（载运工具运用工程专业论文）微型测振记录仪在高速机车车辆安全监测中的应用.pdf

j e 京交通大学硕士学位论文 摘要 本文主要介绍了车裁式铁路机车车辆安全监测诊断系统的研制过 程，阐述了车辆安全监测系统的总体方案设计及其实现。整个系统的设 计分为硬件设计和软件设计两部分，在本文中着重讨论了软件的设计思 想与实现方法，对硬件设计方面的内容仅作了简单的介绍。 在软件设计中，根据模块化的、面向对象的设计思想，综合考虑各 方面的情况，采用v c # 进行了串口数据的读写、波形显示、监控程序、 分析算法程序等程序的设计，建立了一个较完善的测试系统。 在原有的频率分析技术的基础上，将小波包分析应用到了机车车辆 的安全监测中。传统的频谱分析是基于傅立叶分析的，由于傅立叶分析 只在频域内有很好的分辨率，不能适应信号的局部化分析。而小波包分 析具有很好的时一频分析特性以及对信号的局部化分析的能力，将其应 用到机车车辆安全监测中来，能够很好的进行信号的时间定位和频率提 取。 通过对津浦线货车脱轨试验、“中华之星”试验以及目前正在进行的 环形线货车提速试验的加速度试验数据实测分析，证明整个系统的设计 是现实、可行的，为进一步进行机车车辆安全监测诊断系统的研究奠定 了基础。 关键词：机车车辆状态监测串行通信数据采集数字滤波小波包 分析 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i st h e s i sm a i n l yi n t r o d u c e st h er e s e a r c hp r o c e s so f ar e a lt i m es a f e t y m o n i t o r i n gs y s t e mo f t h er u n n i n gc o n d i t i o no fr a i l w a yv e h i c l e t h ep r o j e c t d e s i g na n di t s r e a l i z a t i o no ft h er e a lt i m es a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e mo ft h e r u n n i n gc o n d i t i o no fr a i l w a yv e h i c l ea r ee x p a t i a t e d t h es y s t e md e s i g ni s c o m p o s e d o ft w o p a r t s ：t h e h a r d w a r e d e s i g n i n g a n dt h es o f t w a r e p r o g r a m m i n g i nt h i sp a p e rt h es o f t w a r ep r o g r a m m i n gi sm a i n l yd i s c u s s e d ， a n dt h eh a r d w a r ed e s i g n i n gi sm e n t i o n e db r i e f l y i nt h es o f t w a r ep r o g r a m m i n g ，b a s e do nt h ed e s i g ni d e ao f b l o c k i n ga n d o o p ( o b j e c t o r i e n t e d p r o g r a m m i n g ) ，e a c ha s p e c t s a r ec o n s i d e r e d c o m p r e h e n s i v e l y ，t h e nr e a d i n g w r i t i n g d a t a t h r o u g h t h es e r i a l p o r t ， d i s p l a y i n gt h ew a v e ，m o n i t o r i n gp r o g r a m sa n ds t a t i s t i c a lp r o g r a m se t c a r e d e s i g n e du s i n gv c # p r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，ap e r f e c tt e s t i n gs y s t e m i s f o r m e d o nt h eb a s i so f f f e q u e n c ya n a l y s i s ，w a v e l e tp a c k e ta n a l y s i si su s e di nt h e s a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e mo fr a i l w a yv e h i c l e t r a d i t i o n a lf r e q u e n c ys p e c t r u m i sa l la n a l y z i n gb a s e do nf f t f o u r i e ra n a l y s i sh a so n l yg o o dr e s o l u t i o ni n t h e f r e q u e n c yd o m a i n ，s oi t c a r m o tb eu s e dt o a n a l y z i n gs i g n a l si nl o c a l d o m a i n ，w h e r e a sw a v e l e tp a c k e tt r a n s f o r m a t i o nh a sg o o df e a t u r e si nt i m e a n df r e q u e n c yd o m a i n ，a n dh a s g o o dl o c a l i z a t i o na n a l y z i n gc a p a b i l i t yo f s i g n a l s w h e n w a v e l e t p a c k e t t r a n s f o r m a t i o ni s a p p l i e d i nt h e s a f e t y m o n i t o r i n gs y s t e mo fr a i l w a yv e h i c l e ，i tc a np r o v i d et i m el o c a l i z a t i o na n d f r e q u e n c y e x t r a c t i o n t h r o u g h t h ep r o c e s s i n go ft h et e s t i n ga c c e l e r a t i o nd a t af r o mt h er a i lv a n d i g r e s s i o nt e s t i n gi n t h ej i n p ul i n e ，“c h i n a s t a r ”t e s t i n ga n dt h e r a i lv a n a c c e l e r a t i n gi nt h er o u n d - l i n ea tp r e s e n t ，i ts h o w st h a tt h et e s t i n gs y s t e m r e s e a r c hi sv a l i da n dr e a l i z a b l e t h es t u d yh a ss e tu paf o u n d a t i o nf o rf u r t h e r r e s e a r c ho nt h er e a ll i m es a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e mo ft h er u n n i n gc o n d i t i o n o f r a i l w a yv e h i c l e 北京交通人学硕十学位论文 k e yw o r d s ：r a i l w a y v e h i c l e c o n d i t i o n m o n i t o r i n g s e r i a lp o r t c o m m u n i c a t i o n s ，d a t aa c q u i s i t i o n ，d i g i t a ls i g n a l sf i l t e r i n g ，w a v e l e tp a c k e t a n a l y s i s 北京交通人学硕十学 ：i 7 _ 论文 第一章前言 1 1 机车车辆安全监测装置的研究现状 随着列车运输向高速化、重载化的发展，在运行中及时发现和防止 故障的发生和扩大，并采取相应检修作业，成为目前保证列车运行安全 急需解决的问题。结合飞速发展的信息技术，通过对机车车辆运行状态 变化的评估，指导车辆维修是世界铁路发展的趋势，也是我国铁路实现 跨越式发展需要解决的问题】。 车辆运行中走行部运行是否安全、稳定，运行品质是否恶化：轴承 温度是否超限报警；轮对保护系统中的防滑器工作状态是否正常等。这 些涉及列车运行中的安全问题都必须在运行状态下及时发现并采取相应 措施，才能使列车运行安全得到保障。 对上述危及列车运行安全主要因素进行实时监测、记录和存储，集 中显示和报警，故障定位指导维修，为机车车辆运用状态实行动态管理 提供技术支持是列车安全监测系统的发展方向。 机车车辆走行部状态监测是我国现阶段铁路发展的需要，也是未柬 高速铁路发展的趋势。较常遇到的故障有“车辆运行中的轮对故障”、“制 动和空气弹簧系统故障”、“转向架构架以及中央悬挂装置的故障”等。 这些故障均会影响到车辆的运行品质【2 l 。 走行部状态监测属于复杂动力学系统的状态监测与故障诊断，该领 域目前还没有直接应用于铁道车辆的实用成果。国际上该领域的研究方 兴未艾。s k f 提出利用轴承振动与轴温来监测轮轴系统的工作状态，其 产品b o m o ( 可测量温度、速度、加速度) 讵在德国、瑞士进行试验【”； 法国正着力于研究b c m s y s t e m ，即“转向架状态监视系统”；德国i c e 上装有转向架预警系统( “e a r l yw a r n i n gs y s t e m ”) ，目前正在进行特征 数据的收集工作【4 】。虽然国际上浚领域的应用研究币在不停地进行，但 是还没有见到公开发表的具有指导意义的方法。 我国在机车车辆安全监测方面起步较晚，与国外存在很大的差距。 但经过最近几年的不懈努力，已做出了许多有益的工作。如：车载的机 北京交通大学硕十学位沦文 车车辆轴温报警器可以实现轴温跟踪监测报警；机车车载式线路动态监 测装黄能及时检测发现线路几何状态不平顺和严重超限处所p l ；旅客列 车安全监测信息系统即铁路客车黑匣子，它出车载状态监测系统、车地 事件与数据传输系统( 有线、无线) 、地面专家诊断系统组成。其中车载 系统包括走行部振动状态监测、制动系统状态监测、车电系统状态监测、 防滑器工作状态监测、车门火灾监测系统等。 1 2 课题的提出 总结目前国内外的发展水平可知：针对机车车辆特别是货物列车走 行部的运行状态方面的安全监测装置的成型产品几乎属于空白，有待于 研究开发。正是基于这种考虑选择了“微型测振记录仪在高速机车车辆 安全监测中的应用”这一课题。 1 3 课题的研究意义 “微型测振记录仪在高速机车车辆安全监测中的应用”为高速列车 的行车安全又提供了一个新的保障手段，首先具有巨大的社会效益；其 次，作为一种有效的安全保障手段在全路机车车辆( 特别是货物列车) 上推广使用，更具有巨大的市场前景和经济效益。 1 4 论文的主要工作 在本课题中，系统的设计包括硬件和软件两部分。在硬件设计卜， 提出了系统设计模块化、模拟、数字一体化、“在线分析”和“离线诊断” 同时兼顾的模式。在软件设计中，基于中文w i n d o w sx p 操作系统，利 用面向列象( o o p ) 的v i s u a l c # 高级编程语占，开发出了微型数据采集 系统软件。本人在此课题中参与了硬件部分的设计( 硬件部分的实现由 中国矿业大学的张景丽同学完成) ，并独立完成了系统软件部分的开发。 论文的安排如下： 北京交通人学硕士学位论文 第一章介绍了机车车辆安全监测装置的重要性；概述了相关领域的 国内外研究现状；提出了论文的主要工作。 第二章研究了微型测振记录仪系统开发方案及功能设计。 第三章介绍微型测振记录仪系统软件的具体实现。 第四章研究了小波包分析，并探讨性地将小波包分析应用到了机车 车辆的故障诊断方面。 第五章简单介绍微型测振记录仪技术参数。 第六章总结全文，提出下一步的研究工作。 北京交通人学硕十学位论文 第二章微型测振记录仪系统设计 2 1 系统设计要点 以微机为主体的动态监测系统在进行设计时，要充分保证其可靠性、 先进性、实用性。因此其设计要点主要包括以下几点： 1 所设计的系统应具有吸收利用新技术的能力 随着计算机技术及微电子技术的高速发展，电子元器件的更新速度 高得惊人。因此在进行设计时，无论是在硬件配置还是在软件系统设计 方面，都应充分考虑系统的适应性、灵活性、可扩展性，以便根据需要， 不断扩充或更新系统。为此，在系统的硬件和软件设计时应考虑： ( 1 ) 硬件配置采用拼装式积木结构，这样可根据需要随时更新和增加必 要的部分； ( 2 ) 软件结构设计上采用面向对象的、模块化的设计方法，模块间的联 系应尽可能地少，模块可根据需要进行删除和增加。 2 操作使用应尽可能地方便 测试系统应具有自动控制和管理水平，能够完成在线和离线自动数 据采集、记录；安装、拆卸要便捷；测试分析系统软件应具有良好的人 机界面。 3 系统应具有合理的性能价格比 为使系统具有合理的性能价格比，在设计时应注意电子元器件的选 择，特别是微型加速度传感器、f l a s h 闪存。最好根据实际的测试精度要 求进行选择，从而保证具有较高的性价比。 2 2 系统设计及实现 根据上节所述的系统设计思想以及实际的测试要求进行了“微型测 振记录仪”的系统方案设计。 北京交通人学硕十学位论文 2 2 1 系统概述 微型测振记录仪体积小、重量轻、安装拆卸快速便捷，可以放鬣在 几乎所有希望进行监测的部位，实现无人操作，长时问自动采集记录。 该记录仪利用标准r s 2 3 2 串口与p c 机连接，既可以将实时数据传给 p c 机又可以脱离p c 机独立的完成数据采集并将数据记录在f l a s h 存储 器中供日后进行分析处理。微型测振记录仪为车载监测装置，利用它可 以测量车体或构架的横向和垂向的振动加速度，实现对列车运行稳定性 及其变化趋势进行长期实时监测，从而有助于及早发现可能存在的安全 隐患。值得一提的是：该微型测振记录仪是一个通用型的测振装置，除 了用于铁路机车车辆的振动测量之外还可以用于其他场合的测量。 微型测振记录仪的硬件部分即为数据采集器，它利用单片机功能全 面的优势，使调理电路和数据采集电路智能化，从而使仪器在保证数据 采样速率的前提下，更加方便使用。微型测振记录仪的软件使用面向对 象的v c # 编程语言和m a t l a b 语言进行编程，运用m d i ( 多文档界面) 技术进行软件的界面设计，使得系统具有良好的人机界面，使用非常方 便。软件采用模块化设计思想，系统的维护、改进和功能扩展十分方便， 还可进步推广到其它振动信号的采集和分析。系统硬件和软件之i 、b j 按 照预定的通信协议通过r s 一2 3 2 串口进行通信，从而实现对硬件的控制 及数据的正确传输。 2 2 2 系统组成及功能设计 微型测振记录仪系统由硬件系统和软件系统组成，具有信号采集、 数掘存储、信号分析、波形显示等主要功能。系统功能及工作流程幽如 图2 1 所示。主要功能如下： 北京交通火学硕t 学位论文 外接其它路传感器信弓 2 2 2 1 传感器 图21 系统功能及工作流程框图 传感器的作用是按一定规律将被检测量转换为数据采集系统能够测 量的电信号。它所产生的电信号与它所检测的物理鼍成比例地变化。理 想的传感器应该能够将各神被检测量转换为高输出电平的电量，能够提 供零输出阻抗，噪声极低，并具有良好的线性和重现性。 常用的传感器有热敏传感器、光敏传感器、力与压力传感器、位移、 速度以及加速度传感器1 6 j 。本系统选择的是a d x l l 0 5 j q c 型微型加速度 传感器，该传感器可以满足测试精度的要求，并且价格适中。 列于传感器而言，只有少数传感器可以将待测的信号直接转换为数 字信号，大部分传感器输出的仍是电压或电流等模拟信号。总体来说， 数掘采集系统接收的信号有：开关信号( s w i l c hs i g n a i ) 、数字信号( d i g i t a l 北京交通大学硕士学何论文 s i g n a l ) 和模拟信号( a n a l o gs i g n a l ) 。 如果数据采集系统接收的是开关信号或数字信号，则可以直接进行 处理。但是，在绝大部分情况下，接收的都是模拟信号，因而必须对通 过传感器转换后的信号先进行调理，然后再进行模数转换。 2 2 2 2 信号调理 信号调理的作用是将传感器产生的低电平信号进行缓冲、放大、衰 减、隔离、滤波等，已获得a d c 所需的归一化信号。 1 放大这是信号调理最基本的方式。由传感器产生的微弱信号必须 经过放大，以提高分辨率，减小噪声。当放大后的信号的最大动态 电压范围刚好等于a d c 的动态电压范围时，才可达到最大的测量 精度。在自动测试中，一般要求放大器的增益是可程控的或可自动 调节的，以保证输出的恒定； 2 隔离这是信号调理的另一种方式。由于被监控系统可能包含会损 害数采装置的高压，因而出于安全方面的考虑，必须在数采装置和 传感器之间进行隔离。隔离还对毫伏级的输入信号起到噪声抑制的 作用。大多数信号调理电路对模拟信号采用磁隔离，对数字信号采 用光电隔离。 3 滤波滤波的目的是为了消除混入被测信号中的一些干扰信号。一 般情况下，在信号被送到a d c 之前都须加一个低通滤波器以消除 噪声。在诸如振动等快速变化的信号中则需要自1 1 - - 个抗混滤波器， 以保留某些高频信号 2 2 2 3 数据采集芯片 a d 转换器的种类很多，不同的应用场合对其要求不同，有的要求 高转换速率，有的要求有高精度，还有的用于便携式仪器仪表中，需要 低功耗等等。用于数据采集板的a d 转换器，一般是和计算机或微处理 器结合在一起使用。随着单片机在各种智能仪器仪表中的广泛应用，出 现了一些将a d 转换器和单片机内核集成在一块芯片上的数据采集芯 片，智能数据采集芯片a d u c 8 1 2 就是这样一种芯片。本微型测振记录 仪系统采用了该智能数据采集芯片。a d u c s l 2 是全集成的1 2 位数据采 北京交通人学坝十学位论文 集系统，它在单个芯片内包含了高性能的自校准8 通道高达2 0 0 k h z a d c ：两路1 2 位电压输出d a c ；可编程8 位( 与8 0 5 l 兼容内核) m c u ； 片内包含有温度传感器；8 k 字节f l a s h 程序存储器；6 4 0 字节f l a s i 数据存储器；可支持编程的2 5 6 字节r a m ；1 6 m 字节外部数据地址空 间；6 4 k 字节外部程序地址空问；提供了2 4 条可编程i o 线、8 条单输 入线、1 2 c 接口、s p i 和标准的全双工串行通信接口( u a r t ) ；5 v 低压 电源供电：工业级温度范围( 4 0 。c + 8 5 。c ) ，5 2 脚p q f p 封装 8 1 。结构 图如图2 2 所示。 图2 2a d u c 8 1 2 结构图 智能数据采集芯片a d u c 8 1 2 虽然功能广泛但尺寸却非常小，因此 被广泛地应用于高智能化传感器校正与调节、仪器仪表数据采集与校正、 低功耗便携式电子产品、瞬变采集系统等要求最小外形集成电路的场合。 可扩展性：该采集卡共可以测量8 路信号，其中有两路内置了两个 a d x l l 0 5 j q c 微型加速度传感器，用于测量振动。其它6 路目前空着， 但只要需要就可以接入其它传感器信号，例如测风压、轴温等。 2 2 2 4 数据通信协议 为了能把控制命令和出智能数据采集芯片a d u c 8 1 2 采集到的数据 传送给微机系统，利用了智能数据采集芯片a d u c 8 t 2 具有的标准的全 双工串行通信接口( u a r t ) 与微机系统进行通信。 l 串行通信的基本概念 所谓串行通信是指要传送的数据或信息在单条数据传输线上，按给定 顺序一位接一位分时传递的通信方式【8 】。它具有传输可靠、所需传输线 少和传输距离远等优点。串行通信标准接口总线有两类：( 1 ) r s 一2 3 2 c ； ( 2 ) r s - 4 2 2 ，r s 一4 2 3 ，r s 一4 8 5 。由e i a ( 电子1 业联合会) 和b e l l 等公 司公稚的r s 一2 3 2 c 是在异步串行通信中应用最广的标准接口总线。它包 括了按位串行传输的电气和机械方面的规定，详细介绍见下一节。在串 北京交通入学硕士学位论文 行通信中，数据发送定时和数据接收定时是一个重要问题。按照串行数 据的同步方式，串行通信可以分为同步通信和异步通信两类。同步通信 是按照软件识别同步字符来实现数据的发送和接收的，异步通信是一种 利用字符的再同步技术的通信方式。 同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传送一一帧 信息吼同步传输的示意图如图2 3 所示。 传送方f g j _ 一一 凳一数据块 鼐数荆蚨 困卫圣王至囹臣丑习巨至叵匡匣j j 匡型翊 斟2 3j q 步传输信息格式 在同步通信中，要求发送端总是在正式发送数据之前，先发送一个或 两个同步字符去通知接收端，接收端在收到同步字符后，便开始按照双 方约定的格式和速率接收数据，也就是用同步字符作为信息开始传送的 标志和启动信号，接收端没有收到同步字符，便不接收数据，以此实现 数据通信的同步。同步通信时，数据连续发送，代码洲不留空隙，严格 按约定的格式和速率传输，因此适于高速串行传送。但是同步通信要求 发送时钟和接收时钟必须保持严格的同步，比较复杂。 与同步通信不同的是在异步通信中，数据通常是以字符( 或字节) 为 单位组成字符帧传送的1 9 】。字符帧由发送端一帧一帧地发送，通过传输 线被接收设备一帧一帧地接收。发送端和接收端可以有各自的时钟来控 制数据的发送和接收，这两个时钟源彼此独立。平时，发送线为高电平 逻辑“l ”，每当接收端检测到传输线上发送过来的低电平逻辑“0 ”( 字 符帧中的起始位) 时就知道发送端已开始发送，每当接收端接收到字符 帧中停止位时就知道一帧字符信息己发送完毕。异步传输的示意图如图 2 4 所示。 奇偶搓 停 奇偶l l 校验位起贻位 57 位数据 校验位 超贻位 57 位数据 厂 广1 一+ o l lo l l oo 1o 1o 儿l0 1o 110 o ，1 叭l 。，、卜 一 旧2 4 异步传输f v , 息格式 在异步通信中字符帧格式和波特率是两个重要指标，由用j 、1 根据 北京交通人学硕+ 学位论文 实际情况选定。异步通信的优点是不需要传送同步脉冲，字符帧长度也 不受限制，故所需设备简单。因此在本系统中选择了异步通信方式。 在串行通信中，根据数据传送方向，把串行通信划分成三种基本的传 送模式：全双工( f u l ld u p l e x ) 、半双工( h a l fd u p l e x ) 和单工( s i n g l e d u p l e x ) 【9 】。单工目前已基本不采用。对于智能数据采集芯片a d u c 8 1 2 而言，其具有全双工通信接口，因此该系统采用的是全双工串【_ _ i 通信模 式。 全双工是指通信的双方能在同一时刻进行发送和接收操作，发送和接 收由两根不同的传输线完成，如图2 3 所示。全双：】：方式无需进行方向 切换，因此没有切换操作所产生的延时。 圈2 3 争双工串行通信 串行通信另外一个概念就是数据的传输速度，称之为波特率。所谓 波特率就是每秒传送二进制的位数，单位是b i f f s 。该系统采用的波特率 是3 8 4 0 0 b i f f s 。 2 r s 一2 3 2 接口规范f 1 o r s 一2 3 2 c 标准是美国e 1 a ( 电予工业联合会) 与b e l l 等公司一起丌 发并于1 9 6 9 年公布的串行通讯协议。目前广泛应用于计算机与终端或外 设之间的数据通信，作为一种通信标准，r s 2 3 2 c 在电器特性上作了一 些规定。 ( 1 ) 在t x d 和r x d 数据线上： 逻辑1 ( m a r k ) 3 v1 5 v ： 逻辑0 ( s p a c e ) = + 3 v + 1 5 v 。 ( 2 ) 在控制线上： 信号有效( 接通，o n 状态，正电压) = + 3 v 、“5 v ： 信号无效( 断开，o f f 状态，负电压) = 3 v 一15 v 。 以上规定说明了r s 一2 3 2 c 标准对逻辑电平的定义。对于数掘( 信息 北京交通大学硕 学俯论文 码) ：逻辑“1 ”( 传号) 的电平低于一3 v ，逻辑“0 ”( 空号) 的电平高于 + 3 v ；对于控制信号：接通状态( o n ) 即信号有效的电平高于+ 3 v 、低 于+ 1 5 v ，断开状态( o f f ) 即信号无效的电平高于一15 v 、低于一3 v ，也 就是当传输电平的绝对值大于3 v 时，电路可以有效地检查出来，介f 一3 v + 3 v 之间的电压无意义，低于一1 5 v 或高于+ 1 5 v 的电压也认为无 意义，因此，实际工作中，应保证电平在( 3 1 5 ) 之问。 根据上述规范可以看出，r s 一2 3 2 c 用正负电压来表示逻辑状态，与 t t l 以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，r s 一2 3 2 c 与t t l 之问 需要电平转换，也就是说，r s 2 3 2 c 的电平逻辑应转换为t t l 电平之后， 才能与智能数据采集芯片a d u c 8 1 2 的串行端口相连接。实现这种转换 的方法可以采用分立元件，也可用集成电路芯片。目前广泛采用的集成 芯片有m c l 4 8 8 、s n 7 5 1 5 0 ( t t l 一 r s 一2 3 2 c ) ，m c l 4 8 9 、s n 7 5 1 5 4 ( r s 一2 3 2 c 一 t t l ) ，m a x 2 3 2 a ( r s 一2 3 2 c t t l ) 。 在此设计中采用了m a x i m 公司的m a x 2 3 2 a 芯片，因为一个 m a x 2 3 2 a 芯片可以实现1 v r l 和r s 一2 3 2 c 之间的转换，设计简单。 3 微机系统与数据采集系统串行通讯接口框图 微型测振记录仪测试系统利用智能数据采集芯片a d u c 8 1 2 的串行通 信接口与微机系统p c 机完成信息的交换，测试系统设计的关键的硬件 部分是单片机子系统的设计，微机系统p c 机则直接利用它的r s 2 3 2 串 行通信口即可。系统硬件原理图如图2 4 所示。 幽2 4p c 机1 j 测试系统r s 一2 3 2 连接煳 测试系统采用智能数据采集芯片a d u c 8 1 2 的串行通信接口，具有简 单、方便的特点。微机系统p c 机与微型数据采集系统( 即测振记录仪) 的通信过程是：p c 机首先通过r s 一2 3 2 c 串行接口把通信状态检查控制 字传送给数据采集系统，数据采集系统做出相应回应。通信t f 常后，p c 北京交通大学硕士学位论文 机即可向数据采集系统传送采样频率、采样方式、采样通道、采样时钟 等采样设置命令字，数据采集系统按照预先制定的数据交换协议进行命 令识别，完成采集设置，从而实现在线或离线的自动采集和数据记录。 数据交换协议是保证控制命令正确识别的关键，卜- 面将加以介绍。 ( 1 ) 命令字传送格式 每次传送1 6 个字节，依次为帧头( 1 ) 、命令字码( 1 ) 、子命令字码 ( 1 ) 、命令字( 8 ) 、校验和( 2 ) 和帧尾( 2 ) 。通过命令字码、子命令字 码和命令字的不同组合可以实现通道数、采样时钟、读f l a s h 、采样 辱 制 等的设最。详细命令字码见表1 和表2 。 表2 l 命令字格式 o f f s e tf 纠ds i z ed e s c 耐j d n 0f r a m e h e a d 1 帧头 1b o a 州n 1 扳卡号 2c o m c o d el命令宇码详见 表2 3s u b c 眦c 哑k l子命令玛与命 令宇码蛆台决定 不同的命令，详 见表2 4 c o r n s 缸晤 8命令子串，随著 命令字码与子命 令宇码的不同蛆 合而变化，详见 表2 1 2c h e c k s u m2技驰和 1 4r 乜d2帻尾 北京交通人学硕十学位论文 表2 2 命令字码 c o m o o 士 帕 m mb 鱼m o w 晌m蜡亮方式 转釜启刀方式n 初值，w 5 是高值 ( s 1_ 0 e j ：m 加井姜 曲方式：控制： 采佯；z 站开荒控射 控嚣j 缸3 0 毪 设置启) 1 n 目，m 3 1 定时 蟪转垫血自动重 动、 d z 3 2 尊疆谨电 控捌o x 3 1 装方式 蟠s m c t d n g 结束平上升0 x 3 3 ：幕道捷转换 o x 3 1 赫 方式0 ，抛遒自 道宅平上升 吡丑j 2 提方式 控制平下雠 k 3 3 _ | 藁通毫出启 宇道电平f 降动转按 0 x 玎m 3 l柳月遛皓时月起蛄时 起拮时问替止时格止时终止时 捧止时 c s lf l 目问问间阃 定对d 缸时高 d 9 d o 时 时问4 位低4 泣 肼- 封低dd l d 0 ：5 0 瑚d t - d 0 ：d t + d 0 控制 分高4时高4时低4分矗4分低4 字位位拉在位 d 扯d o ：l l l l 鬻 摹时采样时1 日格式控 ( s ) 门1 针t 0 】制 b a l 阳g 设置m 逼使 - 4 通道使0 x 3 0 ：1 努读实时m 3 0 ： 遁谨辑m d 致及0 x 3 1 ：20 x 3 l 鹤 采样珊3 2 ：4 t 1 ) 时w 帜3 38 不津 进j ；j 讲d 0 年的后 d 7 d o 年d 7 一d o ：d 7 1 3 0 ：d r - d 0 ： f j 1门， 两位矗4 位帕后两位低月高4 位月低4 直日高4 位日低4 设置 4 直疽 冒f * 聊，d o ：时高讲d o - 时 d t - d o 。d ? - d 0 ：d 7 - d 0 c 5 4 位低4 位分毫4 位分低4 在掘4 转低4 h位 时钟 格式酬趋嘲雌 c r )0 d s c l l 日 b r e d h 啦 读 0 x 3 1 二进唰a 2 0 - f 3 知 7 o 一 部 a h 糍 3m 3 1格式磅酵 结束地址 ( w 、 n n m s 码 读b l ：进制 2 0 a 2 3 f l s h 蕊 ( 2 ) 数据上传格式 按二进制码进行传输，两个字节为一个数据点，首字节高四位为通 道号码。 222 5 数据预处理 1 通道数据分离及零均值化 从r s 一2 3 2 串口读入的实日、j 数掘或f l a s h 闪存中的数据首先必须进行 通道数据划分，然后进行波形显示、分析处理、数据存储等。数据划分 ，i3 ! ! 窭窒堕叁! ：堕! 二! i = 兰! 丝奎 必须严格按照数据上传格式划分。 为了分析的方便，常常希望振动时削历程的均值为零。这样要把这个 直流分量从全部数据中扣除，扣除直流分量后，相当于把坐标轴移剑、f 均值卢。处。而按新的坐标轴来描述的振动i 1 线，其均值为零。这叫零均 值化处理，其示意图如图2 5 所示。 z 0 ) 曹 7 弋n 厂 一k z 一土z 一一x ， 幽25 动态测试波形的零均值化处耻 2 将a d 值转化为电压量 a d 转换器将测试的模拟信号转化为数字信号输出。再做进。步分析 之前，首先需要把数字信号量转化为实际的电压量，其转化公式为： v vx v4d ”7 2 ”一 式中： 。一实际的电压量； y a d 转换器的输入电压，此系统中该值为2 5 伏： 比。一a t d 数字输出量； v a d 的位数，此系统q 该值为1 2 。 3 数字滤波 测试过程中的噪声通常足高频的，而过程变帚的变化则相对比较缓 慢。虽然硬件上往往在信号入口处采用能抑制高频干扰的r c 低通滤波 器，但r c 低通滤波器对低频干扰信号的滤波效果并不理想。这种情况 下采用数字滤波方法可以取到较好效果。 所谓数字滤波，又称为软件滤波，就是在计算机中采用某种计箅方浊 对输入的信号进行数学处理，消除或削减各种r 扰和喙声，提高信号的 北京交通人。7 ：碗十号俯沦文 不需要增加硬件设备，只需在计算机得到采样数据后，在数据用于 控制算法和处理之前，执行一段根据预定的滤波算法编制的程序即 可达到滤波的目的； 滤波的稳定性好，一种滤波的程序可以反复调用，并且使用灵活、 方便，可根据不同的需要修改滤波参数或算法。 因此，数字滤波在计算机数抓采集系统中获锝了广泛的心好j 。数字 滤波的常用方法有中值滤波法、平均值滤波法等。 ( 1 ) 中值滤波法中值滤波法的基本原理是在个采样瞬间列被测参数 连续采样奇数次，按大小排序，选择大小居中的数据作为有效信号。中 值滤波能有效地去除由于偶然因素引起的波动或因采样器的不稳定造成 的误码等脉冲性干扰，对缓慢变化的过程采用中值滤波有良好的效果。 ( 2 ) 平均值滤波法常用以下两种： 1 ) 算术平均值滤波 算术平均值滤波法是列采样数据y ( ) 的m 次测量值 进行算术平均，然后将平均值y 。辑) 作为时刻k ，的有效采样信号值，即 y ，伍) 2 去善y ( ) 其中算术平均的次数m 值决定了信号的平滑度和灵敏度。随着m 的增 大，平滑度提高，灵敏度降低。 2 ) 加权递推平均滤波( 滑动平均值滤波)算术平均值滤波对m 次中 的每个采样值给出相同的权重系数，即1 m 。如果要增加新采样值在有 效信号中的比重，提高系统对当前所受干扰的灵敏度，实际应用时，_ j 采用加权递推平均滤波，其算式为 一1 y p ( 女) = 日，y o i ) j = 0 其中 “，= 】 式1 0 兰“。川“。一! ns 1 北京交通人学硕学何论文 而且常数a 的选取有多种方式，选取合适可以得到更好的滤波效果。 本软件系统采用的是平均值滤波法中的算术平均值滤波。存软件吱 现上采用了动态连接技术( d l 。i ) ，将滤波算法编制成了一动态链接库， 供需要时调用。 222 6 幅值域计算及时域、频域分析 数据经过预处理后，进行了峰峰值、最大值、半均值、方差、标准 等等幅值域参数的计算，以1 ：各参数在一定程度上反映了列车运行过程 中的振动情况。时频域分析包括刚域波形分析、频谱分析、小波包分析 等功能，并可同时显示各图形。可进行在线或离线分析，通过数据选择 和通道选择能对任一通道数据和存盘数据进行分析。 北求交通人学硕士学位论文 第三章微型测振记录仪系统软件实现 随萧w i n d o w s 操作系统的普及应用，尤其是可视化开发软件v i s u a l c + + 、v i s u a lc 撑n e 1 1 的出现，为软件丌发提供了强火的图形界两功能， 使得丌发出来的应用程序具有友好的界嘶并具有易操作性，易维护性和 良好的人机交互功能。木软件系统根据系统设计思想和系统功能设计， 采用了面向对象的编程方法，使用微软公卅的v i s u a lc # n e t 高级编程 语言在w i n d o w s 环境f 丌发的，主要功能包括串行通信、数掘的实时采 集、显示、频谱分析、特征信息显示、数据存储、离线分析等。系统工 作流程如图3 1 所示。 开始 l - - - - 一，r ，- - - 一 t 隔r 天硬群设盲稹瑛i 研霸r 参数值的设置 生1 ；丙磊蒹；模面 | 划3i 系统f 忭十乱挂旧 山于采用了m d i ( 多文档) 界砸编程技术，使得! 。& 一i 界i f l l 所含的忙 7 甜能古、一一扎 ，仔铜t工h 据 1 一一 h 堂蒿 北京交通人。7 ：帧f “，1 市论文 息最非常丰富，在主窗口内可同时显示多个子窗口。这样在程序运行过 程中，可同时监测振动加速度的多个状态特征，并且因为数据共享，相 可| 之问可实现信息的交换。子窗口之问的转换也十分的方便，直接用鼠 标点击即可完成。幅值域参数信息及通道信息也随着当前活动窗口的改 变而显示出对应的数据。另外，在每一示波器图形子窗i 设计了弹出式 菜单，单击鼠标右键町完成通道选择、波形位置调整及波形颜色选择等 功能。软件主界面如图3 2 所示。 鲥32 软件主群曲 下面将分别介绍本软件系统的主要功能模块的实现。 3 1 串口读写功能模块的实现 3 1 1 功能模块实现的原理 p c 机首先通过r s 一2 3 2 c 目；行接_ 把通信状态检奁控制。传送给数 拚；采集系统，然后p c 机等待数据采集系统做出相应回应。通信酬0 后， 北京交通人学硕十学1 口论文 p c 机即可向数据采集系统传送采样频率、采样方式、采样通道、采样时 钟等采样设置命令字，数据采集系统按照预先制定的数据交换协议进行 命令识别，完成采集设置，从而实现在线或离线的自动采集和数掘记录。 握手协议流程陶如图3 3 所示。本功能模块采用的是w i n d o w s a p i 串u 通信编程。 n 3 1 2 a p i 串口通信的实现 h w i n d o w s 环境下的串口编程与d o s 环境下的串门编程有很大不同。 w i n d o w s 环境下的编程的最大特征之一就是设备无关性，它通过设备驱 动程序将w i n d o w s 应用程序同不同的外部设备隔离。w i n d o w s 封装了 w i n d o w s 的通信机制，这种方式称为通信a p i ，w i n d o w s 程序员可以利 用w i n d o w s 通信a p i 进行编程，不用对硬件直接进行操作。这种体系被 称为w i n d o w sj t ：放式服务体系( w o s a 、w i n d o w so p e ns e r v i c e s a r c h i t e c l u r e s ) d o 。 城川 1 1 ! ： 一，一一一 a p i ( a p p l lc a t l0 1 1r lo g r o i i i m in g ir l te r f a c cs ) 一一一一一一 ，jl 曲1 f _ = 幽34w i n d o u s 开放j 刚 i 务作系 一1 9 北京变通人学硕十学位论文 在3 2 位的w i n d o w s 系统中的a p i 函数巾不仪提供了打丌和读写通信 端n 的操作方法，还支持了名目繁多的函数以及支持刘串口通信的各种 操作。其常用串口函数及其作用如表31 所示。 匪敝作用 c a ：e a t e f i l e打开串行口 g e t c o s t a t e 检索串口设置 s e t c 锄帆s t a t o 设置串行口 g e t c 锄m t i m e o u t s检索通信超耐设首 s e t c 锄叽t 1 n e o u t 8 设置通信超时参数 s e t c m a s k 设定被监视事件 w a l t c o m m e v e n t 等待被监视事件 船i t a f i l e 发送数据 r e a d f j l e 接收数据 c l o s e h a n d l e 关闭串行口 最31 a p i 串u 通f 青函数 要利用a p i 函数中提供的函数来编程，不但要对以上这些函数中的 参数及调用方法十分熟悉，对w i n d o w s 中配置的一些常用结构也必须有 所了解。如：c o m m p r o p ，d c b ，c o m m t i m e o u t s 等。有效的利用 这些结构，可以很方便地实现对端口初始化，例如：在c o m m p r o p 结 构中包含了对端口来说容许的设置，如：波特率允许值，数据位数，停 止位数以及奇偶校验方法；但c o m m p r o p 结构给出的只是单纯的信息， 它不能改变端口的设置，要改变设置，就必须要用到d c b ( 设备控制模 块) 。通过d c b 结构可阻十分方便的设置波特率，奇偶校验方法以及数 掘位，停j 卜位。有时为了方便实现人机直接对话，常谰朋c o m m c o n f i g 结构，该结构为设置端口提供了一个很方便的函数c o m m c o n f i g d i a l o q 。 此函数显示了个对话框，从中我们可以改变波特率，数据位，奇偶校 验方法，停止位和流控制方法。 312 2 利用a p i 函数实现串口通信的几点重要说明 端口设置 北京交通人学硕十7 ：值论文 第一次打开端口时，其设置为系统默认值，关闭之后再打丌时端l j 设置为关闭前的最后设定。串行设胃的d c b 结构可用函数 g e t c o r m n s t a t e 和s e t c o m m s t a t e 检索和设定，包括波特率、数据位数、 停止位及校验和流控制等，程序中一般先检索当前设罱