基于高速無(wú)線(xiàn)傳輸的列車(chē)測振儀

　　0 引 言

　　列車(chē)的振動(dòng)性能，包括舒適性、平穩性的檢測與評價(jià)是新型列車(chē)研究、檢驗過(guò)程中的一項重要工作。隨著(zhù)我國鐵路新型高速列車(chē)研究、研制及實(shí)驗運行工作的大面積展開(kāi)，十分需要一種方便、快捷的便攜式列車(chē)振動(dòng)測試儀。

　　國內有多家單位開(kāi)展了研制工作，例如，北京化工大學(xué)開(kāi)發(fā)的基于DSP的便攜式測振儀，河北工業(yè)大學(xué)研制的便攜式車(chē)輛振動(dòng)測試分析系統，東北農業(yè)大學(xué)研制的便攜式測振儀等。這些專(zhuān)用儀器對常規速度列車(chē)的振動(dòng)檢測是比較有效的，信號控制與數據采集也比較方便。但這些設計多采用有線(xiàn)傳輸方式，對于高速列車(chē)，檢測人員在密閉的車(chē)箱內，而振動(dòng)檢測包括車(chē)體下方的轉向架、軸箱多處測點(diǎn)，車(chē)下到車(chē)上的電纜布線(xiàn)就成了很大的問(wèn)題。而且，對已經(jīng)投入運營(yíng)的高速列車(chē)，檢測布線(xiàn)因為會(huì )嚴重影響車(chē)體的氣密性，所以幾乎是不可能的，即便可以也是非常不便的。

　　北方交通大學(xué)機電學(xué)院研制的無(wú)線(xiàn)便攜式列車(chē)測振儀，雖采用了無(wú)線(xiàn)傳輸，但記錄的數據通過(guò)最終IC卡下載至地面PC，由地面分析軟件對原始數據進(jìn)行處理，無(wú)法實(shí)現實(shí)時(shí)監測。

　　因此針對高速列車(chē)振動(dòng)性能檢測的特點(diǎn)及要求，有必要將測振系統分為車(chē)內接收端+車(chē)下數據采集器兩部分，二者之間采用無(wú)線(xiàn)連接，解決布線(xiàn)難的問(wèn)題。本文對測振儀關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，研制了以DSP、藍牙、GPS為基礎的便攜式列車(chē)測振儀，介紹了在高速列車(chē)線(xiàn)路實(shí)驗中的試用情況。

　　1 系統方案

　　按照GB 5599-85，列車(chē)測振儀主要測試參數是車(chē)體、轉向架構架、軸箱的振動(dòng)加速度以及車(chē)體和構架之間、構架和軸箱間的相對位移。

　　列車(chē)測振儀分為傳感器、數據采集、數據發(fā)送、數據接收存儲4部分，該系統一方面是一個(gè)相對獨立的系統，它可以可通過(guò)藍牙模塊實(shí)現與PC／PDA的無(wú)線(xiàn)連接，進(jìn)行信號的采集、處理、顯示提供了與PC之間進(jìn)行有線(xiàn)數據通信的接口，在沒(méi)有藍牙設備的情況下，也可以把系統采集的原始數據送到微機進(jìn)行二次處理，既實(shí)現硬件冗余性設計，又方便了系統調試。檢測參數振動(dòng)加速度位移軸箱轉向架構架車(chē)體二系一系通道。

　　此外系統還采用了GPS手持定位儀(如圖1)，獲取評價(jià)列車(chē)振動(dòng)性能必需的運行速度信號。

　　為確保列車(chē)測振儀能正常穩定的工作以下問(wèn)題必須解決：
　　(1)不能犧牲數據采集的精度來(lái)?yè)Q取便攜性；
　　(2)數采盒在車(chē)底只能采用電池供電，因此系統功耗必須低；
　　(3)系統要能適應復雜的實(shí)地檢測環(huán)境；
　　(4)為確保數據有效傳輸，無(wú)線(xiàn)傳輸必須有強抗干擾能力；
　　(5)無(wú)線(xiàn)傳輸速率要滿(mǎn)足系統基本要求。

　　2系統實(shí)現

　　2.1系統硬件

　　在列車(chē)測振儀的數據采集過(guò)程中，不可避免地會(huì )有電氣化鐵路高壓電力線(xiàn)、動(dòng)車(chē)大功率脈沖電壓和脈動(dòng)電流對有用信號造成干擾。為了最大程度地抑制或消除混疊現象對動(dòng)態(tài)測控系統數據采集的影響，需要設置抗混疊濾波器。 常用的模擬低通濾波器有3種：

　　(1)巴特沃思濾波器：通帶平坦，相位特性最好；7階以上的截止特性和阻帶衰減率滿(mǎn)足本系統抗混疊濾波器要求。
　　(2)切比雪夫濾波器：過(guò)渡帶陡，但通帶內有一定偏差，且相位特性差。
　　(3)濾波器：通帶邊緣過(guò)渡帶最陡，但相位特性也最差。

　　故本系統選用MAX7480作為抗混疊濾波器。MAX7480是低功耗8階巴特沃思低通濾波器，中心頻率1 Hz～2 kHz，單+5 V供電，工作電流2.9 mA。

　　根據通道數及精度、輸入量程、轉換速率、功耗、工作電壓等指標我們選擇了ADS8381，18位500k逐次逼近(SAR)模數轉換器。其高動(dòng)態(tài)范圍改善了數據采集系統的效能。ADS8381在前8位輸人范圍內的非線(xiàn)性小于+／-9.5×10-6，在頻率為500 kHz時(shí)功耗為100 mW。ADS8381使用一個(gè)單獨+5 V電源，溫度范圍為：-40℃到+85℃。

　　TMS320F2812 DSP芯片為數據采集的核心，主頻150 MHz，可解決數據流量大、實(shí)時(shí)性高等問(wèn)題。它一方面控制多種信號的采集、緩存以及處理，另一方面負責系統與PDA或PC之間的通信。數據采集器硬件電路主要包括：DSP最小系統、外擴存儲器的接口、SCI串口通信。其系統原理框圖如圖2所示。

　　2.2數據傳輸

　　列車(chē)測振儀借助藍牙通信相連進(jìn)行無(wú)線(xiàn)連接。藍牙通信具有連線(xiàn)簡(jiǎn)單，無(wú)須電平轉換；可組網(wǎng)，多機共享；傳輸速率高接口廣泛，和多數手持設備／筆記本電腦連接方便等特點(diǎn)。藍牙采用跳頻機制進(jìn)行數據傳送，故能極大提高數據傳送的抗干擾性能。由表1，系統需要的理論帶寬為163.84 kbps。本設備無(wú)線(xiàn)傳輸速率可達400 kbps以上，充分保證了系統性能。視距傳輸可達100 m，完全能夠勝任大部分測試場(chǎng)合。

　　2.3系統軟件

　　根據總體方案設計，振列車(chē)測振儀軟件設計主要包括DSP數據采集發(fā)送程序設計、Notebook人機界面程序設計兩大部分。DSP采集加速度／位移信號，通過(guò)藍牙傳送到Notebook；Notebook接收、存儲所有傳送的數據，同時(shí)繪制變化曲線(xiàn)。根據上述要求我們設計的列車(chē)測振儀實(shí)物如圖3所示。

　　DSP數據采集發(fā)送程序實(shí)現的功能如下：
　　(1)通過(guò)ADC模塊采集傳感器數據；
　　(2)將采集數據進(jìn)行打包；
　　(3)查詢(xún)藍牙模塊狀態(tài)和寫(xiě)數據。

　　列車(chē)測振儀優(yōu)于其他測振系統的地方不僅在于高精度、高速率、小體積、輕重量，還在于它有基于Notebook良好的人機界面(如圖4)。進(jìn)一步我們擬采用帶藍牙的PDA／智能手機作為接收平臺。

　　Notebook人機界面程序主要實(shí)現功能如下：
　　(1)接收、存儲所有列車(chē)測振儀發(fā)送的數據；
　　(2)實(shí)時(shí)分析數據，計算、顯示、保存平穩性和舒適性指標；
　　(3)動(dòng)態(tài)繪制變化曲線(xiàn)。

　　3列車(chē)測振儀試用情況

　　在我國某高速列車(chē)實(shí)驗的振動(dòng)參數測試中，對列車(chē)測振儀進(jìn)行了試用，通過(guò)了最高280 km／h動(dòng)車(chē)組實(shí)際運行檢驗。圖5為實(shí)驗中測得的部分數據，我們可以看出，運行中車(chē)體的橫垂向振動(dòng)加速度均在0.1 g左右，而軸箱處則高達數10 g。

　　在高速列車(chē)高速運行中，在受電氣化鐵路高壓電力線(xiàn)(27.5 kV)、動(dòng)車(chē)大功率脈動(dòng)電壓(±2 000 V)和脈動(dòng)電流干擾及經(jīng)過(guò)橋梁隧道等復雜路況時(shí)均能保持良好的通信。經(jīng)過(guò)了包括-20℃低溫、雨雪、長(cháng)時(shí)間工作等一系列惡劣條件下的試用，表現出良好的可操控性和穩定性。民品級GPS在250 km以上時(shí)速時(shí)初始化困難，但一旦初始化成功，可充分實(shí)現其功能。

　　4結 論

　　以DSP、Notebook為基礎，綜合運用藍牙、GPS等技術(shù)的列車(chē)測振儀對于高速列車(chē)的振動(dòng)性檢測具有可靠性。

　　且本測振儀不僅能用于檢測列車(chē)振動(dòng)性能，在接收端虛擬儀器進(jìn)行外擴后能很方便的實(shí)現頻譜分析，故障診斷及其他振動(dòng)測試