（通信与信息系统专业论文）平轮模拟信号源的开发与实现.pdf

哈尔滨t 程人学硕十学何论文 摘要 本课题来源于黑龙江省重点科技攻关项目“基于d s p 及嵌入式的车轮扁 疤检测平台”。作为项目的重要组成部分，本文创新性的提出了基于虚拟仪器 的多路同步平轮模拟信号源的设计与实现方法。 在平轮扁疤检测领域内该课题第一次实现了在实验室的条件下对火车 平轮扁疤的检测，从而使该工作有着重大的科研和经济意义，该论文的成果 已申请国家发明专利。技术创新为：首次开发研制出了为在实验室环境下开 发研制平轮检测系统所需要的现场模拟信号源，做到了九路信号的同步，信 号实时更换，采用了虚拟仪器技术，硬件的软件化，功能的模块化和使用的 方便化。 论文从车轮扁疤检测技术背景出发，论述了平轮模拟信号源在实验室设 计开发平轮检测平台的重大科技价值和经济意义。文章从信号的来源开始， 分析了信号的特性，提出了平轮模拟信号源的技术指标。在确定好技术指标 的基础上，创新性的提出了基于虚拟仪器的多路平轮模拟信号源的设计方案。 在功能模块上把平轮模拟信号源分为三个相对独立的部分：虚拟软面板、信 号转接模块、即插即用模块。各部分的主要工作是：虚拟面板上的各种控件 和对应的后台程序编制，包括信号处理部分、信号下载部分、信号输出部分、 信号同步部分和u s b 接口上位机通信部分；信号转接模块软硬件的设计，包 括以l p c x x x x a r m 7 为核心控制芯片的电路图的绘制部分、p c b 绘制部分、 芯片的焊接部分、软硬件的调试部分、l c d 的调试部分、u s b 下位机通信调 试部分、按键的调试部分和即插即用接口的调试部分；九个即插即用模块软 硬件的设计，包括以e p m x x x t x x x c p l d 为核心控制芯片的电路图的绘制部 分、p c b 绘制部分、芯片焊接部分、软硬件的调试部分、r a m 存储模块的 调试部分、d a 转换模块的调试部分和功率放大模块的调试部分。虚拟面板 采用l a b w i n d o w s c v i 作为软件调试平台，信号转接模块采用k e i l a r m 作为 软件调试平台；即插即用模块采用q u a r t u s l i 作为虚拟硬件的调试平台。 哈尔滨t 稃人学硕十学位论文 最后对平轮模拟信号源的各种技术指标进行了验证，实验结果表明平轮 模拟信号源在九路信号的同步和信号的实时改变的技术指标，被国内首次应 用到平轮扁疤检测领域里。大量的直接和间接的测试结果表明基于虚拟仪器 的多路同步模拟信号源在技术指标，稳定性和可靠性方面达到设计要求。 关键词：虚拟面板；u s b ；信号转接模块；即插即用模块； 哈尔滨 ：程人学硕十学位论文 a bs t r a c t a sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ep r o j e c t f l a tw h e e ld e t e c t i o np l a t f o r mb a s e do n d s pa n de m b e d e ds y s t e m w h i c hc a n l ef r o mh e i l o n g i i a n gp r o v i n c es c i e n c ea n d t e c h n o l o g yd e p a r t m e n t ，t h i st h e s i sp u t t e df o r w a r dt h ei n n o v a t i v eo ft h ed e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o no fm u l t i c h a n n e ls y n c h r o n o u sf l a tw h e e la n a l o gs i g n a l s o u r c ew h i c hw a sb a s e do nt h ev i r t u a li n s t r u m e n t t h es u b je c tw a st h ef i r s tt i m et od e t e c tt h es c a r so ff l a tw h e e li nt h ec o n d i t i o n o ft h el a b o r a t o r yi nt h ef i e l do ff l a tw h e e ld e t e c t i o n s ot h a t ，t h ew o r kw a so f g r e a ts i g n i f i c a n c ei nt h ef i l e d so fe c o n o m y ，s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y t h er e s u l t so f t h e t h e s i sh a sb e e na p p l i e df o rn a t i o n a li n v e n t i o np a t e n t t h et e c h n o l o g y i n n o v a t i o n so ft h i sw o r ki n c l u d et h ef o l l o w i n g s ：t od e v e l o pao n - s i t ea n a l o g s i g n a ls o u r c ew h i c hw a su s e df o rt h ed e v e l o p m e n to ff l a tw h e e ld e t e c t i o n s y s t e mi nt h el a b o r a t o r y , t om a k et h es i g n a l so fn i n ec h a n n e l sp u to u ti nt h es a n l e t i m e ，t oc h a n g et h es i g n a li nr e a l - t i m e ，t ou s et h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , t ou s et h es o f t w a r ei n s t e a do ft h eh a r d w a r e ，t om a k et h ef u n c t i o n st oi n d e p e n d e n t m o d u l e sa n dt ou s ei tc o n v e n i e n t l y t h i st h e s i sb e g i n e dw i t ht h et e c h n o l o g yb a c k g r o u n do ft h ef l a tw h e e ls c a r d e t e c t i o n ，d i s c u s s e dt h ew a l u eo ft h ef l a tw h e e la n a l o gs i g n a ls o u r c ei nt h e t i l d e so fs c i e n c e ，t h e c h n o l o g ya n de c o n o m i c ) ，w h i c hw a su s e df o rt h ed e s i g na n d d e v e l o p m e n to ff l a tw h e e ld e t e c t i o np l a t f o r mi n t h el a b o r a t o r y t h i sp a p e r f i r s t l yd i s c u s s e st h ep r o b l e m sw h e r et h es i g n a lh a dc a n l ef r o m ，a n a l y s i s e dt h e s i g n a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dm a d et h et e c h n i c a li n d i c a t o r so ff l a tw h e e la n a l o g s i g n a ls o u r c e b a s e do nd e t e r m i n i n gt h et e c h n i c a li n d i c a t o r s ，t h i st h e s i sp u t t e d f o r w a r dt h ei n n o v a t i v ed e s i g n “t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fm u l t i c h a n n e l s y n c h r o n o u sf l a tw h e e la n a l o gs i g n a ls o u r c eb a s e do nt h ev i r t u a li n s t r u m e n t ” i nt h em o d u l ef u n c t i o n s ，t h ef l a tw h e e la n a l o gs i g n a ls o u r c ew a sd i v i d e di n t o 哈尔滨i ：稃人学硕十学位论文 t h r e ei n d e p e n d e n tp a r t s ：t h ev i r t u a ls o f tp a n e l ，t h es i g n a lc o n v e r s i o nm o d u l e s ， t h ep l u g & p l a ym o d u l e s t h em a i nw o r ko ft h ee a c hp a r tw a s ：1 p r o g r a m m e da v a r i e t y o fc o n t r o l sa n d p r o c e d u r e s f o rt h e p r e p a r a t i o n o fc o r r e s p o n d i n g b a c k g r o u n do nt h ev i r t u a ls o f tp a n e lw h i c hi n c l u d e dt h ep a r to ft h es i g n a l p r o c e s s i n g ，t h ep a r to ft h es i g n a ld o w n l o a d ，t h ep a r to ft h es i g n a lo u t p u t ，t h ep a r t o ft h es i g n a ls y n c h r o n i z a t i o na n dt h ep a r to fu s bp ci n t e r f a c ec o m m u n i c a t i o n ； 2 t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no fs i g n a lc o n v e r s i o nm o d u l e sw h i c h i n c l u d e dt h ep a r to ft h ec i r c u i td i a g r a md r a w i n gw h i c hu s e dl p c x x x x a r m 7a s t h ec o r ec o n t r o lc h i p ，t h ep a r to ft h ep c bd r a w i n g ，t h ep a r to ft h ec h i pw e l d i n g ， t h ep a r to ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e b u g g i n g ，u s bi n t e r f a c eu n d e r - m a c h i n e c o m m u n i c a t i o nd e b u g g i n g ，t h ep a r to ft h ek e yd e b u g g i n ga n dt h ep a r to fp l u g a n dp l a yi n t e r f a c ed e b u g g i n g ；3 t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r em o d u l ed e s i g no fn i n e p l u g & p l a ym o d u l ew h i c hi n c l u d e dt h ep a r to ft h ec i r c u i td i a g r a md r a w i n g w h i c hu s e de p m x x x t x x x c p l da st h ec o r ec o n t r o lc h i p t h ep a r to ft h ec h i p w e l d i n g ，t h ep a r t o ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e b u g g i n g ，t h ep a r to fr a m m e m o r ym o d u l ed e b u g g i n g ，t h ep a r to ft h ed ac o n v e r t e rm o d u l ed e b u g g i n ga n d t h e p a r t o fa m p l i f i e rm o d u l e d e b u g g i n g t h e v i r t u a ls o f tp a n e lu s e d l a b w i n d o w s c v ia st h es o f t w a r ep l a t f o r m ，t h es i g n a lc o n v e r s i o nm o d u l e su s e d k e i l a r ma st h es o f t w a r ep l a t f o r ma n dh ep l u g & p l a ym o d u l e su s e dq u a r t u s l ia s v i r t u a lh a d w a r ep l a t f o r m f i n a l l y , t h et h e s i su s e dav a r i e t yo fm e t h o d st o t e s tt h er e l i a b i l i t yo ft h e t e c h n i c a li n d i c a t o r s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e t e c h n i c a li n d i c a t o r so ft h e s y n c h r o n i z a t i o no fn i n e - c h a n n a ls i g n a l sa n dr e a l t i m es i g n a lc h a n g e dw h i c hw e r e t h et e c h n i c a li n d i c a t o r so ff l a tw h e e la n a l o gs i g n a ls o u r c ew a su s e di nt h ef i e l d o ft h ef i a tw h e e ls c a rd e t e c t i o nf o rt h ef i r s tt i m ei nc h i n a a tt h es a l n et i m e ，a l a r g en u m b e ro fd i r e c ta n di n d i r e c tt e s t i n g ss h o w e dt h a tt h et e c h n i c a li n d i c a t o r s ， s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yw h i c hm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：v i r t u a ls o f tp a n e l ；u s b ；s i g n a lc o n v e r s i o nm o d u l e s ；p l u g & p l a y m o d u l e s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：执更6 日期：湖可年1 月iq _ 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 略授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 一 作者( 签字) ：识丈召导师( 签字) ：池哆刚 日期：友神7 年1 月j 牛日汩个年j 月i 牛日 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 1 1 1 课题研究的背景 火车车轮状态的好坏直接涉及车辆的运行品质，并成为影响列车运行安 全的重大因素。世界公认的铁路安全监管的部门美国联邦铁路局( f r a ) ，在 对美国1 9 9 1 年至1 9 9 9 年铁路事故的一份报告中指出，铁路员工因疲劳所致 的检测失误占总事故的1 4 ，火车的车轮扁疤是事故发生的一个重要原因。 在此报告中要求缩短检测操作工人的工作时间和缩短车轮的使用时间( 拟定 缩短一半) 。报告还指出车轮扁疤在列车发生事故时，起到推波助澜的作用。 1 9 9 8 年6 月，一向以安全可靠著称的德国高速列车发生了轰动世界的列车倾 覆事故，造成了大量的人员伤亡和财产损失。而导致此次事故的主要原因， 经事故后分析是火车轮踏面上产生的疲劳扁疤失察所致。在同年8 月，我国 江岸5 5 4 8 0 8 1 次货车发生脱轨事故，其诱因同样是火车轮踏面的疲劳扁疤。 这些事故给国家和个人都带来无法估量损失。无论是从整体的评估上还是从 具体的某一个重大的行车事故上，火车车轮扁疤的存在是列车安全运行一个 无法回避的重大问题。 由于车轮及闸瓦的材质，列车紧急制动，空重车调整装置的漏调或误调 致使空车时在重车位制动力过大，调车作业的制动，机车司机的操纵水平不 高及车辆缓解不良等诸多原因造成车辆车轮轮疤( 踏面擦伤、剥离等) 较多。 而目前列检对车轮轮疤的检查，一方面主要靠检车员接车过程中和停车后的 耳听、锤敲、眼看，这种传统的人工检查方法，受人为因素、故障所处的部 位、现场工作条件、气候以及技检时间等因素影响，既不易及时发现车轮轮 疤，造成漏检、漏修，又增加工人的劳动强度，延长技校时间；另一方面随 着我国国民经济和科学技术水平的持续发展和不断提高以及我国铁路第六次 哈尔滨r 程大学硕十学位论文 大提速的成功，社会对铁路运输也提出更高的要求。因此铁路部门迫切需要 一种对运输车辆平轮扁疤进行实时监控系统。并要求此轮轨扁疤检测设备在 安全性、高效性、智能性上都能满足铁道运输的需要【l 儿引。 数十年来人们采用了不同的方法对火车平轮的疤痕进行实时检测，不管 其最终的结果如何，但是都面临一个无法回避的问题：那就是必须要有一段 铁路和一列火车让它在一定的速度和负载下进行现场测试。这就出现了两个 严重的问题： 第一，在效率方面：不可能为每一个想从事火车平轮疤痕研究的团队都 给提供一段铁路、一列火车和相应保障火车正常运行的人员和设备。这个客 观条件就限制研发团队的数量，尤其是那些想进行全面的检测方法革新的团 队。因为他们是打破传统思维的检测方法，没有成功的经验可以借鉴，只是 从理论上得到的结论，因此在竞标现场测量环境时往往会因为风险较大而失 去尝试的机会。这样不宜集思广益，尝试所有的测试方法，在一定程度上限 制了对此课题的研究。到目前为止还没有一种检测装置可以做到对行驶的列 车进行精确的定量分析：即在不影响列车运行的前提条件下，实时给出是哪 列火车的哪节车厢的哪个轮子出现了多大的疤痕，并报告出疤痕的大小是什 么级别。从这一点可以知道火车轮轨疤痕的实时检测是一个世界性难题。因 此一开始就从现场测试存在一个弊端那就是违背了研究问题从简单到复杂， 从特殊到一般，从理论到实验室再到现场的科学研究方法。 第二，在经济方面：这是一个无法回避的问题，一段铁路、一列火车和 相应保障火车正常运行的人员和物资在经济方面是巨大的开支。火车使用的 费用标准( 这罩以货车为例) 为：整车运输费用= 基价1 ( 5 7 元吨- 1 4 8 元 吨) + 基价2 ( 0 0 3 3 6 元屯千米- 0 0 7 6 5 元吨千米) 。据估算租用一列十节的 列车和五千米的专线，租期为半年，费用大概为5 0 0 万左右。这样规模开支 就是对于一个成熟的系统测试都有很大的风险，更不用说前中期的系统验证 测试了。让一般的科研团队从事现场的测试是不现实的也是不可能的。另外 从测试到完全满足设计要求是一漫长反复的过程，这就会使铁路火车和相关 2 哈尔滨i ：程火学硕十学位论文 的人员和物资闲置造成不必要的浪费l 3 i 。 由于以上两个客观的因素的限制使得找到一种可以在实验室里代替现场 检测前中期的方法变得十分必要，到目前为止还没有任何关于这方面的设备 和资料的报道。 1 1 2 课题研究的意义 本课题是黑龙江省重点科技攻关项目：平轮检测系统的研发与实现的一 部分，是一种模拟火车在运行时车轮与铁轨接触时的振动信号，具体地说是 一种平轮模拟信号源。 由于受实际情况的限制不可能让每个参与检测系统研发的团队都到火车 运行的现场去进行测试。为了解决这个问题有关部门人为地把各种轮轨疤痕 信号采集出来，使检测系统的研发可以在实验室的环境下进行成为可能。本 课题就是在拿到轮轨疤痕离散信号的基础上，设计出一种可以模拟现场的传 感器信号的装置。在实际的现场检测环境下： 一、需要九路传感器信号同时工作，这就要求设计出一个可以同步输出 九路模拟信号的信号源。 二、由于列车的次数和速度不同就会使传感器输出不同的信号，这就要 求信号源输出的九路信号可以随时进行更换。 该论文在宏观的最大创新之处是：首次开发研制出了为在实验室环境下 开发研制平轮检测系统所需要的现场模拟信号源，实现了科学研究方法从简 单到复杂，从实验室到现场的科学研究过程，该项目已经申请了国家发明专 利。根据查新报告，该论文成果在技术上的最大创新之处是实现了九路信号 的同步输出，实现了九路信号的实时更换，采用虚拟仪器技术实现了硬件软 件化的设计思想，做到仪器设计模块化、功能化和智能化。该论文的工作在 经济意义上有重大的突破，由于采用该平轮模拟信号源可以实现在实验室条 件下，验证平轮扁疤检测系统在开发前期的开发。 哈尔滨t 稗人学硕十学位论文 1 2 平轮检测系统的总体方案 基于功能特点模块化、分工具体化的设计思想，轮疤检测系统共分成5 个部分：前端铁路现场传感器布置区、测控放大电路、基于d s p 的轮疤数据 采集和处理系统、基于a r m 的轮疤检测监测系统和p c 监控系统。各部分的 连接关系如图1 1 所示。 铁路现场传感 器和置区 测控放 火电路 r c 监控系统k 鲥蔫纛燃k i i ， 基于d s p 的轮疤 榆测数据采集 和处理系统 图1 1 平轮检测系统连接关系 前端铁路现场传感器布置区如图1 2 所示，其主要功能是捕捉轮轨振动信 号和火车的位置信息及行驶参数；测控放大电路主要功能是对传感器输出的 信号按指定指标进行放大，然后传输给数据采集和处理系统；基于d s p 的轮 疤数据采集和处理系统主要功能是采集并处理轮轨振动信号和磁钢信号，得 出轮疤检测结果并传输给a r m 监测系统进一步处理；基于a r m 的轮疤检测 进入有效出有效采 采集区集区 1 2 轮疤检测前端传感器现场安装图 4 哈尔滨t 程大学硕十学侍论文 监测系统的主要功能是接收轮疤检测结果并进一步处理，然后通过网线将结 果传输给远端p c 机，此外基于a r m 的轮疤检测监测系统还具有l c d 显示 和键盘控制功能；p c 监控系统的主要功能是接收a r m 轮疤检测监测系统传 输过来的轮疤检测结果，并存入数据库，可供人员随时查看和打印，同时此 部分可控制a r m 监测系统部分工作。 从图1 1 和图1 2 可以知道，在整个检测系统传感器和测控放大电路是现 场部分，其它部分都是在得到正确的平轮与铁轨振动信号后进行的测试。如 果没有得到正确的平轮与铁轨震动信号再好的测试方法都是无本之末，无水 之源。从图1 2 可知一共有1 4 传感器，其中的z i z 5 与z 6 z 1 0 是测量火车 平轮与铁轨的之问震动的传感器，平轮扁疤的特性是对这1 0 路信号的分析得 到的。从这l o 路信号可以得到扁疤的大小和预警的级别，这也正是整个检测 系统的核心部分和难点所在。为了实现从现场到实验室重大变革，铁道部门 和有关科研单位合作把图1 2 中的传感器信号通过一个数据采集系统把振动 信号采集成一个个由离散信号组成的文本文件。九个为组，因为z i - z 5 与 z 6 z 1 0 是测火车左右的平轮的传感器信号，只要一边检测准确了另一边采 取同样的方法就可以了。 下面对单侧的九路传感器进行说明，通过对这九个传感器采集到信号的 分析，最终可以知道是哪列火车的哪节车厢的哪侧的哪个平轮出现了扁疤， 并在此基础上分析扁疤的大小，给出实时的预警级别是预警还是报警。从图 1 2 知传感器c l 给出的信号为启动信号，它的作用是启动检测系统；由于传 感器c 1 ，c 2 之间的距离是固定，可以用计时方式得到两个传感器信号之间 的时间差，从而可以得到火车的车速，继而可以求出是哪个平轮出现了扁疤； 传感器c 2 同时作为5 个采集振动信号传感器工作启动信号；传感器c 3 和 c 4 是平轮信号的有效采集区，这部分信号是整个检测系统处理的核心； z 1 z 5 为平轮与铁轨接触的振动信号；传感器c 4 还有使检测系统从工作模 式进入省电模式的作用。 图1 3 是铁道部门和有关科研单位设计的数据采集系统，从图中知这是 哈尔滨吲掣人学硕十学位论文 一个单侧九路的数据采集系统。为了使不同的平轮检测系统科研团队可以在 线 图1 3 单侧九路传感器信号采集图 实验室条件下同时进行研发，铁道部门人为的让火车运行在一定的速度上， 把车轮人为的做成不同的扁疤，根据以往的经验把这些扁疤设定为报警和预 警级别。让火车在铁路上反复运行并同时记录下采集到每组数据，一组九路 信号。由于火车平轮扁疤的不同和火车的速度的不同，每次采集到的数据都 不相同，即使车速和扁疤大小相同但由于火车的负载不同也不会出现九路信 号完全相同的情况。经过采集后的数据( 注明每组数据扁疤情况) 就可以作 为车轮扁疤监测平台实验室开发的调试与验证依据，这样就大大提高了研发 效率，降低了研发成本。 1 3 论文的任务 6 l r r r r r r r r rr擎r 哈尔滨l j 程大学硕十学位论文 本课题就是在拿到采集到的离散信号以后，研发出一个可以复现平轮与 铁轨振动信号的平轮模拟信号源。要求做到九路信号完全同步；信号可以实 时更换：要求信号满足后面检测系统在频率、幅值、频谱上和硬件软件的实 现上做到以下要求。本文的主要任务有以下几点： 论文的工作为： l 、课题方案的论证：主要是在拿到采集到离散信号以后对其波形的特征 进行定量和定性分析，阅读关于这方面的资料和相关芯片的数据手册，设计 出硬件的具体实施方案。最后确定硬件芯片的型号、相关的外围电路和操作 软件。 2 、完成平轮模拟信号源的硬件电路图的设计、p c b 板制作、芯片焊接、 各个子模块的调试和总体的联调。 3 、平轮模拟信号源要做到模块化设计，具体的说就是做到信号存储、信 号的转接和信号的输出模块化。这里设计了虚拟软面板、信号转接模块和九 个即插即用模块。 4 、总体实现工作有：虚拟面板的软件编程设计与实现，u s b 接口通信的 设计与实现，信号处理部分的设计与实现，信号下载部分的设计与实现，信 号输出部分的设计与实现，信号同步部分的设计与实现；信号转接模块的软 件编程设计与实现，l c d 液晶的设计与实现，1 6 个按键的设计与实现，即插 即用接口通信的设计与实现，s p i 接口的设计与实现；即插即用模块的设计 与实现，c p l d 和模块化的虚拟硬件模块的设计与实现，r a m 模块的设计与 实现和d a 信号输出模块的设计与实现。 1 4 论文的结构安排 本文的工作是一种模拟火车在运行时车轮与铁轨接触时的振动信号，具 体地说是一种平轮模拟信号源。全文具体章节安排如下： 第1 章：绪论部分：从实际和课题研究背景出发，首先讲述了平轮模拟 信号源对平轮检测系统从现场的开发到实验室开发的重要意义；其次，简要 7 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 概述了平轮模拟信号源信号源复现信号的来源；最后叙述了论文研究的任务 和具体论文结构安排。 第2 章：从平轮模拟信号源的设计要求提出整体设计方案，把信号源划 分为上位机的软面板，信号转接模块和即插即用模块三个相对独立的功能部 分。在此基础上确定好三个模块的功能和具体的通信方式。 第3 章：虚拟仪器的介绍，上位机软件板的任务的软件实现，确定软面 板的具体功能，分为软面板对信号处理，信号的下载和信号的同步。 第4 章：介绍了u s b 口与下位机的通信，包括u s b 接口芯片的通信部分。 第5 章：介绍了基于a r m 芯片l p c x x x x 信号转接模块的设计与实现， 包括u s b 与上位机的通信，液晶l c d 的软硬件编制、1 6 按键的软硬件的编 制、即插即用接口的设计和s p i 接口通信的编制。 第6 章：介绍了基于c p l d 芯片e p m x x x 的即插即用模块的设计与实现， 包括d d s 数字合成原理论证、r a m 电路的设计，d a 模块的设计和功率放 大模块的设计。 第7 章：主要是采用不同的方式验证平轮模拟信号源的技术指标，是否做 到九路信号同步；信号可以实时更换：信号是否满足后面检测系统在频率、 幅值、频谱上的基本要求。 哈尔滨上程大学硕士学位论文 第2 章信号源的设计要求和整体实现方案 2 1 采集信号性质的分析 这一节主要分析了九路信号的幅值、采样频率、精度和离散数值的特性， 给出了信号源的技术指标。 2 1 1 信号在幅值上的直观分析 图21 是东华数据采集分析系统对图1 3 采集到的信号分析得到的波形， 从图中可以看到只有六路波形，而在实际中有九路波形，这是因为在检测系 一 丁 j p 。中一却4 1 。，l 【。 一 jf ” 堋 i 。：e 二型 j 卜 绷1 哈尔滨吲掣火学硕十学付论文 现大的振动波形。 为了确定信号的精度，对图2 1 中的1 2 波形进行了放大处理，得到图 - 2 s 帅 i l 剧ii “埘h 。i i k 聃l 山i 山确姒h 聃 獬 8“。础圳。幽 l l 。曲脚 胛t 呷i l r i l l i l v _ t r w 叶7 1 i i n 唧 。1 呷r l | 3 8 93 9 9 t s4 1 0 图2 2 波形放大后图 2 2 ，从图中可以看到信号幅值在大部分时间内为( - 5 0 0 ，5 0 0 ) m v 。从后面 的分析可以知道这部分波形主要是工频干扰的噪声。这样就可以从直观上定 性的分析出波形的幅值的特征：最大幅值绝对值接近5 伏，最小幅值绝对值 在0 毫伏上下波动。 2 1 2 信号幅值数值上的分析 东华数据采集分析系统可以把上图中的波形以文本的形式显示出来，文 本中每个点对应的是波形的采样点，单位为毫伏。这样就可以看到整个波形 的电压分布情况，下面给出一段典型离散型的点： 1 3 1 8 4 ，2 5 8 7 9 ，2 9 7 8 5 ，3 3 6 9 1 ，3 5 6 4 5 ，4 0 0 3 9 ，4 4 4 3 4 ，4 5 4 1 0 ，4 7 3 6 3 ， 4 8 3 4 0 ，4 5 8 9 8 ，4 6 3 8 7 ，4 7 3 6 3 ，4 2 4 8 0 ，3 3 2 0 3 ，2 7 8 3 2 ，3 2 2 2 7 ，3 7 5 9 8 ， 3 6 6 2 1 ，2 9 2 9 7 ，2 3 4 3 8 ，1 9 5 3 l ，2 0 5 0 8 ，1 5 1 3 7 ，3 4 1 8 ，1 0 2 5 4 ，一1 8 0 6 6 ， 2 1 9 7 3 ，2 5 8 7 9 ，3 5 6 4 5 ，一4 0 5 2 7 ，4 9 8 0 5 ，一6 2 0 1 2 ，- 1 0 5 9 5 7 ，- 1 3 9 6 4 8 ， 1 5 5 2 7 3 ，1 6 0 6 4 5 ，1 6 7 9 6 9 ，1 6 4 5 5 1 ，一1 4 9 9 0 2 ，1 2 9 3 9 5 ，一1 4 1 1 1 3 ，- 2 4 5 1 1 7 ， l o 哈尔滨r 程大学硕+ 学位论文 - 3 3 6 4 2 6 ，- 2 8 3 2 0 3 ，一1 6 4 5 5 l ，一1 2 0 6 0 5 ，- 1 3 3 7 8 9 ，- 8 6 4 2 6 ，5 l 7 5 8 ，1 8 5 0 5 9 ， 2 0 5 0 7 8 ，1 4 1 1 1 3 ，2 4 9 0 2 ，一7 9 1 0 2 ，一1 7 4 3 1 6 ，一2 1 2 8 9 1 ，一2 1 7 7 7 3 ，一2 0 4 5 9 0 ， 1 6 1 6 2 l ，6 2 0 1 2 ，6 0 0 5 9 ，1 7 2 8 5 2 ，2 2 6 0 7 4 ，2 4 2 1 8 8 之所以它是典型的点是因为它大致与图2 2 中的幅值最大部分的波形相 对应。从这些数值可以看到在幅值最大处，电压可以达到几千毫伏。下面给 出一段起伏不大的波形点： 9 0 6 ，4 8 8 3 ，3 9 0 6 ，1 4 6 5 ，1 4 6 5 ，1 9 5 3 ，3 4 1 8 ，1 9 5 3 ，- 4 8 8 ，4 8 8 ，1 9 5 3 ， 2 9 3 0 ，9 7 7 ，一1 4 6 5 ，一4 8 8 ，1 9 5 3 ，2 9 3 0 ，9 7 7 ，一1 4 6 5 ，4 8 8 ，1 9 5 3 ，2 4 4 1 ， 9 7 7 ，- 4 8 8 ，4 8 8 ，1 9 5 3 ，0 0 0 ，一9 7 7 这些是火车平轮正常时出现的采样点，为振动噪声和工频干扰，在大多 数隋况下为几十毫伏。它是在后面检测平台进行数据分析时候要处理掉的噪 ：圭 尸口。 从文本电压数据可以得出以下结论：第一，传感器在火车车轮没有扁疤 的时候采集到的点是幅值较小的工频干扰振动信号，信号在几十毫伏波动； 第二，在火车车轮有可能出现扁疤的地方采集到的点为大幅度的振动，信号 在几千毫伏之间波动。在选择d a 数模转换芯片时，其精度要求很高，要有 很高的电压采样位数。在选择存储芯片时，要有很高的数据位。 2 1 - 3 信号的采样频率和点数 上文提到的数据点是通过图1 3 的a d 采样得到的，其采样率大小为 2 0 k h z ，采样率设定是由火车车轮扁疤和铁轨接触时的震动特性决定的，这 在后面的扁疤检测系统有着详细的论述。本论文在设计方案时只需要考虑在 恢复波形时，用2 0 k h z 的d a 的转换速率就可以恢复原始信号的频率特性。 由图1 3 可以知道每组数据有九路信号，这九路信号是一列火车经过时同时 采集到的点。对所给的数据文本文件分析可以知道每路数据点数为：( 3 0 - 4 0 ) 万。由2 0 k h z 的采样率可以算出一列火车过一点的时间大概为( 1 5 2 0 ) s ， 这和实际的情况相符。 哈尔滨丁程大学硕七学位论文 由上面的分析可以看出，要恢复的波形对输出频率要求不高，一般的d a 转换芯片都可以达到这个转换速率。但波形存储的容量要求很高，要有不小 于4 0 万个点的存储空1 8 j 。 2 1 4 信号的同步和实时更新 从图1 2 和图1 3 可以看出单侧的九路传感器是同时开始工作的，也就 是说当火车经过时a d 对九路信号开始同时采样。这就要求在进行模拟信号 恢复输出时，九路信号要做到完全的同步。做到这一点从理论上说不可能的， 但是从硬件的角度而言做到精确的时钟同步就认为是同步。该项指标是这个 平路模拟信号源的最大创新之处，在以往的资料中从来没有关于九路信号同 步的问题报道。 对于不同的火车经过这九个传感器时会采集到不同波形，即使是同一列 车由于速度和负载的不同也会采集到不同波形。作为一个可以代替现场的平 轮模拟信号源一定要能把现场采集到的各种信号给随时复原出来。输出一组 或者几组信号是无法衡量后面的检测系统性能的。这也是本信号源一个创新 之处，要更换一组数据就是要更换九路信号，而且每路信号的点数为( 3 0 4 0 ) 万点。做到实时更换是这个平路模拟信号源的另外一个创新之处。 2 1 5 平轮模拟信号源的技术指标 通过上面的论述，可以得到平轮模拟信号源模，复现现场振动信号的技 术指标，具体量化技术指标如下： l 、九路信号同步误差：不大于2 5 微秒： 2 、九路信号的更换时问：不大于1 5 分钟； 3 、r a m 容量和精度：不小于4 0 万个字节； 4 、信号最大的输出采样率：不小于1 0 m h z ； 5 、信号幅值：( 0 0 0 1 1 0 ) v ，可以调节； 6 、信号在频谱和能量：以m a t h l a b 对原始信号仿真结果为依据，要求能 1 2 哈尔滨1 ：程大学硕十学位论文 量集中在2 0 k h z 以内； 7 、方便的人机对话模式，易于使用。 8 、九路模拟信号通道模块化结构设计，便于功能的扩展与维护。 2 2 信号源技术指标的解决方案 2 2 1 幅值和采样率技术指标的解决方案 从上面的文本数据分析可以知道信号输出至少要精确到l m v 。忽略了小 数部分是因为在实际检测分析中，要处理的点都是那些幅值大而集中的点， 一般都在一千毫伏以上。可计算忽略l m v 对波形最大精度的影响，公式如下： 7 7 ：竺1 0 0 ( 2 1 ) 式中：刁为误差 v 一忽略电压的均值 v 检测运算中被处理点的均值 这里取v 为最大值o 5 m v ，v 取值最小值1 5 0 0 m y ，可以计算出1 为： 玎：堕1 0 0 0 0 3 ( 2 2 ) 1 5 0 0 可见对文本中小数部分采用四舍五入取近似值对后面数值采样检测分析的影 响很小。 为了显示峰峰值为l m v 到1 0 v 电压，所采用的d a 转换芯片的电压分 辨力至少为o 5 m v 才能到达显示要求。这旱采用了3 3 v 供电，1 4 位的d a 作为数模转换芯片，其电压转换的精度为： a v = v 矿：3 3 v 五x r l 0 0 0 ：0 2v av02 m v ( 2 一3 一) 石2 可r 2 【。) 式中：v 一为电压转换的精度 v 一为d a 芯片的参考电压 哈尔滨1 程大学硕士学位论文 一为d a 的数据位数 从而可以知道选用1 4 的d a 数模转换芯片满足电压精度的要求。在确定了 d a 的转换位数后，开始去确定这类芯片的频率输出范围，最后选定a d x x x x 其在z z k = 5 0 m s p s 最大的频率输出f o ：，7 = 2 0 2 m h z ，满足技术指标中的采样 率为1 0 m 要求。 2 2 2 信号实时更换技术和同步指标的解决方案 为了做到信号实时更换，本文提出了一种把信号源与计算机相连接的解 决方案。把波形文件存放在电脑中，当需要使用某一组数据时就把这一组数 据中的九路数据通过一系列的变换下载到即插即用模块的r a m 中去，这样 就解决了波形的存储问题。此时即插即用模块的r a m 只需要存储一路信号 波形就可以了。在电脑和信号源的通信接口选用u s b 2 0 协议，其最大数据 传输速率为1 2 m b p s ，满足实时更换数据对时间的要求。采用电脑作为信号 存储的载体，可以把许多要在硬件完成的数据处理工作转移到电脑上，这样 就大大的降低了硬件电路的设计难度。 九路信号同步的问题，本文提出了基于一个晶振的九路信号同步方法。 在九个即插即用模块硬件和软件完全一致时，除了因器件的离散参数分布不 均之外，其电路实