（载运工具运用工程专业论文）减振器动力学性能测试系统硬件设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 在我国列车运输难、乘车难、速度慢，已成为国家经济发展的瓶颈， 列车提速已经成为刻不容缓的问题，改善列车运行时的平稳性、安全可靠 性和舒适性，是高速列车动力学研究的课题之一。传统的测试系统均由驱 动装置和计算机测试系统两部分组成，其功能可以满足各种减振器的性能 试验。但是测试设备需要专门的工作环境以及严格的维护保养，故不适合 在一般基层单位使用，也不能进行线路跟踪试验因此，研制高速列车减振 器在线跟踪检测系统，具有十分重要的意义。 减振器动力学性能试验，是监测减振器在工作中的各个参数是否符合 设计要求，为确保列车在运行中安全、平稳、不间断运行提供技术保障： 通过测试及记录减振器装车运行在实际运营线路上的运动情况，以分析该 减振器在这条线路上的主要振动频率、最大拉伸长度、最小压缩长度、温 度、车轴和车架的垂向加速度范围等数据，最后进行采集数据分析以修改 减振器阻尼特性以满足实际的需求。 减振器动力学性能测试系统的功能是通过无线网络控制硬件采集设备 进行数据采集、实现采集数据的用户可视化接口。本文按照铁道机车动 力学性能检验鉴定方法及评定标准和铁道车辆动力学性能评定和试验 鉴定规范要求，针对现有列车动力学性能检测仪器的不足并结合其发展 的实际需要，提出了采用z i g b e e 技术实现列车减振器性能检测参数采集的 新方法，建立了基于z i g b e e 无线通信技术的数据采集系统，实现了列车减 振器性能检测无线数据采集与处理系统。整个系统主要由传感器、采集卡、 无线传输设备、人机接口等几个主要部分构成。本文根据设计方案，重点 对试验系统的采集卡及无线传输和存储设备进行了分析，其次对软件及人 机界面部分做了简单介绍。 关键词：减振器；z i g b e e ；c 8 0 5 1 f 0 2 1 ；t l c 2 5 4 3 ：f l a s h 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 - - - _ - - _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ - - - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ - _ - - - _ _ _ - _ - _ _ - - - - - i ii _ _ _ _ _ _ - a b s t r ac t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs h o c ka b s o r b e r w h o s ec h a r a c t o r i s t i c sd i r e c t l y i n f l u e n c et h ec o m f o r t b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h ec a rb o d y sp e r f o r m a n c e ，ak i n do f d e s i g na n di m p l e m e n t i o no ft h ed y n a m i c st e s ts y s t e mi sg i v e ni nt h i sp a p e r a i m i n gt or e s o l v et h ep r o b l e mt h a th a st r a p p e do u rt r a n s p o r t a t i o n t om e e tt h en e e d so fm o d e m t e s t i n gi n s t r u m e n t so fv e h i e l ep e r f o r m a n c e ， t h i s p a p e rp r o p o s e s an e ww a yo fu s i n gz i g b e e t e c h n o l o g y t oa c h i e v e a c q u i r i n gs e n s o rd a t a ，b u i l d i n gu pad a t aa e q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nz i g b e e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h i ss y s t e mr e a l i z e st h es y s t e mo fw i r e l e s s d a t a a e q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gf o rs h o c ka b s o r b e rp e r f o r m a n c e t e s t t h ef u n c t i o no ft h eh a r d w a r es y s t e mo fk i n e t i cp e r f o r m a n c et e s to fs h o c k a b s o r b e ri s c o n t r o l l i n g d a t aa c q u i s i t i o nd e v i c e sv i a w i r e l e s sn e t w o r ka n d a c h i e v i n gv i s u a lu s e ri n t e r f a c eo fd a t ac o l l e c t e d ad e s i g np r o p o s a lo fh a r d w a r e s y s t e mo fk i n e t i cp e r f o r m a n c et e s to fs h o c ka b s o r b e ri si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r w h i c hi sb a s e do nt h er e q u i r e m e n to f m e t h o d st oi d e n t i f ya n da s s e s s s t a n d a r d s o fr a i l w a yl o c o m o t i v e sk i n e t i cp e r f o r m a n c et e s t ”a n d ”k i n e t i c p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o na n dt e s t i n gn o r m so fr a i l w a yv e h i c l e ”t h et e s ts y s t e m i s m a i n l yc o m p o s e do fs e n s o r s ，a c q u i s i t i o nc a r d ，w i r e l e s st r a n s m i s s i o n e q u i p m e n t ，m a n m a c h i n ei n t e r f a c e s ，e t c a c c o r d i n gt ot h ed e s i g no ft h eo v e r a l l l a y o u t ，t h i sp a p e rp u t i t s e m p h a s i so np r o g r a m s o fa c q u i s i t i o nc a r d s p r o c e d u r e sa n dd a t as t o r a g e a tl a s tt h i sp a p e rg i v e ss u g g e s t i o n so nh a r d w a r e d e s i g no ft h et e s ts y s t e m k e yw o r d s ：s h o c ka b s o r b e r ，z i g b e e ，c 8 0 5 1 f 0 2 1 ，t l c 2 5 4 3 ，f l a s h 西南交通大学曲南父遗大罕 学位论文使用授权书 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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年后解密后适用本授权书。 2 不保密囹，适用本授权书。 ( 请在方框内打“”) 学位论文作者签名：腾云争指导教师签名：桫走够 日期：2 0 0 9 年1 月刁日 日期2 0 0 9 年1 月2 7 日 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 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包括任何其他 个人或集体已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责任 由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 针对减振器在实际线路上运行时的性能测试设计了一套可以进行 在线减振器动力学性能试验的专用软件系统； 2 设备中加入了无线传输模块，利用该模块可以避免繁杂的布线， 便于进行采集系统的安装和控制，提高了测试系统的灵活性、可 靠性与可扩展性。 学位论文作者签名： 日期：2 0 0 9 年1 月2 7 日 隧势 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 车辆减振器及其试验系统概述 1 1 1 车辆减振器的作用和性能简介 列车减振器是车辆悬挂系统的关键部件，其性能好坏直接影响到车辆的操 控性、稳定性、乘坐舒适性以及整车的品质和性能。特别是在我国铁路实行全 面提速以后，列车的安全性和舒适性要求成为提速的一大难题。针对高速列车的 需求我国正在研发各种高速油压减震器，但是由于现有实验设备和试验方法的 限制，不能进行高速减震器的综合性能测试，从而限制了减震器的进一步开发和 性能指标的把握。为了保证机车车辆在线路上安全、平稳地运行，必须在其走 行部即转向架中装用具有良好性能的弹簧悬挂减振装置。这种装置通常由两部 分组成：一是弹性部件，它起缓冲来自轮轨的动力的作用，如采用螺旋弹簧、 空气弹簧或橡胶弹簧；二是减振器，它起减小车辆悬挂系统振动的作用，如采 用液压减振器或摩擦式减振器。由于货车的运行速度和平稳性要求较客车低， 至今仍然全部采用摩擦式减振器。旧型客车上曾采用过板弹簧，它具有弹性元 件和摩擦减振器两者结合为一体的作用。摩擦式减振器具有如下一系列固有的 缺点：由于摩擦力和振动速度无关，以致于来自簧下的冲击力只要低于摩擦力， 它便会刚性地向簧上部分传递，引起车体的高频振动，恶化旅客的乘坐舒适度； 摩擦减振力在运用中变化大，不能保持设计值；摩擦面易磨耗，等等。因此， 在现代机车和客车上，摩擦式减振器已全部为液压减振器所取代。现代的液压 减振器几乎能实现任何实际需要的减振阻力特性，因此广泛地应用于铁道机车 车辆和各种公路车辆上。减振器工作时，活塞在油缸中往复运动，油液在缸中 流动经阻力阀而产生减振阻力，同时，减振器将系统的振动能量转化为油液的 热量而散逸。液压减振器与弹簧( 或空气弹簧) 构成列车转向架上的减振系统。 弹簧吸收列车运行时来自轨道的冲击和其它干扰振动能量并立即释放这些振动 能量，在减振系统中起缓冲作用。油压减振器在振动系统中将吸收的振动能量 转变为热能释放在大气中，起衰减振动能量的作用，表现为衰减振动系统的振 幅，抑制系统的振动，改善列车振动系统的动力学特性，从而提高列车在运行 中的安全可靠性、平稳性和舒适性。高速动车转向架上的减振器如图1 1 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 j 图卜l 高速动车转向架上的油压减振器 l ：一系弹簧；2 ：二系弹簧；3 ：构架；4 一系垂向减振器： 5 ；二系垂向减振器；6 ：二系横向减振器；7 t 抗蛇行减振器 一系垂向减振器装用于一系悬挂，以减小轴箱与转向架之间的垂向振动， 特别是衰减构架相对轮对的点头振动，又称轴箱减振器。二系垂向减振器用于 控制车体与转向架之间的垂向运动，即点头振动和浮沉振动。二系横向减振器 用于控制车体相对转向架之间的横向运动，即横摆和摇头振动，也装用于某些 客车的相邻车端之间，以减小两者之间的相对运动。抗蛇行减振器用来抑制转 向架的蛇行运动。车体端部纵向和横向减振器装于铰接式高速列车或转向架史 高速动车组的两相邻车端之间，用于衰减车体的纵向、垂向和横向振动。除了 上述各种类型以外，减振器还用于某些高速动车的受电弓，高速动车转向架的 驱动单元以及某些特种货车转向架等。减振器动力学特征包括静、动态特性。 静态动力学性能特性指典型速度下力和位移( f s 曲线图) 、最大速度所对应的最 大减振力( f v 曲线图) 的关系。减振器动态动力学性能特性指动态减振刚度、动 态阻尼率、活塞位移与力的相位差。减振器动力学性能特性曲线可以在专用减 振器实验台上测试。典型的减振器动力学性能曲线( 力一位移、力一速度) 有两 种：对称线性减振器和对称摩擦式( 抗蛇行) 减振器。 1 1 2 减振器在机车车辆上的应用 在机车车辆上装用减振器的类型和数量取决于其运行速度和转向架结构。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 随着速度级的提高，机车车辆各部分的振动随之加剧，就需要安装更多的减振 器以控制相关的振动。对客车转向架而言，根据国内外实践，大体上按以下4 个速度等级来装用各种减振器： 1 ) 对速度低于1 2 0 k m h 的普通客车，装用二系垂向减振器； 2 ) 对于最高运行速度为1 4 0 1 6 0 k m h 的快速客车，装用二系垂向横向减 振器以及一系轴箱减振器； 3 ) 对于速度高于2 0 0 k m h 的高速客车，通常采用无摇枕转向架，除具有 以上第( 2 ) 项的减振器外，再装用抗蛇行减振器； 4 1 对于速度最高运行速度达到2 7 0 k m h 或3 0 0 k m h 的高速动车组，往往 需要在车辆之间装设纵向或横向减振器。 由于车辆的振动大小和形式除与速度这一主要因素有关外，还与线路的状 况、转向架的结构和弹簧悬挂装置各参数有关，因此，以上4 种速度等级的划 分是就一般情况而言，不是绝对的。 1 1 3 车辆减振器的试验 减振试验通常只在设计试制减振器时才进行，而成批生产后就不必对减振 器逐个地进行试验；但对于特别重要的减振器，或必须在减振试验中进行调节 才能达到要求的减振器，则要逐个进行试验。每个减振器在使用前必须经过性 能试验，合格后方能装车使用。减振器的性能试验可分为下列3 种类型： 1 ) 新减振器的研究性试验。通过一系列的测试以检验新产品是否符合设 计要求，通过试验来修改结构与参数，直至满足要求为止。这种试验 的内容包括：阻力系数值、阻力特性及其对称度、示功图、卸荷特性、 动态变量( 力、位移、速度) 的时间历程、温度变化对阻力特性的影 响等，该试验在减振器的研制部门进行。 2 ) 产品出厂前的性能试验。每个减振器都须进行，以检验其阻尼参数和 示功图是否符合规定，不符合者需要调整或更换相关零件，直至达到 要求为止。测试产品提交给用户，该试验在生产厂进行。 3 ) 检修后的性能试验。减振器使用到期后需进行检修，更换损坏件，重 新组装后也必须进行测试，以检验其性能是否符合检修规定的要求， 该试验由检修部门进行。 减振试验可以在专门的减振试验台上进行，即模拟实际工作条件，人为地 制造振源对减振器进行试验：减振试验最好在整机上进行【2 】，这样试验条件是 实际的工作条件，试验效果就越接近实际工作时的工作状况。本文的试验系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 就是这样的一种检验新型减振器在实际线路_ l z 的- r - 作情况的试验装置，适用于 上述的( 1 ) ( 3 ) 型试验。 1 2 和课题有关的国内外研究现状 关于减振器的试验研究，早期，前苏联的车辆动力学及其减振研究走在前 面。时至今日，专门从事减振器的设计与试验开发工作的公司及其开发的试验 系统主要有： 1 ) 荷兰柯尼公司。k o n i 公司早年曾向上海地铁运营公司提供过4 4 1 5 2 0 型减振器试验台。近年来随着k o n i 铁路减振器被我国大量采用， 青岛欧特美交通设备有限公司成为k o n i 公司铁路减振器专业集中承 修认可单位，它采用k o n l 4 4 1 5 2 1 ( a ) 型试验台。 2 ) 德国萨克斯公司。德国萨克斯汽车零件系统( 上海) 有限公司与上海地铁 运营公司车辆分公司合作，开发了一种适合与铁路减振器维修用的 s a s r d t m 试验台。 3 1目前我国铁路上大多数减振器制造和检修单位采用的试验系统是由青 岛四方车辆研究所研制的j 9 5 型试验台。 上述试验台测试系统均由驱动装置和计算机测试系统两部分组成，他们具 有强大的测试功能，能进行各种减振器的性能试验。但是他们也有明显的不足： 设备需要专门的工作环境以及严格的维护保养，故不适合在一般基层单位使用， 也不能进行线路跟踪试验。 1 3 课题研究的目的、意义与来源 改善列车运行时的平稳性、安全可靠性和舒适性，是高速列车动力学研究 的课题之一。1 9 9 7 年以来，我国铁路实施了六次提速，初步形成了我国铁路“四 纵两横的提速路网。提高铁路运输速度己成为铁路在市场经济中求生存和发 展的基本要求。确保提速安全，是顺利实施第六次大面积提速调图最核心、最 关键、最根本的问题。列车时速达到2 0 0 公里及以上，对铁路安全提出了更高 的要求。机车车辆运行的安全性、平稳性将成为客车面临的关键问题，这就需 要机车车辆的走行机构经受住更高的考验。减振器作为机车车辆走行机构的重 要组成部件之一，其性能优劣直接影响到机车车辆运行的安全性和可靠性。因 此，在机车车辆运行过程中，必须确保减振器能够保持可靠和稳定的性能。目 前我国高速列车转向架上使用的减振器几乎全部是购买国外先进的减振器( 如 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 k o n i 、s a c h s 等) 来改善列车的动力学性能。为加快我国高速列车减振器国产 化，就必须先从理论和实践上深入研究国外先进的铁路油压减振器静、动态力 学特性，消化吸收国外的先进技术，以达到推动国内减振器质量全面提升的目 的。研究国外减振器的先进技术，就必须具备先进可靠的减振器性能测试设备， 故而研制能够满足铁路提速需要的新型铁路机车车辆油压减振器试验监测设备 显得尤为重要。 针对国内外目前的减振器试验系统主要集中在利用减振器试验台对减振器 进行室内的研究性试验，而缺少对减振器在实际线路上运行进行监控的专门设 备的情况，本文提出实时监测方案，开发了一套方便实用的在线跟踪试验设备， 弥补了这项不足。针对以上不足并结合其发展的实际需要，我们提出采用z i g b e e 技术实现列车减振器性能检测传感器数据采集的新方法，建立了基于z i g b e e 无 线通信技术的数据采集系统。 本课题来源于西南交通大学与萨克斯汽车零部件系统( 上海) 有限公司合 作研究的“减振器动力学性能试验技术 项目，研究的目的为开发一套对车辆 减振器动力学性能进行在线检测的试验系统，本文着重介绍检测试验系统的硬 件电路部分。 1 4 本论文的主要工作 本课题是校企联合开发的一个科研项目，旨在设计一种新型的符合铁路提 速要求的铁路机车车辆油压减振器在线试验系统。本论文的主要工作如下： 1 ) 根据减振器在线试验的特点设计一套方便实用的试验设备，提出总体 的试验方案。 2 ) 重点对试验系统的硬件系统进行设计，主要是下位机数据采集、传输、 存储程序的设计 3 ) 找出试验系统存在的不足，提出进一步研究的建议。 1 5 本章小结 本章简要介绍了车辆减振器的作用、减振器动力学性能试验的概念，以及 国内外减振器试验的发展状况，并介绍了本课题研究的目的、意义，最后给出 论文的主要研究内容。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章减振器结构特点及系统。眭能要求 2 1 减振器的结构及特点 减振器的结构是带有活塞的活塞杆插入筒内，在筒中充满油。活塞上有节 流孔，使得被活塞分隔出来的两部分空间中的油可以互相补充。阻尼就是在具 有粘性的油通过节流孔时产生的，节流孔越小，阻尼力越大，油的黏度越大， 阻尼力越大。如果节流孔大小不变当减振器工作速度快时，阻尼过大会影响 对冲击的吸收。减振器的结构是带有活塞的活塞杆插入筒内，在筒中充满油。 括塞上有节流孔，使得被活塞分隔出来的两部分空间中的油可以互相补充。阻 尼就是在具有粘性的油通过节流孔时产生的，节流孔越小，阻尼力越大，油的 黏度越大，阻尼力越大。如果节流孔大小不变，当减振器工作速度快时，阻尼 过大会影响对冲击的吸收。 以本文要进行试验的萨克斯铁路减振器为例，其结构情况如图2 - 1 所示： 厕 剖i 黼 酽 图2 - 1s a c h s 减振器结构 1 一密封杆；2 压力缸；3 储油缸，4 活塞；5 底n ；6 阻尼节流n ；7 - 高压油管。 蛊军蓐 _|lr ri气 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 试验时根据减振器的不同外形特点按照铁道机车动力学性能检验鉴定方 法及评定标准和铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范相关要求进行 传感器的安装与调试。安装示意图和现场安装情况如图2 - 2 、2 - 3 所示： a ：数据采集与信号调理器 b 1 ：车轴垂向加速度传感器 b 2 ：车架垂向加速度传感器 s ：位移传感器 t ：温度传感器 图2 2 安装示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图2 - 3 现场安装图 22 试验系统结构设计 22 1 系统设计标准 系统的设计参照以下标准进行设计t b t 2 3 6 09 3 “铁道机车动力学性能 检验鉴定方法及评定标准”以及g b 5 5 9 9 8 5 “铁道技术标准能评定弓试验规范”。 整个系统主要由加速度传感器、红外线温度传感器、激光位移传感器、g p s 子系统、数据采集器、数据存储、无线传输、数据处理与分析软件、计算机等 组成，系统结构框图如图2 4 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 数据存 储子系 统 图2 4 系统结构框图 2 2 2 系统设计参数指标 1 ) 减振器与车轴连接端垂向加速度传感器用于监测车轴端垂向加速度，其采样 频率默认定为1 k h z ，减振器靠车轴端垂向振动加速度传感器用于监测减振 器与车架连接端垂向加速度其采样频率默认定为0 5 k h z ； 2 ) 红外温度传感器用于监测减振器的表面温度，采样频率默认定为1 h z ； 3 ) 位移传感器，用于监测减振器上下气筒位移量，量程选择5 0 0m m ； 4 ) g p s 子系统是测量列车速度和位置的，其采样频率暂定在1 0 h z ： 5 ) 数据采集器采用1 2 位a d 采集器，采用无线通讯技术，缓存2 分钟左右的 数据，保存1 m 字节的数据量。 2 3 本章小结 本章主要阐述了减振器的结构，并在此基础上给出传感器安装的要求和系 统设计参数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第3 章硬件系统及其程序设计 3 1 硬件系统设计 硬件系统主要由传感器、g p s 模块、数据采集存储设备、无线网络传输模 块等组成，系统硬件结构框图如图3 1 ： 图3 - 1 监测系统结构示意图 3 1 1 加速度监测系统设计d 们 1 ) 测试参数 车轴端垂向加速度：减振器靠车轴端垂向振动加速度 车架端垂向加速度：减振器靠车架端垂向振动加速度 2 ) 测试系统的构成：该子系统主要由加速度传感器、数据采集器、无线 网络传输、数据处理与分析软件、计算机等组成。 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 减振器与车轴连接端垂向加速度传感器采用l c 0 7 0 3 应变加速度传感器，其 采样频率默认定为1 k h z 。l c 0 7 0 3 应变加速度传感器主要技术指标： 线性：0 2 横向灵敏度：3 极限加速度( 任意轴、无电源0 5 m s ) 2 0 0 0 9 极限加速度( 任意轴、有电源0 5 m s ) 5 0 0 9 输出短路：无限期 量程：+ 5 0 9 灵敏度：0 0 2 8 v g o 5 d b 频响：d c 3 0 0 h z 3 d b 频响：d c 1 0 0 0 h z 噪声密度：l m g n h z 轴向：单 电源：+ 5 3 v m a 减振器与车架连接端垂向加速度传感器采用l c 0 7 0 2 应变加速度传感器， 其采样频率默认定为0 5 k h z ，l c 0 7 0 2 应变加速度传感器主要技术指标： 线性：o 2 横向灵敏度：5 3 极限加速度( 任意轴、无电源0 5 m s ) 2 0 0 0 9 极限加速度( 任意轴、有电源0 5 m s ) 5 0 0 9 输出短路：无限期 量程：+ 2 5 9 灵敏度：0 0 5 v g 0 5 d b 频响：d c 3 0 0 h z 3 d b 频响：d c 1 0 0 0 h z 噪声密度：2 m g 4 h z 轴向：单 电源：+ 5 3 v m a 3 1 2 温度监测系统设计 1 ) 测试参数：减振器的表面温度 2 1 测试系统的构成：该子系统主要由红外线温度传感器、数据采集器、 无线网络传输、数据处理与分析软件、计算机等组成。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 红外温度传感器选择的是o p t r i sc t 的红外测温仪，采样频率默认定为1 h z ， 主要技术指标： 温度量程：4 0 9 0 0 系统精度：4 - 1 或士l 木( 环温2 3 士5 ) 重复精度：士0 5 或士0 5 术( 环温2 3 + 5 c ) 温度系数：0 0 5 或0 0 5 k * 温度分辨率：0 1 响应时间：1 5 0 m s ( 9 5 ) 发射率：0 1 0 0 1 1 0 0 透过率：0 1 0 0 1 1 0 0 信号处理：峰值保持，谷值保持，平均值 3 1 3 位移监测系统设计 1 ) 测试参数：减振器的位移量 2 ) 测试系统的构成：该子系统主要由拉线式位移传感器、数据采集器、 无线网络传输、数据处理与分析软件、计算机等组成。 位移传感器选择的是n s - w y 0 6 型拉线式位移变送器，量程选择5 0 0m m ，精 度为0 1 的要求，主要技术指标： 量程范围：0 5 0 0 m m 综合精度：o 0 5 、0 1 、o 2 f s 分辨率：无极限( 理论) 重复性：0 0 ln l m 输出信号：0 - 5 v 、0 1 0 v 、4 - 2 0 m a 电源电压：2 4 v d c 工作温度：1 5 6 0 ，最大9 5 相对湿度 安装形式：固定支架或螺纹安装 3 1 46 p s 监测系统设计 1 ) 测试参数：列车的速度与位置 2 ) 测试系统的构成：该子系统主要由g p s 子系统、数据采集器、无线网 络传输、数据处理与分析软件、计算机等组成。 g p s 子系统是测量列车速度和位置的，其型号为：c r e s c e n t 。其采样频 率默认定在1 0 h z 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 3 1 5 数据处理和分析软件系统 整个系统的数据分析和处理系统采用图形化界面显示的，分两层界面显示， 第一层为整体监控界面，将我们被测的所有参数采用图形或数字的方式显示在 见面上，同时数据也将保存到数据文件中，第二层界面为各个参数的放大界面， 在该界面中除了有监控界面的图形显示外，还可以进行一些参数设置、图形的 放大或缩小、数据的回放以及该参数的各个主要指标显示等功能。 3 2 采集板硬件系统设计 该程序的功能是控制整个采集进程，将采集数据进行初步封装，接收上位 机命令发送采集数据。采集程序的流程图如图3 2 所示： 图3 - 2 下位机采集控制流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 上位机通过各种下发命令控制采集器进行数据采集和传输上位机命令包括启 动传输，停止传输，错误重发命令。各命令的含义如表3 - 1 ： 表3 一l各上位机命令含义 命令名命令含义 启动采样命令启动采样 启动传输命令下位机将数据缓存队列中位于队首的数据帧发送给上 位机 错误重发命令上一帧数据出现传输错误，要求重发 停止传输命令停止向上位机传输，但不停止采样 停止采样命令停止采样 实验系统采集扳主要由m c u c 8 0 5 1 f 0 2 1 、a d 变换器件t l c 2 5 4 3 、无线传 输模块j n 5 1 3 9 、存储器件构成，其接口原理图如图3 3 所示： 图3 - 3 采集板电路图 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 以下对主要功能部件做详细介绍： 3 2 1m c uc 8 0 5 1 f 0 2 1 数据采集器件采用c 8 0 5 1 f 0 2 1 单片机作为控制单元。c 8 0 5 1 f 0 2 1 器件是完全 集成的混合信号系统级m c u 芯片，具有3 2 个数字i o 引脚。下面列出了其一些 主要特性【1 3 】。【1 5 】： 高速、流水线结构的8 0 5 1 兼容的c i p 一5 1 内核( 可达2 5 m i p s ) 全速、非侵入式的在系统调试接口( 片内) 真正1 2 位、1 0 0k s p s 的8 通道a d c ，带p g a 和模拟多路开关 真正8 位5 0 0k s p s 的a d c ，带p g a 和8 通道模拟多路开关 两个1 2 位d a c ，具有可编程数据更新方式 6 4 k 字节可在系统编程的f l a s h 存储器 4 3 5 2 ( 4 0 9 6 + 2 5 6 ) 字节的片内r a m 可寻址6 4 k 字节地址空间的外部数据存储器接口 硬件实现的s p i 、s m b u s 1 2 c 和两个u a r t 串行接口，丰富的接口电路更 加方便我们进行开发设计 5 个通用的1 6 位定时器 片内看门狗定时器、v d d 监视器和温度传感器 具有片内v d d 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的c 8 0 5 1 f 0 2 1 是真正 能独立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件使能禁止和配 置。f l a s h 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并 允许现场更新8 0 5 1 固件。片内j t a g 调试电路允许使用安装在最终应用系统 上的产品m c u 进行非侵入式( 不占用片内资源) 、全速、在系统调试。该调试 系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机 命令。在使用j t a g 调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。每个m c u 都可在工业温度范围( - 4 5 。c n + 8 5 ) 内用2 7 v - 3 6 v 的电压工作。8 0 5 1 f 0 2 1 原理框图如图3 4 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 图3 - 48 0 5 1 f 0 2 1 原理框图 3 3a d 变换器件t l 0 2 5 4 3 3 3 1a d 转换器及其程序控制 a d 转换技术不下几十种，但只有少数几种技术能以单片集成的形式来实 现。其中，最通用的四种是逐次逼近式、计数器式、双斜率积分式和并行式。 a d 转换器主要有以下几个性能参数： 分辨率：a d 转换器可转换成数字量的最小模拟电压值。例如，满量程值 = 1 0 2 4 v ，对8 位a d c 其分辨率为：1 0 2 4 2 8 卸0 4 v 。模拟输入低于此值，转换 器均不转换，它就是一个最低有效位i l b s 。 转换时间：输入转换启动信号开始到转换结束所需要的时间，它反映a d c 的转换速度。 精度：a d c 输出的数字量所对应的输入电压值与理论上产生该数字量的输 入电压值之差。它反映a d c 接近于理想数字量的程度。 逐次逼近a d 转换器的基本结构如图所示，主要由采样保持电路( s h ) 、 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 d a 转换器、比较器、逐次逼近寄存器( s a r ) 、时序及其他控制电路组成，其核 心是d a 转换器和比较器。结构如图3 5 ： 九 c l k 图3 5 逐次逼近d 转换器基本结构 逐次逼近d 转换器使用二进制搜索算法，使d a 转换器的输出电压逼 近输入模拟电压。对于n 位转换器，至少需要n 个转换周期，其转换过程大致如 下：首先，采样保持模拟输入电压vi n ，送入比较器的一端，然后，s a r 最高位 ( m s b ) 预置l ，其他位全部清零，这样，d a 转换器输出1 2vr e f ，并送入比较器 的另一端。如果vi n 1 2vr e f ，那么比较器输出0 ，s a r 最高位定为1 ；否则， 如果vi n 1 2vr e f ，那么比较器输出1 ，s a r 最高位定为o 。这样，d 转换 器的最高位就确定了。接下来确定次高位，即先预置s a r 次高位为l ，如果前一 个转换周期确定的m s b = 1 ，那么，此时d a 转换器输出3 4vr e f ，vi n 与3 4v r e f 比较大小，从而确定s a r 次高位；如果前一个转换周期确定的m s b = 0 ，那么， 此时d a 转换器输出1 4vr e f ，vi n 与1 4vr e f 比较大小，从而确定s a r 次高 位。依此类推，直到s a r 的最低位确定为止，s a r 的值即逐次逼近刖d 转换器 的最终输出。 3 3 2t l g 2 5 4 3 本试验系统采用的t l c 2 5 4 3 是t i 公司的具有1 1 个通道的1 2 位开关电容 逐次逼近串行d 转换器，t l c 2 5 4 3 a d 转换器功能单元如图3 6 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 d a t a 删p u t f o c l ( ) c k 西 d 戌限 o u t 图3 - 6t l c 2 5 4 3 a d 转换器功能单元 t l c 2 5 4 3 a d 转换器件有三个控制输入端： 片选( c s ) ，输入输出时钟( i oc l o c k ) 以及地址输入端( d a t ai n p u t ) 它 还可以通过一个串行的3 态输出端( d a t a o t r r ) 与主处理器或其外围的串行口通 讯，输出转换结果。本器件可以从主机高速传输数据，除了高速的转换器和通 用的控制能力外，本器件有一个片内的1 4 通道多路器可以在1 1 个输入通道或3 个内部自测试( s e l f - t e s t ) 电压中任意选择一个。采样一保持是自动的。在转换结 束时，“转换结束 ( e o c ) 输出端变高以指示转换的完成。本器件中的转换器具 有简化比率转换、刻度以及模拟电路与逻辑电路和电源噪声隔离的特点。开关 电容的设计可以使在整个温度范围内有较小的转换误差。 采样和保持由片内采样保持电路自动完成。器件的转换器结合外部输入的 差分高阻抗的基准电压，具有简化比率转换刻度和模拟电路、逻辑电路，以及隔离 电源噪声的特点。此多通道、小体积的t l c 2 5 4 3 器件，线性误差小( 1l s b m a x ) ， 节省口线资源，成本较低，特别适用于单片机数据系统的开发。其特点有： 1 11 2b i t 分辨率a d 转换器： b ，2 3 4 5 6 7 8 9 o 雕n n m 抖挝n n伸睫皤姗舢朋觚腓脯姗姗删删蝴 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 2 ) 在工作温度范围内1 0us 转换时间； 3 ) 1 1 个模拟输入通道； 4 ) 3 路内置自测试方式； 5 ) 采样率为6 6k b s ： 6 ) 线性误差+ 1 l s b ( m a x ) ； 7 ) 有转换结束( e o c ) 输出； 8 ) 具有单、双极性输出； 9 ) 可编程的m s b 或l s b 前导； 1 0 ) 可编程的输出数据长度 t l c 2 5 4 3 a d 转换器工作过程如下【1 5 】： 一开始，片选( c s ) 为高，i oc l o c k 和d a l 除i n p u t 被禁止以及d a t ao u t 为高阻抗状态。c s 变低开始转换过程，i oc l o c k 和d a t ai n p u t 使能，并使 d a t ao u t 端脱离高阻抗状态。 输入数据是一个包括一个4 位模拟通道地址( d 7 d 4 ) 、一个2 位数据长度选 择( d 3 d 2 ) 、一个输出m s b 或l s b 在前的位( d 1 ) 以及一个单极性或双极性输出 选择位( d o ) 的8 位数据流，这个数据流是从d a t ai n p u t 端加入的。输入输出 时钟系列是加在i oc l o c k 端，以传送这个数据到输入数据寄存器。在这个传 送的同时，输入输出时钟系列也将前一次转换的结果从输出数据寄存器移到 d a t ao u t 端。i oc l o c k 接收输入系列的8 、1 2 或1 6 个时钟长度取决于输 入数据寄存器中的数据长度选择位。模拟输入的采样开始于输入i oc l o c k 的 第4 个下降沿而保持则在i oc l o c k 的最后一个下降沿之后。i oc l o c k 的最 后一个下降沿也使e o c 变低并开始转换。 转换器的工作分成连续的二个不同的周期：( 1 ) i o 周期，( 2 ) 实际转换周期。 i o 周期外部提供的i oc l o c k 定义，延续8 、1 2 或1 6 个时钟周期，这取决 于选定的输出数据的长度。 在i o 周期中，同时发生二种操作： a 一个包括地址和控制信息的8 位数据流被送到d a t ai n p u t 。这个数据在 前8 个输入输出时钟的上升沿被移入器件。当1 2 或1 6 个f o 时钟传送时，在 前8 个时钟之后d a t ai n p u t 便无效。 b 在d a t a o u t 端串行地提供8 、1 2 或1 6 位长度的数据输出。当c s 保 持为低时，第一个输出数据位发生在e o c 的上升沿。若转换是由c s 控制，则 第一个输出数据位发生在c s 的下降沿。这个数据是前一次转换的结果，在第一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 0 页 个输出数据位之后的每个后续位由后续的i o 时钟每个下降沿输出。 转换周期对用户是透明的，它是由i o 时钟同步的内部时钟来控制的。当 转换时，器件对模拟输入电压完成逐次逼近式的转换。在转换周期开始时e o c 输出端变低而当转换完成时变高，并且输出数据寄存器被锁存。只有在i o 周 期完成后才开始一次转换周期，这样可减小外部的数字噪声对转换精度的影响。 3 3 3s pi 总线 在2 5 4 3 与0 2 1 通讯时，我们选用s p i ( s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ) 串 行外接口) 总线，它是m o t o r o l a 公司推出的一种同步串行接口技术，允许m c u 与各种外围设备以串行方式进行通信、数据交换。是一种高速、全双工、同步 的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为 p c b 的布局上节省空间，提供方便。正是出于这种简单易用的特性，现在越来越 多的芯片集成了这种通信协议。它由一个主设备和一个或多个从设备组成，主 设备启动一个与从设备的同步通讯，从而完成数据的交换。s p i 总线可以使m c u 与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。s p i 总线系统可直接与各个厂 家生产的多种标准外围器件直接接口，s p i 是一种允许一个主设备启动一个与 从设备的同步通讯的协议，从而完成数据的交换，也就是s p i 是一种规定好的 通讯方式。这种通信方式的优点是占用端口较少，一般4 根就够基本通讯了， 同时传输速度也很高。一般来说要求主设备要有s p i 控制器( 但可用模拟方式) ， 就可以与基于s p i 的芯片通讯了。 该总线接口一般使用4 条线：串行时钟线( s c k ) 、主机输入从机输出数据 线m i s o 、主机输出从机输入数据线m o s i 和低电平有效的从机选择线n s s ( 有的 s p i 接口芯片带有中断信号线i n t 、有的s p i 接口芯片没有主机输出从机输入 数据线m o s i ) 。s p i 系统总线一共只需3 - - - 4 位数据线和控制即可实现与具有s p i 总线接口功能的各种i o 器件进行接口。下面介绍一下4 个信号： s c k ：串行时钟 m o s i ：主出从入 m i s o ：主入从出 s s ：从属选择，芯片上“从属选择 ( s l a v e - s e l e c t ) 的引脚数决定了可连 到总线上的器件数量。 在s p i 传输中，数据是同步进行发送和接收的。数据传输的时钟基于来自 主处理器的时钟脉冲，摩托罗拉没有定义任何通用s p i 的时钟规范。然而，最 常用的时钟设置基于时钟极性( c p o l ) 和时钟相位( c p h a ) 两个参数，c p o l 定义s p i 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 串行时钟的活动状态，而c p h a 定义相对于s 0 一数据位的时钟相位。c p o l 和c p h a 的设置决定了