（载运工具运用工程专业论文）减振器动力学性能试验软件系统设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 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。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行情况，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。因此，研制高速列车减振器软硬件检测系统，具有十分重要 的意义。 减振器动力学性能试验软件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，提出对减振器动力学性能试验软件系统的设计方案， 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。 根据设计方案的总体布置，重点对试验系统的采集卡程序与人机接口软件 进行了设计分析，实现对整个试验系统的控制，并对试验系统软件方案提 出新的构想。 关键词：减振器，性能试验，单片机，z i g b e en e t ，c + + b u i l d e r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t s h o c ka b s o r b e ri sa ni m p o r t a n te q u i p m e n to fs u s p e n s i o no fv e h i c l e s ， w h o s ep e r f o r m a n c ew i l la f f e c tt h em a n i p u l a t i o n ，s t a b i l i t y ，c o s i n e s so ft h e v e h i c l ea n dt h eq u a l i t yo ft h ew h o l ev e h i c l e t h ep u r p o s eo ft h et e s to f k i n e t i c sp e r f o r m a n c eo fs h o c ka b s o r b e ri st h r o u g hm o n i t o r i n gt h et h ev a r i o u s p a r a m e t e r sw h e nt h ea b s o r b e ri sw o r k i n gw ec a nm a k es u r ew h e t h e rt h e p a r a m e t e r sa c c o r dw i t ht h ed e s i g nr e q u i r e m e n t ss o a st oo f f e rt h et e c h n i c a l g u a r a n t e et ot r a i n s s a f e t ya n di t ss m o o t h ，u n i n t e r r u p t e do p e r a t i o n ：t h r o u g ht h e t e s ta n dr e c o r d so ft h es h o c ka b s o r b e rw h i c hi sw o r k i n gw i t hl o a di nt h e a c t u a ll i n e ，w ec a ng e tt h em a i nv i b r a t i o nf r e q u e n c y , t h em a x i m u m l e n g t ho f t h es t r e t c h ，t h em i n i m u ml e n g t ho ft h ec o m p r e s s i o n ，t e m p e r a t u r e ，v e r t i c a l a c c e l e r a t i o no fa x l ea n da m e n dt h es h o c ka b s o r b e rd a m p i n gc h a r a c t e r i s t i c st o m e e tt h ea c t u a ld e m a n da c c o r d i n gt ot h ef i n a ld a t aa n a l y s i s a sar e s u l t ，t h e d e v e l o p m e n to fh i g h s p e e dt r a i nd a m p e rs o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e t e c t i o n s y s t e mi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e t h ef u n c t i o no ft h es o f t 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 sc o n t r o l l i n gd a t aa c q u i s i t i o nd e v i c e st h r o u g ht h ew i r e l e s sn e t w o r k a n da 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 f s o f t 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 ka b s o r b e rw a si n t r o d u c e d i nt h i sp a p e rw h i c hb 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 d a s s e s ss t a n d a r d so 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 cp 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 e s t s y s t e m i s m a i n l yc o m p o s e d o f s e n s o r s ，a c q u i s i t i o nc a r d s ，w i r e l e s s t r a n s m i s s i o ne 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 ，s u c ha ss e v e r a lm a jo rp a r t s 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 ll a y o u t ，t h i sp a p e rp u ti t se m p h a s i so n p r o g r a m so fa c q u i s i t i o nc a r d sp r o c e d u r e so ft h em a n m a c h i n ei n t e r f a c e s o f t w a r e a n dt h er e a l i z a t i o no f t h ec o n t r o lo fe n t i r es y s t e mo ft e s t a tl a s tt h i s p a p e rp u t sf o r w a r dan e wi d e at os o f t w a r ep r o g r a mo f t 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 ，p e r f o r m a n c et e s t ，s c m ，z i g b e en e t ，c + + b u i l d e r 西南交通大学 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，在一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：诵 控舀 指导教师签名： 日期：2 0 0 9 年1 月1 5 日日期：2 0 0 9 年1 月1 5 日 西南交通大学曲南父逋大芋 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，均已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 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； 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； 3 试验系统中对采集数据加入了对应的g p s 信息，在对系统采集的 数据进行后处理的过程中具有方便用户的优点。 学位论文作者签名：j 也长 日期：2 0 0 9 年1 月15 日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 本章介绍列车减振器试验的发展及现状，最后结合国内外背景明确 了本论文的主要研究工作。 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 车辆减振器是机车车辆上的一个重要部件。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，摩擦式减振器己全 部为液压减振器所取代。 机车车辆的车轮与钢轨面之间是钢对钢的接触，车轮表面的不规则 和轨道的不平顺都将直接经车轮传到悬挂部件上去，从而引起机车车辆 各部分的高频和低频振动，如果这种振动不经过减振器来减弱，则会降 低机械部件的结构强度和使用寿命以及恶化运行品质，这对运输的安全 性、舒适性和经济性都是不利的。 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 振器将系统的振动能量转化为油液的热量而散逸。 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。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 l a 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 r n 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 ) 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 3 车辆减振器的试验 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。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 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 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。本文的试验系统就是这样的一种检验新型减振器在实际线路上的工 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 厶 口o 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 ) 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【3 】 4 1 。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。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3 课题研究的目的、意义与来源 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。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。 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。 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套方便实用的试验设备，提 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 出总体的试验方案。 2 ) 重点对试验测控系统的软件进行设计，包括下位机数据采集、 传输、存储程序的设计与上位机的控制、信号分析与处理、人 机接口程序。 3 ) 总结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 与来源，最后陈述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 章试验原理及性能要求 2 1 减振器的结构及特点。“7 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。 以本文要进行试验的萨克斯铁路减振器为例，萨克斯铁路减振器主 要分为t 5 0 ，t 6 0 ，t 7 0 三个系列，活塞直径分别为5 0 m m ，6 0 r a m ，7 0 r a m 。 外形尺寸和阻尼系数可根据用户要求任意设计。t 5 0 主要应用在铁路客 车上，t 7 0 主要应用在机车上，t 6 0 是萨克斯新一代抗蛇形减振器。外 形如图2 1 ： 图2 - 1 试验时应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 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 要求进行传感器的安装与调试9 i 。安装示意图如图2 - 2 图2 2 安装示意图 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 22 试验系统结构与组成 系统由无线加速度监测子系统、无线温度监测子系统、无线位移监 测子系统、无线g p s 子系统以及评估软件子系统等几部分组成。系统能 够连续采集和记录2 0 个小时的数据。 硬件系统主要由传感器【州与g p s 模块、数据采集器、无线传输网络 等组成，如图2 - s ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 垂向加速i 度传感器 i 7 z i g b e e上位机 数 无线收软件系 红外温度 据 发模块统 传感器 采 集 l 位移传感 器 i 器数据存 储子系 g p s 子系统 统 图2 - 3测控系统结构示意图 2 2 1 加速度监测子系统 1 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、 无线传输网络、数据处理与分析软件、计算机等组成。 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。l c 0 7 0 3 应变加速度传感器主要技术指标： 线性：o 2 横向灵敏度：s 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 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 噪声密度：l m g 、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，l c 0 7 0 2 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o 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 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：2 m g 4 h z 轴向：单 电源：+ 5 3 v m a 2 2 2 温度监测子系统 1 ) 测试参数：减振器的表面温度 2 ) 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、无线传输网络、数据处理与分析软件、计算机等组成。 红外温度传感器选择的是o p t r i sc t 的红外测温仪，主要技术指标： 温度量程：4 0 9 0 0 系统精度：士1 或士1 木( 环温2 3 + 5 c ) 重复精度：4 - 0 5 或4 - 0 5 木( 环温2 3 4 - 5 ) 温度系数：0 0 5 或0 0 5 。c 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 2 2 3 位移监测子系统 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、无线传输网络、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 0 m m ，精度为o 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 、o 1 、0 2 f s 分辨率：无极限( 理论) 重复性：0 0 1m m 输出信号：0 5 v 、o 1 0 v 、4 2 0 m a 电源电压：2 4 vd 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 2 2 4 g p s 子系统 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、 无线传输网络、数据处理与分析软件、计算机等组成。 g p s 子系统用于测量列车速度和位置，其硬件型号为：战神t d l 4 s 。 2 2 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。 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 2 3 本章小结 本章主要阐述了减振器的结构，并在此基础上给出对传感器安装的 要求。重点分析和介绍了试验测控系统的组成和结构，对传感器的选型 及其主要的技术参数做了详细的介绍。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第3 章采集卡系统程序设计 采集卡主要由m c u 、a d 变换器件、无线传输模块、存储器件构成 其接口【1 1 】【1 2 1 如图3 1 ： 图3 1 采集卡原理图 数据采集器件采用8 0 5 i 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 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 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 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 到+ 8 5 ) 内用27 v - 36 v 的电压工作。8 0 5 1 f 0 2 i 原理框图如图 3 2 ： 图3 28 0 5 i f 0 2 l 原理框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 我们设计的采集卡程序总体流程图如图3 3 ： 图3 3 采集卡程序总体流程图 3 1 数据采集程序分析设计 3 1 1a d 转换器及其程序控制 a d 转换技术不下几十种16 1 ，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 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 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 = 0 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1 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d 转换器的基本结构如图3 - 4 所示，主要由采样保持 电路( s & h ) 、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 - 4 ： 吃 c l k 图3 - 4 逐次逼近刖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v i 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 2 v r e f ，并送入比较器的另一端。如果v i n 1 2 v r e f ， 那么比较器输出0 ，s a r 最高位定为l ；否则，如果v i n l 2 vr e f ，那么 比较器输出1 ，s a r 最高位定为o 。这样，a 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1 ，如果前一个转换周 期确定的m s b = l ，那么此时d a 转换器输出3 4 v r e f ，vi n 与3 4 vr 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 4 vr e f ，vi n 与1 4vr e f 比较大小，从 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 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d 转换器的最终输出。 试验系统采用的t l c 2 5 4 3 1 7 】- 1 9 】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，采样率为6 6k b i t s ，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( l l 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。试验系统中总共用到t l c 2 5 4 3 的4 个a d 通道： 1 ) 两路加速度信号。 2 ) 一路温度信号。 3 ) 一路位移信号。 单片机利用一片t l c 2 5 4 3 即可实现对所有4 路信号的采集，使用时 我们只需要通过编程实现通道的选择与a d 转换方式的设置就十分方便 地得到转换后的结果。 t l c 2 5 4 3 ，d 转换器功能单元如图3 5 ： d a l 阻 呐p u i i o a 删 西 图3 - 5t l c 2 5 4 3 a d 转换器功能单元图 d a l a 仪盯 o 1 2 3 4 s 6 7 8 9 o肘肘肿跗肿玳肘射舯坩脒脒脯脯肌矾脒脯圳姗蝴 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 s p i 总线a d 转换器时序如图3 6 ： 图3 - 62 5 4 3 的a d 转换器时序 根据时序图我们编写的s p i 总线a d 采样的子程序如下： v o i da d ( u n s i g n e dc h a ra ) u n s i g n e dc h a rm ； a d g a o = a d d i = o ； n s s = o ；宰片选有效，启动a d 转换木 f o r ( m = 0 ；m ( m 1 ) ； h o p _ 0 ； h o p _ 0 ； s p i k = 1 ；木有效数据在时钟上升沿之前至少要维持1 0 0 n s * 一h o p 一( ) ； 。 n o p _ 0 ；木每个n o p 为4 5 n s * 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 a d _ g a o = ( ( u n s i g n e dc h a r ) m i s o ( 7 - m ) ) l a d g a o ； 一n o p 一( ) ； s p i k = 0 ；木时钟高电平或者低电平维持时间至少为1 2 0 n s * 一n o p 一( ) ； n o p _ o ； ) f o r ( m = 0 ；m 4 ；m + + ) s p i k = 1 ； 一n o p 一( ) ； a d d i = ( ( u n s i g n e dc h a r ) m i s o ( 7 m ) ) l a d _ d i ； s p i k = 0 ； _ h o p _ o ； 一n o p 一( ) ； ) n s s = 1 ；木片选失效，等待2 5 4 3 转换，i ) 该a d 转换控制子函数输入一个通道选择和格式控制数据a 注意a 的低四位为0 ，表示控制输出为先输出高位，输出为单极性，高四位为 通道选择。函数调用之后，a d _ g a o ，a d d i 两个变量中保存的是上次a d 转换的结果。 3 1 2g p s 数据的采集 g p s 2 1 】- 【乃j 又称为全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) ，是美 国从上世纪7 0 年代开始研制，历时2 0 年耗资2 0 0 亿美元于1 9 9 4 年3 月完成其整体部署，实现其全天候、高精度和全球的覆盖能力；现在g p s 与现代通信技术相结合使得测定地球表面三维坐标的方法从静态发展到 动态，从数据后处理发展到实时的定位与导航极大地扩展了它的应用广 度和深度。载波相位差分法g p s 技术可以极大提高相对定位精度。在小 范围内可以达到厘米级精度。此外由于g p s 测量技术对测点间几何图形 等方面地要求比常规测量方法灵活、方便已完全可以用来施测各种等级 的控制网。g p s 全站仪的发展在地形和土地测量以及各种工程、变形、 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 地表沉陷监测中已经得到广泛应用，在精度、效率、成本等方面显示出 巨大的优越性。 g p s 系统包括三大部分：空间部分一g p s 卫星星座；地面控制部分 一地面监控系统；用户设备部分一g p s 信号接收机。g p s 的空间星座部 分中2 4 颗卫星基本均匀分布在6 个轨道平面内，轨道平面相对赤道平面 倾角为5 5 。，各轨道平面之间的交角为6 0 。，每个轨道平面内的卫星相 差9 0 。，任一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前 3 0 。卫星轨道平均高度为2 0 2 0 0 k m ，卫星运行周期为1 1 小时5 8 分。 每颗卫星每天约有5 个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星 数目随时间和地点而不同，可为4 - 1 l 颗；g p s 的地面监控部分目前主 要由分布在全球的5 个地面站组成，其中包括卫星检测站、主控站和信 息注入站。g p s 的空间部分和地面监控部分是用户广泛应用该系统进行 导航和定位的基础，均为美国所控制；g p s 的用户设备主要由接收机硬 件和处理软件组成。用户通过用户设备接收g p s 卫星信号，经信号处理 而获得用户位置、速度等信息，最终实现利用g p s 进行导航和定位的目 的。因此我们只需要集成一个接收机模块就可以很方便的实现精确的 g p s 定位测量，方便我们进行列车的监控。 在我们的试验系统中集成了一块g p s 硬件接收机，该模块的采样频 率事先可以灵活的进行设置，与单片机之间通过r s 2 3 2 串口进行数据 通讯。数据格式满足n m e a 协议。n m e a 协议是为了在不同的g p s ( 全 球定位系统) 导航设备中建立统一的b t c m ( 海事无线电技术委员会) 标准，由美国国家海洋电子协会( n m e a t h e n a t i o n a lm a r i n ee l e c t r o n i c s a s s o c i a t i o n ) 制定的一套通讯协议。g p s 接收机根据n m e a 0 1 8 3 协议 的标准规范，将位置、速度等信息通过串口传送到p c 机、p d a 等设备。 n m e a 0 1 8 3 协议是g p s 接收机应当遵守的标准协议，也是目前g p s 接 收机上使用最广泛的协议，大多数常见的g p s 接收机、g p s 数据处理软 件、导航软件都遵守或者至少兼容这个协议。n m e a 0 1 8 3 协议定义的语 句非常多，但是常用的或者说兼容性最广的语句只有s g p g g a 、 s g p g s a 、s g p g s v 、s g p r m c 、$ g p v t g 、$ g p g l l 等。下面给出我们 接收机使用的n m e a 0 1 8 3 语句的字段$ g p r m c 的定义解释： 以下一条语句为例： $ g p r m c ，0 2 4 8 1 3 6 4 0 ，a ，3 1 5 8 4 6 0 8 ，n ，1 1 8 4 8 3 7 3 7 ，e ，1 0 0 5 ，3 2 4 2 7 ，1 5 0 7 0 6 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 a 謇5 0 字段0 ：$ g p r m c ，语句i d ，表明该语句为r e c o m m e n d e dm i n i m u m s p e c i f i cg p s t r a n s i td a t a ( r m c ) 推荐最小定位信息 字段1 ：u t c 时间，h h m m s s s s s 格式 字段2 ：状态，a = 定位，v = 未定位 字段3 ：纬度d d m m m m m m ，度分格式( 前导位数不足则补0 ) 字段4 ：纬度n ( 北纬) 或s ( 南纬) 字段5 ：经度d d d m m m m m m ，度分格式( 前导位数不足则补0 ) 字段6 ：经度e ( 东经) 或w ( 西经) 字段7 ：速度，节，k n o t s 字段8 ：方位角，度 字段9 ：u t c 日期，d d m m y y 格式 字段1 0 ：磁偏角，( 0 0 0 18 0 ) 度( 前导位数不足则补o ) 字段1 1 ：磁偏角方向，e = 东w = 西 字段1 6 ：校验值 根据$ g p i w c 的数据格式定义，因此对于该g p s 接收机模块采集的 数据我们必须进行一定的处理： 1 ) 该模块发送的数据为a s c i i 码，为了节约m c u 的存储空间，我们 应在接收时将其转化为用i n t 型数据表示。 2 ) 由于g p s 需要通过接收卫星信号才能进行定位【2 0 1 ，当列车经过隧道 或者因为其他原因引起g p s 天线被遮挡时，g p s 的数据为无效数据， 我们应该将该包数据做好标记。 每帧数据以$ 开头，以回车结束，格式如下： 1 ) 时间+ 经度+ 纬度+ 速度。 2 ) 每个数据之间为，分隔。 3 ) 包含一位的a v 有效位，若该位为a 表示该包数据有效，为v 表示无效。 根据模块的数据格式，我们设计的中断处理子函数如下： v o i di s r u a r tl ( v o i d ) i n t e r r u p t2 0 i f ( s c o n l & 0 x 0 1 = = 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 s c o n l = s c o n l & 0 x f e ： i f ( k 1 8 ) i f ( s b u f l = = ，i i s b u f l = 一) j i n g _ w e i s u d u i 】= a s c c h a n g e 0 ，b ) ； i + + ； j = o ； 第2 2 页 ) e l s ei f ( s b u f i = = 1 3 )宰每包数据以回车为结束符号木 j i n g d u _ z h e n g 2 j i n g _ w e i 二s u d u 0 ； j i n g d u _ x i a o = j i n g _ w e i s u d u 1 】； w e i d u _ z h e n g = j i n g _ w e i s u d u 3 ； w e i d u x i a o= j i n g _ w e i s u d u 4 ； s u d u _ z h e n g= ( u n s i g n e dc h a r ) ji n g _ w e i s u d u 6 ； s u d u x i a o= ( u n s i g n e dc h a r ) ji n g _ w e i s u d u 7 ； i = 0 ： k = o ： ) e l s e木收到其他字符宰 b j 】= s b u f l ； j + + ； 西南交通大