lf 1 8 二i5 a 墨潞阡竿别 aondvdd ii i il a d s 跚ii li = ：= 墨1 7 ji i 卜山，1 lllfl lilll10 1 t | p |ll 二c i5 iiiil iii lill ll ；! lr ri ol f l li lll i i lr 、。一iljl 3 4 温度测量 图3 - 6a d s 8 3 6 1 与d s p 连线方式 温度测量选用的芯片是t c 7 2 。t c 7 2 提供s p i 接口，与f 2 8 1 2 的s p i 串 行外设接口兼容。s p i 模块的主要特点如下： 4 个外部引脚： 。 s p i s o m i ：s p i 从输出，主输