（信号与信息处理专业论文）基于mems和虚拟技术的列车舒适度检测与研究.pdf

西华大学硕士学位论文 摘要 高速客运列车的安全性和舒适度是最重要的两个因素。随着我国高速铁路及客运专 线的全面发展，这两个问题更大地引起了大家的关注。其中高舒适度也成为评价列车运 行质量的重要指标。对于舒适性的评价，常用的标准包括：振动加速度、舒适度指标、 平稳性指标，国际标准化组织和国际铁路联盟分别制定了相应的标准。国家标准局和铁 道部根据我国国内列车运行情况，也出台了相应的标准和规范。 为提高列车乘坐舒适度，改进列车体结构积累有效数据，论文针对我国高速铁路发 展的需求和电子仪器发展现状，提出了一种舒适度测试仪解决方案，完成了仪器的研发 设计。方案基于姬m s 微机电传感技术、c 8 0 5 l f 0 2 0 采集记录技术以及虚拟技术提出 了一套数据采集、处理办法，对列车车体的振动加速度进行实时监测。论文依据铁路 车辆内旅客振动舒适性评价准则和振动和冲击对人的影响的评价准则的相关数据 来对舒适度测试仪性能进行限定，从硬件和软件两方面对方案进行了研究，同时经现场 采集实际数据的验证，本设计很好的完成了对列车振动数据的采集、记录并据此完成了 舒适度的分析。 关键词：舒适度；平稳性；振动加速度；m e m s 技术 基于m e m s 和虚拟技术的列车舒适度检测研究 a b s t r a c t s a f e t ) ，锄dc o m f l o r to fh i 曲- s p e e dp a s s e n g e r 缸a i l l sa r et 1 1 e 柳om o s ti i n p o n a n tf a c t o r s w i 也n l ed e v e l o p m e mo fc h i l l e s e 址曲s p e e dr a i l w a ya l l dp a s s e i l g e rd e d i c a t e dl m e ，m o r ea _ c t e n t i o n sh a v eb e e np a i dt ot h e s et w of l a c t o r s ，锄dt h ec o m f o na l s ob e c 锄eo n eo f 也 em o s ti m p o n 姐ti i l d i c a t o r sf o r 吖a l u a t i n gh i 9 1 1c o m f o r te 、r a l u a t i o no f 仃a 硫a l s om ni m p o r t a n ti n d i c a t o ro ft r a i n so p e r a t i o nq u 出i 时t h ec o m m o ns t 孤d a r d sf o rc o m f o r te v a l u a t i n g a r ev i b r a t i o na c c e l e r t i o n ，c o m f o r ti n d e x ，s t a b i l i t yi n d i c a t o r t 1 l ei m 锄a t i o n a lo r g a n i z a t i o n f o rs t 觚d 矾i z a t i o na n d 也ei 1 1 t e m a t i o n a lu n i o no fr a i l w a y sr e s p e c t i v e l yo f f e r e dt h ec o r r e s p o n d i n gs t a n i i a r d s ，w 陆l eo u rn a t i o n a ls t a n d a r d sc o u n c i la n dt h em i n i s n yo fm i l w a y s ，b a s e do nt 1 1 ed o m e s t i c 仃a i n so p e r a t i n gs i t u a t i o n ，a l s o 锄o u n c e dt h ec o 玎e s p o n d i n gs t a n d a r d sa n dn o n n s i i lo r d e rt 0i m p r 0 v e 也ec o m f o r to f 廿咖s ，a n dt oa c c u m u l a t ed a t aa b o u tt h e 勺隐i ns 仃 u c t u r e ，t h i sp a p e rp r o v i d e sas o l u t i o np r o p o s a lc o n c e m i n g 也ec o m f b nt e s t i n gd e v i c e ，b a s e do nt h ed “e l o p m e mo fh i 曲s p e e dr a i l s 姐de l e c 劬n i ci n s 仇吼e i l t so fo u rn a t i o n t h i s p r o p o s 2 i li sb a s e do nm e m ss e n s o rt e c h n o l o g y ，c 8 0 51f 0 2 0c o l l e c t i o nr e c o i d i n gt e c h n o l o g y ，a n dv i n u a lt e c l l n o l o g y i tp r o v i d e das e to fd a t ac 0 1 l e c t i o n 觚d 仃e a t n l e i l t ，a n dm e a s u r e dar e a l - t 洒em o i l i t o r i n go ft h eb o d yv i b r a t i l l ga c c e l e r a t i o no nt h e 缸a i n t h i sp a p e rm e 邪u r dn l ep e r f o 珊a n c eo ft h ec o m f o r tt e s t i i l gd e v i c eo nm eb a s i so fd a t a 丘0 m “t h ec o m f 0 ne v a l u a t i o nc r i t e r i af o rp 2 l s s e l l g e rr a i l w a yv e m c l e sv i b r a t i o n ，锄d “e v a l u a t i o nc r i t e r i o n o fm ev i b “l t i o na n ds h o c ke f f e c t st ob u m a n ，i ts l u d i e db o t hi ns o r w a r ea n dh a 】d w a r ea s p e c t s ，锄dt e s t e do n 也ef i e l d - c o l l e c t e dd a t a g e n e r a l l y ，也i sp r o p o s a lh a sw e l lp e 晌珊e d o nt h ed a t ac o l l e c t i o n ，锄dd a t ar e c o r d i i l g ，n l e r e f o r e ，“呻l e n l e i l t e dt h e 趾a l y s i so fc o m f l o r t k e yw o r d s ：c o m f o r t ；s t a t i o n 撕坝a c c e l e r a t i o n ；m e m s 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 背景及意义 中国铁路己经开始进入高速客运时代，京津城际、京沪高速铁路、武广高铁、成灌 线和沪杭高铁等都已通车运营，另外像成绵乐、成渝线、兰渝线等客运专线也在旋工过 程中。我国铁路的基础建设己经上了个台阶。铁路客运提速大大缩短了人们的旅行时 间，取得了良好的经济和社会效益。由速度提升带来的四大核心问题即高速列车系统的 稳定性、运行的安全性、结构的可靠性及乘坐的舒适性成为急需解决的难题。火车作为 一种交通工具不仅要求高速度、高安全性，高舒适度也成为一个评价列车运行质量的重 要指标。但目前国内对列车运行平稳性、舒适度方面缺乏监测或者检查仪器、在管理上 也没有相应的控制手段，不适应铁路旅客运输安全、高速、舒适协调发展的要求。为改 变这种状况，进行客车舒适度检测与评价是非常必要的。 在实际中，“舒适度”是用来评定乘客的对于对应乘坐环境( 方式、服务) 的满意 程度。不同个体对于这一评定的期望值不同，而且对这一参数的评价也不同，这通常取 决于运载方式【1 ，2 】。平稳性与舒适度这两个概念是相关联考虑的，分析这两个概念的定义 和计算方法以及特别是对近年大量的动力学试验进行统计研究表明，他们都能够反映车 体的振动性能以及旅客对于乘坐的舒适度得评价【3 】。 当前情况是，我国的铁路运营及建设方面，少有对舒适度、平稳性做出测试和评定。 原因主要是之前的铁路运营列车行驶速度比较慢，舒适度、平稳性的影响较低，但是对 于高速列车，就要求对其舒适度和平稳性做出评定。另一方面，很多影响到列车乘客舒 适度的因素包括铁路运营方、建设方甚至乘客本身都没有予以关注，又加之我国铁路系 统没有比较符合我国铁路情况的舒适度和平稳性方面的检测标准和必要手段，这已经不 适应当前高速铁路飞快发展下的，铁路旅客对于安全、高速、舒适的需求。因此运营方、 设计方以及施工方都应当将这两个因素充分考虑，对列车舒适度、平稳性的评价与检测 以确保铁路运营的安全及提高乘车的服务质量。列车的舒适度测试仪就是一种针对列车 行驶时的水平垂直三维振动加速度的参数进行数字采集和分析，然后根据相应的标准处 理算法，计算出舒适度和平稳性的评定指标值的专门仪器，它用来检测列车行驶过程中 的车体振动状态，用以为确保列车安全行驶，更好地为旅客服务积累数据。 1 2 本文主要工作 本文主要任务是通过分析列车振动信号的主要特点，实现列车舒适度分析仪的设计， 主要内容如下： ( 1 ) 列车振动信号采集电路设计，对从加速度传感器器采集的信号进行预处理，使有 效信号符合后端中央数字处理所需要的电压电流要求。 】 基于m e m s 和虚拟技术的列车舒适度检测研究 ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) 单片机外围电路的设计，包括电源电路、接口电路、数据存储电路等。 采集软件的设计，包括数字采集、存储，转发等。 数据处理软件的设计，包括对存储数据的时域、频域分析及业务算法计算等。 西华大学硕士学位论文 2 系统设计的理论基础 2 1 舒适度概念 列车“舒适度”的概念因人而异，很难定义。广义来说“舒适度”是指旅客对所乘列车 整体服务品质的综合评价，其影响因素包括，车厢内部的振动情况、噪声大小、温湿度、 空气质量、座椅( 卧铺) 质感、空间感、照明等许多因素的影响。狭义上讲“舒适度”是 列车运行产生的振动对乘客的影响，即“列车舒适度”或“行驶平稳性”。在国内，我 国还没有对列车舒适度进行评价标准性文件。目前与之关联较近的已有标准是 g b 5 5 9 9 8 5 铁路车辆动力学性能评定和鉴定规范和t b t 2 3 6 0 9 3 铁路旅客列车纵 向动力学试验方法与评定指标，这两个标准主要针对的都是列车车体本身结构的平稳 性，并不能完整反映人体舒适度的情况。为了比较完整地评价旅客乘坐舒适性，目前主 要参考国际铁路联盟及欧洲标准化委员会于1 9 9 4 年7 月颁布的试行标准u i c5 1 3 铁路 车辆内旅客振动舒适性评价准则。 但是由于该标准制定时间较久，随着目前国内高速铁路及客运专线的发展，旅客列 车运营速度在大幅提升，这一标准在评定旅客列车舒适度时，也需要进一步优化。因此 需要在已运营高速铁路、客运专线列车上采集大量数据做分析。 2 2 舒适度的评价方法 当前的评定方法有：一是只依据车厢内地板上测得的加速度值进行分析的计算方法； 二是对列车车厢内地板和座椅上测得的加速度值都进行综合分析的计算方法【4 ，5 1 。 在统计中，舒适度采用对测得振动均方根值进行加权方式来计算。本测试仪采用只 计算车厢地板振动量得计算方法来计算舒适度。 2 3 舒适度计算方法及其等级评定 2 3 1 计算方法 旅客列车乘坐舒适度按以下简化的公式进行计算和评定： n = 6 ，( a 拶) 2 + ( a 罗) 2 + ( a 羚) 2 ( 2 1 ) 公式中：n 为经过评定的舒适度评定指标，它是经过经过大量数据统计后的结果：a 为 加速度振动量的均方根值；w d 、b 与按加权曲线d 、b 的频率加权值有关；i = x ，y z 表 示加速度传感器的采集坐标方向。 列车行驶中的振动是在不断变化的不是一个稳定值，因此对其进行统计计算，取其 在某段时间内的的计权均方根值。在计算时，u i c5 1 3 铁路车辆内旅客振动舒适性评 基于m e m s 和虚拟技术的列车舒适度检测研究 价准则中提出三种评定方式：模拟法、混合法和数字法。其中，混合法是在列车匀速 行驶时每隔5 秒计算出一个综合值，对整个匀速段所获得的多个舒适度值进行统计，将 其代入公式( 2 1 ) ，最后可计算得出整个监测时段内的综合舒适度指俐6 坩】。 2 3 2 评价等级 列车行驶时车体内的综合舒适度评定等级，是按照u i c 5 1 3 的规定进行划分的，如 表2 1 所示： 表2 1 舒适度等级评定表 t a b l e2 1c o m f o r tr a t i n gt a b l e 根据i s 0 2 6 3 1 的相关规定，列车水平和垂直三个方向的舒适度指标的评定如表2 2 所示： 表2 2 各向舒适度等级划分 t a b l e2 2t ot h ec o m f o r tl e v e lo fe a c hd i v i s i o n 人体对加速度的敏感程度随频率及方向的不同而发生变化，因此根据这一参数所计 算出的综合性的舒适度评定指标以及对应的各方向列车舒适度的评定指标，在进行分析 计算的过程中，必须要首先对采集到的加速度振动信号做加权值之后处理。必须将多个 有代表性的旅客小组所给出的振动舒适度平均值进行统计分析，结合具体的振动加速度 值进行统计运算，这样的计算结果才能更真实地反映实际的具体情况。目前已分别对垂 向和水平方向( 包括横向和纵向) 的加速度信号制订了计权曲线。表2 3 所示，即为所 采用的乘车舒适度计算方法对应的各方向计权曲线剥争1 1 1 。 d 西华大学硕士学位论文 表2 3 各方向计权曲线对应表 t a b l e2 3c o r r e s p o n dt om ed h c t i o no f 也ew e i 曲t i n gc u r v e 劬1 e 计权曲线乘车舒适度( 简化) 晒 、b w c w d 带通滤波 z 地板 x 地板，y 地板 在这里，不同铁路线对此的计权各不相同，上表所列曲线对于振动平均舒适性的评 定是最优的。 5 基于m e m s 和虚拟技术的列车舒适度检测研究 3 总体设计方案及选择 3 1 设计的总体要求 列车舒适度监测最终其设备主要应安装于客运列车车厢内部，其设计和开发必须要 遵循相应的规范和准则，如下所示： ( 1 ) 安全，必须做到系统电气安全，以及防火安全，必须按照相应规范进行设计，采 用必要的隔离措施，避免触电以及引发火灾； ( 2 ) 准确，由于安装于列车车厢内部，旅客走动比较频繁，由此引起的振动干扰较多， 因此要通过必要的电路设计及软件设计来将采集过程中可能产生的干扰滤除掉， 保证所采集到的信号准确可靠； ( 3 ) 可靠，能够较长时间的运行，不出现性能故障和安全故障； ( 4 ) 通用和可移植，要能便捷的进行功能扩充和产品升级。进行模块化设计，各个功 能模块均采用通用配件； 同时也是以微型计算机为核心的应用电子仪器，还要做到以下原则隅】： ( 1 ) 减小系统体积，选择标准化、模块化的典型电路，以简化电路，从而尽可能的减 小整个系统的体积，以降低安装难度； ( 2 ) 降低系统功耗，延长系统的连续工作时间，系统硬件设计采用低功耗芯片，并设 有休眠状态的功能； ( 3 ) 尽可能的降低系统成本。 3 2 设计方案的选择 基于以上原则，本文最开始提出了三个方案： 方案一，结构框图如图3 1 所示，从框图可以看出方案一的主体部分即列车振动采 集、数据管理、存储和计算机的通信。加速度传感器负责拾取振动信号，嵌入式芯片主 要完成振动信号的采集、数据处理和输出存贮。这一设计结构，将加速度传感器和处理 模块存储模块集成一体，安装于车厢地板平时进行数据采集、处理和存储，用户定期用 笔记本电脑通过串口接入系统，调出存储的历史数据进行业务分析和显示 6 西华大学硕士学位论文 图3 1 方案一结构图 f i g - 3 1o p t i o no n ec h a r t 方案二，采用一片内部集成了l c d 控制器的删微处理器，一片内部集成了a ，d ， d a 或u s b 控制器的8 位微控制器，系统结构如图3 2 所示 图3 2 方案二结构图 f i g 3 2o p t i o nt w oc h a r t 这一方案将振动的采集、存储、传输的等任务由一个8 位微控制器来完成，而删微 处理器只负责完成振动加速度信号的分析和显示功能。这样，在只进行振动信号采集、 存储而不显示波形的时候，删微处理器可进入休眠状态，大大降低了系统功耗。但 需要外扩u s b 控制器，不但增加了系统体积，也增加了系统的复杂度。 方案三，结构框图如图3 3 所示，振动采集模块通过加速度传感器采集到的振动数 据经处理后送入数据采集卡d a o 通过其舳转换等功能，将信号以数字信号的形式采 集送到计算机，再由计算机对采集到的信号进行实时显示、数据分析、数据存储等处理。 整个方案可以分为硬件部分和软件部分，硬件部分的设计是通过采集模块将振动信 号采集，再由数据采集卡d a o 通过其a d 转换等的功能，将信号以数字信号的形式 传送到计算机；软件部分通过编程将由硬件部分采集到的信号进行数据分析、显示和处 7 基于m e m s 和虚拟技术的列车舒适度检测研究 理。该方案的缺点是只能将数据通过d a q 数据采集卡实时传送到计算机里才能进行数 据分析、显示和存储，因此，不能实现数据的独立存储。 e 三二一 图3 3 方案三结构图 f i g 3 3o p t i o n1 1 1 r c h a n 分析以上三个设计方案，方案三的设计不能独立的安装使用：方案二的设计大大降 低了系统功耗，但是这一设计增加了系统的体积和设计的复杂度；方案一数字采集部分 的设计大大简化了硬件电路的设计。整个系统的体积和功耗都获得了降低，因此，经过 比较之后，最终选择了方案一的设计，即在用如下结构： 图3 4 系统总体结构 f i g 3 4 s y s t e ma r c h i t e c t u r e 西华大学硕士学位论文 4 振动信号采集系统的设计 振动信号采集系统包括加速度传感器、信号调理电路和数据采集电路三部分组成， 要求能完成对列车行驶中的振动加速度精确稳定的采集。其中，加速度传感器采用基于 m e m s 技术的m m a 7 2 6 0 ，因此系统减少了滤波、放大等调理电路的设计。 4 1 加速度传感器电路的设计 本设计中，加速度传感器采用的是飞思卡尔公司生产的m m a 7 2 6 0 三轴加速度传感 器，它是基于微机电( m e m s ) 技术的微型芯片式传感器，具有灵敏度可选，低功耗， 高稳定性等特点。微机电系统m e m s ( m i c r 0 e l e c t r o m e c h a i l i c a ls y s t e m s ) 是一种必须 同时考虑多种物理场混合作用的全新的研究方向，与传统的机械式的传感器结构相比较， m e m s 技术的传感器机械尺寸更小，通常情况下不会超过一个厘米，甚至仅仅为几个微 米，它的厚度也更加微小。采用以硅为主的材料，它的电气性能、机械强度和散热情况 都比较优秀。生产技术与集成电路( i c ) 的生产相类似的，因此可以大量利用i c 生产 中的成熟技术、工艺，进行大规模的生产进而使成本大大的降低，它的性价比相对于 传统“机械”制造技术大幅度提高。 糖” 完整的m e m s 传感器是由微型传感模块、微型执行模块、信号处理电路和信号控 制电路、接口电路和电源等模块构成的一体化的微型系统。它的目标就是把信息的获取、 处理和执行集成到一个芯片内，组成具有多功能的微型系统，集成于智能可程控的数据 采集系统中，能够极大地提高该数据采集系统的智能化、稳定可靠性以及系统的可使用 性。它具有以下特点： 可选灵敏度( 1 5 2 4 6 9 ) 低消耗：工作电流5 0 0 衅；睡眠模式：3 衅： 低电压工作：2 2v 3 6 v 6 6 1 4 5 m m q f n 封装 高灵敏度( 8 0 0 m v g 1 5 9 ) 快速启动时间 内置的信号调理，低通滤波器 x ，y ，z 三轴加速度模拟量输出：如图4 1 所示 9 基于m e m s 和虚拟技术的列车舒适度检测研究 h 文 l 图4 1 加速度传感器m m a 7 2 6 0 三轴分布图 f 嘻4 1m m a 7 2 6 0m r e e - a 】【i s c e l e r a t i o ns e n s o rd i s t r i b u t i o n 由于其内部已经集成微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源 等，因此传感器使用中不需要再为其设计调理电路，直接通过微控制器对其参数设置和 数据采集等。其内部功能结构如图4 2 所示 吣kx 一褂 o s c i l l a t o r g e n肝 t l 6 c e l l ct ov y 一下e i i p s e n s o rc o n v e r t e r 一li i c 0 n t r ( 屯l ( 1 g i c z t e 舻 s e 驴讫s ty 丁r j m c i r c o i t s 一i 0 图4 2m m a 7 2 6 0 内部结构图 f i g 4 2m m a 7 2 6 0i n t e m a ls 仃u c n e 如图，该三轴加速度传感器内部集成了滤波模块，板载的开关电容滤波器，因此无 需再使用无源元件( 电阻、电容等) 来设置其滤波截止频率；同时，该三轴传感器提供 了休眠模式，模式选择对应其封装的1 2 引脚，当此处输入低电平时，休眠模式启动， 吟臼 西华大学硕士学位论文 此时工作电流仅为3 衅。 通常使用连接原理如图4 3 所示 电源 。： 叵习 c v b s ： i q 。： v s s s 1 e e p d ep o l g 畔h “1c九 l p 1 l ii ； r 训”t 2 | p 2i x t 日 加t n j c y o u t 曰 d i n c z o u t r 一 d i “ d c 图4 3 传感器与控制器连接示意图 f i g 4 3s c h 锄a t i cd i a 影珊o f 也es e i l s o r 锄dc o n 仃o u e r 图中p 0 ，p 1 ，p 2 分别控制传感器的使能和量程，但也可以不接：s l e e pm o d e 为使 能设置，高电平时加速度传感器工作，低电平时传感器休眠；供电端可直接通过3 3 v 向其供电，也可以采用5 v 。其灵敏度及量程选择如表4 1 所示 表4 1m m a 7 2 6 0 灵敏度量程选择表 t a b l e4 1m m a 7 2 6 0s e n s i t i v 埘啪g es e l e c t i o nt a b l e 传感器电路设计原理图如图4 4 所示 基于m e m s 和虚拟技术的列车舒适度检测研究 图4 4 删a 7 2 6 0 传感器模块原理图 f i g 4 4m m a 7 2 6 0s e l l s o rm o d u l es c h e 脚t i c 在这里，传感器对外的接口主要是与微控制器的连接：g s l 、g s 2 、接收微控制器的配 置指令，来完成量程的选择；m o d e 接口休眠模式的启动及关闭；x 、y 、z 三通道同时 对微控制器的a d 接口输出采集到的加速度信号。 4 2 数字采集电路设计 传感器输出为三轴，因此需要设计有3 通道a d 采集，在这里，采用一个单片机的 3 个a d 接口完成数据的采集过程。 4 2 1 微处理器选型 微处理器是整个系统核心，在系统中完成与控制和计算相关任务。选择合适的处理 器是整个系统设计成功与否的关键。当前，新型微处理器的应用蓬勃发展，已经全面赶 超通用型计算机的使用量。随着其性能的提高和种类的增多，系统研发人员选择微处理 器芯片的范围变得更加宽阔，但是同时也增大了芯片选型工作的工作量。由于本舒适度 分析仪安装于列车车厢底部，需要在持续振动的环境下较长时间的工作，同时还要考虑 到使用便捷、简化逻辑、增强数据处理能力及稳定性、体积及重量的要求等方面。整个 系统的具体需求可以从以下几个方面来考虑： 】2 挈翱 西华大学硕士学位论文 ( 1 ) 速度及处理能力；经测试，列车行驶时车厢内振动信号频率主要在0 h z 一8 0 h z 之 间，根据奈奎斯特采样定律，采样率要做到被采样信号最高频率的2 倍以上，而 实际实施过程中，为保障采样不失真，通常采用的采样频率为信号最高频率的5 倍。本设计中，系统采样频率为4 0 0 h z 。 ( 2 ) 存储要求：系统要具有数据采集、处理、传输等程序来实现各项具体功能，需要 大量程序存储以及运行的空间，同时还要对采集到的振动数据进行记录，所以需 要大量的数据存储空间。因而所选微处理器要有足够的程序和数据存储空间以及 通过接口来进行存储扩展的能力。 ( 3 ) 接口功能；由于加速度传感器信号为模拟信号，要将其存储在数据存储器内，要 对其进行采样转化为数字信号，这个采样、量化过程可通过模拟数字转换器完成， 这里要求所选微处理器核心的内部需集成一个精度1 2 位以上的d 转换器。由 于列车舒适度分析仪要对列车行驶时的振动信号进行较长时间的记录。这就要求 、系统能对大数据量的振动加速度数据进行存储，即需要对微处理器扩展一个片外 存储器，这就要求所选微处理器能支持相应的接口进行存储器的扩展。 ， 总的来说，基于低功耗、高主频、片内a d c 要在1 2 位以上、支持足够存储空间扩 展等方面的考虑，本设计中央处理单元最终采用c 8 0 5 l f 0 2 0 。1 4 2 2c 8 0 5 1f 0 2 0 简介 c 8 0 5 1 f 0 2 0 微处理器是完全集成的混合信号系统级得m c u 芯片，是真正意义上能 独立工作的片上系统，它具有片内的v d d 监视功能、看门狗定时功能以及振荡时钟等麟。： 所有模拟和数字外设都可以通过用户固件来配置。f l a s h 器件同时具有系统重新编写 的能力，而且支持现场更新8 0 5 1 固件。具有以下主要特性： 高速流水线结构8 0 5 l 兼粹的c i p 5 l 内核可达( 2 5 m p s ) ； 全速，非侵入式的在系统调试接口( 片内) ； 8 通道a d c 带p g a 和模拟多路开关； 两个1 2 位d a c 可编程更新时序； 6 4 k 字节可在系统编程的f l a s h 存储器； 片内蝴，4 3 5 2 ( 4 0 9 6 + 2 5 6 ) 字节； 可寻址6 4 k 字节地址空间的外部数据存储器接口； 通用1 6 位定时器5 个； 一 捕捉比较模块5 个，为可编程的计数器定时器阵列： 片内集成看门狗定时器v d d 监视器以及温度传感器。 其内部原理结构如图4 5 所示 基于m e m s 和虚拟技术的列车舒适度检测研究 图4 5c 8 0 5 1 f 0 2 0 原理框图 f 嘻4 sc 8 0 5 1 f 0 2 0b l o c kd i a g f a m 由图中可知，c 8 0 5 1 f 0 2 0 模拟外设如下： 一 s a r a d c 士l l s bi n l 转换速率可编程，最大l o o k s p s 8 通道外部输入，可通过编程选择单端或差分的输入形式 可编程放大的放大倍数 数据相关窗口中断发生器 一1 2 位a d c 转换速率可编程，最大为5 0 0 k s p s 8 通道外部输入 可编程放大器的放大倍数 一两个1 2 位d a c 可以同步输出，产生无抖动波形 一两个模拟比较器 一 电压基准 一精确的v d d 监视功能和欠压检测功能 1 4 西华大学硕士学位论文 数字外设有 一c 8 0 5 1 f 0 2 0 端口i 0 8 字节宽，耐压都是5 v ； 一s m u s 、s p i t m 、两个u p 姻串口均可同时使用； 一阵列式1 6 位可编程计数器定时器，捕捉比较模块5 个； 一通用1 6 位计数器定时器5 个 存储器 一内部数据r a m 4 3 5 2 b 一 闪速存储器6 4 k b ：可以在系统编程，扇区大小为5 1 2 b 一外部6 4 k 字节数据存储器接口 下面对模拟外设a d c l ( 1 2 位a d c ) 进行具体介绍： c 8 0 5 1 f 0 2 0 的a d c l 模块中包括：8 通道模拟多路可配置开关一个，可编程增益 放大p g a l 一个和5 0 0 k s p s 、1 2 位分辨率的逐次逼近寄存器型a d c 一个，在这一a d c 模块中集成有跟踪保持电路，如图4 6 所示的原理框图，a 7 x lp g a l 以及数 的模式均可以用代码通过图4 6 所示的特殊功能寄存器来配置实现。a d c l 控制 a d c l c n 中的a d l e n 位1 时a d c l 子系统中的1 2 位a d c 跟踪保持器模块和p g a 模 块被使能；当a d l e n 位为0 时a d c l 子系统的采样处于低功耗的关断状态。 模拟多路开关和p g a 图4 6a d c l 功能框图 f i g 4 6f u n c t i o n a lb l o c kd i a 訇砌a d c1 基于m e m s 和虚拟技术的列车舒适度检测研究 a d c l 有8 个用于测量采集模拟量的通道，用寄存器a m x l s l 来进行通道选择。 a m 【x 输出信号在p g a 中的增益情况，由a d c l 配置寄存器a d c o c f 中的脚g n 2 0 确定，p g a 增益可以用软件编程为0 5 、1 、2 、4 ，复位时的默认值为o 5 。在这里a 玳1 引脚也作为端口1 的引脚当用作a d c l 输入时，必须将其配置为模拟输入口，为了 将a n l 的某个引脚配置为模拟输入，要将寄存器p l 烈中的对应位配置为1 ，被选 作模拟输入端口的引脚不进入数字l o 交叉开关。 a d c l 工作方式 a d c l 的最高采样速率为5 0 0 l 唧sa d c l 的转换时钟，它是由系统时钟的分频来 实现的，由a d c l c f 寄存器的a d l s c 位决定。a d c l 转换时最大采样频率为6 m h z 。 一启动转换 有5 种a 仍采样的启动方式，由a d c l c n 中的a d c l 启动转换方式位 a d l c m 2 0 的编程状态决定，转换启动源有 向a d c l c n 中的a d l b u s y 位配置1 定时器3 溢出即定时的连续的采样 外部a d c 采用的启动信号为判断c n v s t r 的上升沿 定时器2 溢出时即进行定时的连续采样 向a d c o c n 的a d o b u s y 位写1 位在采样时设置为1 ，采样结束之后设置 为0 。a d l b u s y 位的下降沿触发一个中断，当被允许，并将a d c l c n 中 的中断标志位设设置为1 时，采样结果保存在a d c l 的数据字；a d c l 中 当采用向a d l b u s y 位写1 这一启动方式时，通过查询a d l i n t 来确定采 样完成时间： 向a d l 斟t 写0 将a d l b u s y 配置为1 查询并等待，判断a d l 烈t 变为1 处理a d c l 所采集的数据 一跟踪方式 a d c l 跟踪保持的方式由位于a d c l c n 的a d l t m 位完成控制。当处于缺省状 态下，对a d c l 的输入进行连续跟踪。当a d l t m 位被配置为逻辑1 时，a d c l 在低功耗的跟踪方式下工作。在这一模式下，每次采样转换之前，都有三个s a r 时钟的跟踪周期。当处于低功耗的跟踪方式时，采样的激励为c n v s t r 信号， 只在它为低电平时跟踪，从c n v s t r 的上升沿开始采样。当整个芯片处于低功 耗或休眠的模式下时，采样跟踪关闭。 一建立时间要求 当a d c l 输入配置发生改变时，在进行一次精确的采样之前需要有一个最小的 1 6 西华大学硕士学位论文 跟踪时间，这一跟踪时间取决于由a d c l 模拟多路开关的电阻以及a d c l 采样 电容外部信号源阻抗及所要求采样的精度。图4 7 给出了等效的a d c l 输入电 路。对于一个给定的建立精度s a 所需要的a d c l 建立时间可以用公式4 1 来 进行估算。 t = 一l n 羔r t o t a lc s a m p l e ( 4 1 ) 其中： s a 是建立精度用一个l s b 的分数表示；t 为按照需求所用的建立时间，以秒为 单位；r t o t a l 为a d c l 模拟开关电阻与外部信号源电阻之和：n 为a d c 的分 辨率 m u x 选择 一 c s a m p l e = 1 0 p f 图4 7a d c l 等效输入电路 f i g 4 7a d c l e q u i v a l e n ti n p u tc i r c u i t 其中，r c i n p u t2r m u x c s a m p l e 4 一外围电路设计 4 3 1 开发环境 本设计电路部分采用灿t i 啪d e s i 盟e r 完成a l t i 啪d e s i g i l e r 基于一个软件集成平台， 把为电子产品开发提供完整环境所需的工具全部整合在一个应用软件中。t i 岫 d e s i g i l c r 包含所有设计任务所需的工具：原理图和h d l 设计输入、电路仿真、信号完 整性分析、p c b 设计、基于f p g a 的嵌入式系统设计和开发，另外可以根据实际需求 对舢t i u md e s i g l l e r 工作环境加以定制。 4 3 2 串口设计 串行接口是系统中的重要接口，c 8 0 5 1 f 0 2 0 目标板的监控和操作( 如程序下载) 可以 1 7 基于m e m s 和虚拟技术的列车舒适度检测研究 通过串口进行，它主要在p c 机和目标板之间传输目标板状态和p c 端的命令数据。p c 机上的串行接口是r s 2 3 2 【2 8 1 ，r s 2 3 2 从电气和机械角度表述了按位进行串行传输的规定。 在电气方面r s 2 3 2 要求，驱动器相对于信号地线的输出电压在，5 v 到1 5 v 时，为逻辑1 电平，表示传号状态；在+ 5 v 到+ 1 5 v 之间时为逻辑o 电平，表示空号状态。在接收端， 允许有2 v 的电压降，即3 v 到1 5 v 为逻辑l 电平，+ 3 v 到+ 1 5 v 为逻辑o 电平，。以 2 4 1 0 为核心的系统是3 3 v 系统，本文采用m a x 3 2 3 2 进行r s 2 3 2 电平转换。电气连 接如图4 8 所示。 + 3 v d 2 n 图4 8r s 2 3 2 串口电路 f i g 4 8 r s 2 3 2s e r i a li n t e r f a c ec i r c u i t 4 3 3 供电设计 c 8 0 5 1 f 0 2 0 微处理器供电电压为2 7 v 3 6 v ；典型工作电流为1 0 m a 2 0 姗z ，在这 里按照通用的3 3 v 进行电源设计，如图4 9 所示。 西华大学硕士学位论文 可盘 图4 9 电源设计原理图 f i g u r e4 9s c h 锄撕cp o w e rs u p p l yd e s i 弘 如图中所示，在输入端口，采用的是插针直接连接供电和u s b 接口供电两种方式， 中间通过一个选择开关来进行模式切换。电压转换模块则是采用s o t 2 2 3 封装的 a s l l l 7 3 3 c x 芯片，a s l l l 7 是低压差系列的线性稳压器，当输出电流为1 a 时，电压差 经典值为1 2 v ，对于过流和过热都具有完善的保护功能，确保芯片和电源系统的稳定性： ? 4 使输出电压和参考源精度在士1 的精度范围内。 a s l l l 7 外围应用电路简单，本设计所需版本型号只需输入输出两个电容和负载即 可工作。芯片内部包括启动，偏置电路，电压基准，过热保护，过流保护，功率管及其 驱动电路等模块组成。当芯片内部结温大于1 4 0 以上或负载电流大于1 4 a 时，芯片 的过流保护和过热保护模块，以保证后级芯片和整个系统的安全。，： 在其输入端采用的是5 v d c 的外部供电，它的输出稳定在3 3 v 等级，为整个采集 电路供电。具有以下特点： 最大输出电流为1 a 输出电压精度高达士l 稳定工作电压范围为高达1 5 v 电压线性度为o 2 负载线性度为o 4 环境温度：t a 的范围是5 0 1 4 0 4 3 4 数据存储系统 系统使用过程中需要连续不断地采集振动加速度信号，存储的数据比较庞大，因此 需要较大的存储容量。在这罩选用s t 公司的m 2 9 w 1 2 8 f h 以及n a n d 5 1 2 完成存储的 扩展，工作电压为2 7 到3 6 v 。电路原理如图4 1 0 所示 基于m e m s 和虚拟技术的列车舒适度检测研究 图4 1 0 存储电路原理图图 f i g 4 10 t h ec i r c u i td i a g m mo fs t o r a g e 另外，程序调试接口电路的原理图如图4 1 1 所示 图4 1 1 程序调试电路 f i g 山r e4 1lc i r c u i td e b u g g i l l g 4 4 电路抗干扰设计 随着电子自动化技术和信息技术的发展，电子以及自动化系统日渐深入生产、生活， 因此对系统的可靠性稳定性的需求也就越来越高。生活生产中越来越多的电气、电子设 备被使用，致使我们环境中的背景电磁干扰越来越严重，它们都对电子设备的稳定性及 精确性产生干扰。为了保证电子设备的精确与可靠，要在设计中通过电路设计、软件设 计以及外部防护等的措施来降低乃至滤除这些电磁干扰对电子仪器仪表性能的影响。对 2 0 西华大学硕士学位论文 于电磁干扰问题包含两个因素：干扰源和被干扰者。 抗干扰措施主要有：印刷电路板进行优化布置同时布线要合理。在设计p c b 板时，将 模拟地、数字地进行分离设计，这样可以减少电路各个器件本身之间的电气干扰，把系 统分成模拟部分和数字部分，并将它们分别安排在不同的区域。 总而言之，进行电路板设计时，要充分考虑到信号间的互相干扰以及供电模块对系 统的干扰，主要考虑减小信号间的交叉干扰及电源的干扰，采取相应的措施来解决这 些干扰的影响，使系统更加稳定和可靠。 4 5 振动加速度信号采集的软件设计 4 5 1 开发平台介绍 设计中采集程序的开发编译采用k e i lu s i o n 环境完成。k e i lc 5 l 是美国k e i l s o 胁a r e 公司出品基于c 语言的5 1 系列兼容单片机开发环境，它在在结构上和功能上 有明显的特点，比较友好易于使用。k e i l 通过开发环境( u s i o n ) 将开发环境包括c 编 译、宏汇编、连接、库管理以及仿真调试等功能组合于一体。 4 5 2 程序设计 采集系统的总体结构如图4 1 2 所示 图4 1 2 数据采集系统结构图 f i g 4 1 2 d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ms 订u c t u r e 数据采集系统由主程序模块、a d c 数据采集、f 1 a s h 数据存储和r s 2 3 2 通信四部分 组成，首先要将前端所获取的传感器模拟信号进行数字化采样，所采集的信号主要集中 在1 0 0 h z 以内，c 8 0 5 1 f 0 2 0 微处理器内部集成的a d 转换模块能够满足采样的要求，在 这里配置4 0 0 h z 的采样频率，在本设计中，数据采集是将加速度传感器的三个通道的加 基于m e m s 和虚拟技术的列车舒适度检测研究 速度振动数据a d 采样之后，以文件的形式存储于本地，在一个使用周期结束以后，使 用人员，以r s 2 3 2 串口的形式将存储于本地的采集数据提取至数据分析系统，进行数据 分析。整个采集系统具有休眠和振动唤醒的功能，列车不运行，没有振动输入时，系统 进入休眠状态；列车开始行使时，采集系统被振动唤醒。主程序流程图如图4 1 3 所示 图4 1 3 采样系统程序流程图 f i g 4 1 3s 锄p l i n gs y s t e mp r o g r 锄f l o wc h a r t 主程序如下所示： v o i dm a i l l o c h a r 戗t b u f 1 7 卜