基于ＤＳＰ的擦傷信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：車輪是鐵路車輛的主要行走部件，其技術(shù)狀態(tài)好壞直接涉及車輛的運(yùn)行品質(zhì)。車輪踏面擦傷是車輛運(yùn)行過程中的常見故障。采用振動(dòng)加速度檢測(cè)原理，設(shè)計(jì)了一套基于TMS320F2812 DSP為主控芯片的擦傷信號(hào)采集與處理系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)車輪踏面擦傷在線動(dòng)態(tài)檢測(cè)。提出了系統(tǒng)的檢測(cè)流程，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞：擦傷；檢測(cè)；TMS320F2812；ADS8364

中圖分類號(hào)：TP₂74 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1004373X(2008)1918903

Design of Abrasive Signal Detection System Based on DSP

YANG Guangyu1，LIU Kai2，GAO Xiaorong1，WANG Li1，WANG Zeyong1

(1.Photoelectric Engineering Institute，Southwest Jiaotong University，610031，Chengdu，China;

2.Opertate Department of Xi′an Railway Station，Xi′an，710054，China)

Abstract：Wheel is the cardinal part of the railway vehicle.Its technical behavior affects the vehicle′s performance.It′s a common bug of the abrasion on the wheel′s tread in the vehicle running.The principle of vibrate acceleration detection is used in this paper.An abrasive signal acquisition and process system based on TMS320F2812 is designed.It can implement to detect the abrasion online.The detection flow of the system is presented.And the practicability of the system is certified through experiments.

Keywords：abrasion;detection;TMS320F2812;ADS8364

1 引 言

車輪是鐵路車輛行走部的主要部件，其技術(shù)狀態(tài)好壞直接涉及車輛的運(yùn)行品質(zhì)，影響列車運(yùn)行安全。車輪踏面故障是車輛運(yùn)行過程中的常見故障，其損傷形態(tài)主要表現(xiàn)為踏面擦傷及剝離。輪對(duì)踏面擦傷的根本原因是列車在制動(dòng)過程中的制動(dòng)力大于粘著力，導(dǎo)致車輪踏面在鋼軌上滑行，產(chǎn)生劇烈摩擦，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)在踏面上形成扁疤狀擦傷。

目前列檢對(duì)車輪踏面故障的檢查，還是主要靠傳統(tǒng)的人工檢查方法，不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)車輪踏面故障，造成漏檢、漏修，又增加工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，延長(zhǎng)技校時(shí)間。因此，研制一種在線式車輪踏面擦傷檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)列車運(yùn)行安全具有十分重要的意義。本文在此背景下設(shè)計(jì)了一套基于振動(dòng)式加速度原理的擦傷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用先進(jìn)的DSP與高速AD相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了擦傷信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與處理，具有較高的經(jīng)濟(jì)和使用價(jià)值。

2 系統(tǒng)原理及構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)檢測(cè)原理^［2，3］

在列車運(yùn)行中，是由車輪踏面與鋼軌接觸向前運(yùn)行。當(dāng)踏面上有擦傷時(shí)，擦傷處就會(huì)與鋼軌產(chǎn)生撞擊，從而產(chǎn)生一個(gè)較大的振動(dòng)信號(hào)。通過在鋼軌上安裝振動(dòng)加速度傳感器，就可以采集到列車運(yùn)行過程中的振動(dòng)信號(hào)。再對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種時(shí)頻分析，最終可以檢測(cè)到車輪是否存在擦傷。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成^［4］

本檢測(cè)系統(tǒng)主要包括以下幾大部分，如圖1所示。

(1) 各種傳感器及電荷放大器

振動(dòng)加速度傳感器：用來捕捉鋼軌的振動(dòng)加速度信號(hào)；

光電開關(guān)(光纖傳感器)：檢測(cè)列車是否到來，觸發(fā)采集子程序高速采集數(shù)據(jù)，并得到車輛速度；

稱重傳感器：測(cè)量車輪重量；

電荷放大器：將加速度傳感器采集到的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換并放大為電壓信號(hào)，供后續(xù)部分采集處理。

(2) DSP數(shù)據(jù)采集處理部分

控制各通道數(shù)據(jù)采集，A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)處理以及與上位機(jī)的通信等。

(3) 上位機(jī)處理及顯示部分

接收原始數(shù)據(jù)及處理結(jié)果，作進(jìn)一步處理，并提供良好的操作界面。

3 DSP硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 DSP主控芯片介紹

本系統(tǒng)中選用了TI公司的TMS320F2812作為系統(tǒng)的控制與處理核心。

TMS320C28x系列是TI公司推出的32位定點(diǎn)DSP芯片。它具有高速數(shù)字信號(hào)處理能力，又具有強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式控制能力，特別適用于有大量數(shù)據(jù)處理的測(cè)控場(chǎng)合，如工業(yè)自動(dòng)化控制、電力電子技術(shù)應(yīng)用、智能儀器儀表和電機(jī)及馬達(dá)伺服控制系統(tǒng)等^［1］。

TMS320F2812是2000系列中的新產(chǎn)品，它采用高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù)，時(shí)鐘頻率可達(dá)150 MHz，具有高性能的32 位中央處理器，能在一個(gè)周期內(nèi)完成16×16，32×32的乘法和累加運(yùn)算。支持32位單位周期指令，其數(shù)據(jù)地址為32位，程序地址為22位，具有高速的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器，可以訪問4 GB(16位)的數(shù)據(jù)空間和4 MB的程序空間。同時(shí)還具有豐富的外圍設(shè)備，包括串行外圍接口(SPI)、兩個(gè)串行通信接口(SCIA，SCIB)、改進(jìn)的局域網(wǎng)接口(eCAN)、多通道緩沖串行接口(McBSP)和串行外圍接口模式，還帶有12位的ADC，非常方便外圍設(shè)計(jì)，可以滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

在本系統(tǒng)選用了TI公司的ADS8364模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。該芯片包含6通道模擬信號(hào)輸入，為16位250 kHz的ADC。它具有轉(zhuǎn)換精度高，轉(zhuǎn)換速度快，功耗低等特點(diǎn)。

3.2 硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)^［7］

在本檢測(cè)系統(tǒng)中，DSP硬件系統(tǒng)主要完成如下功能：多通道模擬信號(hào)采集，A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)通信等。

硬件系統(tǒng)主要包括以下幾大部分，如圖2所示。

DSP主控芯片：它完成系統(tǒng)的采集控制與數(shù)據(jù)處理的功能；

前端信號(hào)調(diào)理電路：完成對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行前端濾波以及信號(hào)放大等處理；

A/D轉(zhuǎn)換電路：進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；

存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路：用于原始數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；

通信接口電路：完成與上位機(jī)的通信；

電源及JTAG調(diào)式接口，對(duì)系統(tǒng)供電及系統(tǒng)調(diào)試。

3.3 DSP檢測(cè)流程

在DSP檢測(cè)流程中，主要完成信號(hào)的采集、存儲(chǔ)、處理和傳輸?shù)裙δ堋Ｆ錂z測(cè)流程如圖3所示：首先完成DSP的內(nèi)部初始化；然后等待列車到來，當(dāng)有列車到來時(shí)，啟動(dòng)AD，觸發(fā)采集，同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SRAM中；當(dāng)采集完成后，將采集到的數(shù)據(jù)以及處理的結(jié)果通過串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理及顯示。

4 實(shí)驗(yàn)及處理結(jié)果

本系統(tǒng)在成都車輛段進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)在鋼軌的一側(cè)安裝了5只振動(dòng)加速度傳感器，當(dāng)有列車通過采集區(qū)時(shí)，分別采集同一轉(zhuǎn)向架一側(cè)兩個(gè)車輪的振動(dòng)信號(hào)。對(duì)采集到的信號(hào)在Matlab中進(jìn)行了初步的算法分析與數(shù)據(jù)處理。由于在實(shí)驗(yàn)中，列車車輪的真實(shí)擦傷存在較少，故我們?cè)阡撥壣戏胖昧艘粋€(gè)0.5 mm厚度的墊片來模擬真實(shí)擦傷，實(shí)驗(yàn)中的原始波形圖與處理結(jié)果圖分別如圖4，圖5所示。

在圖4中共有5個(gè)通道的振動(dòng)信號(hào)，每通道的橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為振動(dòng)加速度。從原始波形中可以看出，當(dāng)車輪經(jīng)過墊片處，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的振動(dòng)，在所采集到振動(dòng)信號(hào)的波形上就會(huì)表現(xiàn)出一個(gè)振動(dòng)峰值。由于同一轉(zhuǎn)向架一側(cè)有兩個(gè)車輪，故在波形中看到有兩處明顯的振動(dòng)峰值。

圖5中，通過對(duì)原始波形進(jìn)行一系列的處理，包括預(yù)處理、頻譜分析、低通濾波、多重閾值判定、數(shù)據(jù)分離與截?cái)唷⑻蕹忀喐蓴_等。最后以單元陣列的形式將同一轉(zhuǎn)向架前后兩輪的振動(dòng)信號(hào)分開表示，其中第一行為同一轉(zhuǎn)向架前輪的5通道的處理結(jié)果，第二行為后輪5個(gè)通道的處理結(jié)果。每一行中，第一和第五個(gè)通道為輔助判斷通道，主要用來判斷鄰輪干擾，不作為最后結(jié)果表示。而二、三、四通道作為主要檢測(cè)通道，用來表示最后的檢測(cè)結(jié)果。從二、三、四通道可以看出前后兩車輪均檢測(cè)到一處擦傷，而且在三通道上方振動(dòng)信號(hào)最大。這是由于前后兩輪均通過墊片處，所以在上下兩行都檢測(cè)并提取出來一個(gè)較大的振動(dòng)信號(hào)，而且我們是在三通道上方放置

的墊片，故三通道的振動(dòng)信號(hào)最大。通過以上的分析與

處理證明系統(tǒng)能夠檢測(cè)出車輪擦傷，達(dá)到設(shè)計(jì)要求與目的。

5 結(jié) 語

通過前期的大量原理性實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)的初步實(shí)驗(yàn)，表明本檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)車輪踏面擦傷檢測(cè)功能。DSP在本系統(tǒng)中能夠?qū)崟r(shí)地采集車輪振動(dòng)信號(hào)，再通過后續(xù)的算法分析與數(shù)據(jù)處理可以檢測(cè)出擦傷信號(hào)。而且本系統(tǒng)具有安裝方便，能夠在車速較高的情況下進(jìn)行檢測(cè)，可以適用于地鐵以及其他正線的安裝使用。

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作者簡(jiǎn)介

楊光宇 男，1983年出生，碩士研究生。主要研究方向?yàn)楣怆姍z測(cè)及數(shù)據(jù)采集與數(shù)字信號(hào)處理。