列車軸溫信號仿真發生器設計與實現

張 勇，劉志華

（烏魯木齊鐵路局車輛檢測所，烏魯木齊830011）

車輛軸溫智能探測系統（簡稱THDS）是發現車輛熱軸、防止熱切軸、保證鐵路運輸安全的重要設施，是提高運輸效率的重要保障。烏魯木齊鐵路局車輛檢測所負責THDS設備的安裝和大、中修工作，管內THDS設備主要由HZT系列探測系統和HTK系列探測系統組成，為了更好地完成大、中修工作，我們設計了列車軸溫信號仿真發生器（以下簡稱發生器），主要負責設備的大、中修工作完成以后的動態拷機工作。

發生器有以下幾個特點：

（1）兼容HZT系列和HTK系列的軸溫探測設備，只需要在液晶人機界面設置好設備廠家類型，就可以在兩個設備廠家的設備上面使用，做到了一機兩用，節省購買發生器的成本。

（2）使用基于SEED-DEC2812模板進行軟硬件設計，該模板具有以下幾個主要特點：

a.模板的主芯片采用TMS320F2812，CPU主頻為150 MHz。

b.片內128 k×16 bit高速Flash。

c. 18 k×16 bit零等待SRAM。

d. 12路單端模擬輸入，輸入電平：±10 V～±5 V，分辨率是16 bit，采樣率為250 k。

e. 4路單端模擬輸出，輸出電平：±10 V～±5 V,分辨率是16 bit，建立時間是10 μs。

f. 4×4鍵盤，信號4線掃描輸出，4線回讀輸入，信號電平3.3 V～5 V。

g. LCD接口，信號：8 bit數據線，3 bit地址線，2個片選信號。

（3）采用SEED-DEC2812模板作為系統核心，充分發揮DSP 2系列芯片強大的數據處理能力和良好的擴展性，完成了發生器的軟硬件設計和人機界面設計。

（4）發生器設計了多種幅度的仿真軸溫波形，可以產生符合各種熱判標準的仿真軸溫波形，設備廠家生產的發生器一般都是產生固定幅度的方波信號作為仿真軸溫波形，不符合軸溫探測系統的要求。

1 磁頭和軸溫信號的相對時序

為了產生仿真軸溫信號，根據軸溫探測系統的工作原理設計了磁頭信號與軸溫信號的相對位移過程，為了使用數字信號處理器（DSP）編程處理，關鍵在于把相對位移過程轉化成相對時間過程，要完成這個轉換，需要根據列車時速設計時間基準，計算出時間基準以后，就可以把相對位移過程轉化成相對時間過程，過程轉換如圖1和圖2，假定列車時速是80 km，時間單位是ms，HTK系列磁頭信號與軸溫信號的相對時序過程和HZT系列相似，主要區別在2#和3#磁頭極性，以及安裝距離和軸溫信號的極性，下面只討論HZT系列的轉換過程。

圖1 HZT系列磁頭信號與軸溫信號的相對位移過程

圖2 HTK系列磁頭信號與軸溫信號的相對位移過程

2 轉換過程

為了產生精確的模擬信號，需要根據車速計算時鐘基準，假設列車時速是80 km，換算成每秒通過的距離是：（80*1 000）/3 600=22.22（m/s），那么時速80 km列車通過1 mm的距離需要的時間是1/（22.22*1 000）=45（uS）；250 mm距離轉化成時間250*45=11.25 ms，根據時鐘基準把磁頭信號與軸溫信號的相對位移過程轉化為相對時間過程，如圖3。

圖3 80km時速下HZT系列磁頭信號與軸溫信號的相對時間過程

3 磁頭和軸溫信號仿真波形的編制（以HZT系列為例）

以HZTl系列為例，磁頭波形接近于正弦波形，可以采用公式法產生，以產生HZT系列的360點磁頭波形為例。

SEED-DEC2812模板的D/A輸出是16 bit，D/A數據的范圍是0～0xFFFF，D/A是雙極性輸出，0～0x7FFF對應的輸出為負極性輸出，0x8000～0xFFFF，對應的為正極性輸出。

采用C語言編程，程序如下：

#define pi 3.14159

int sin_tab[360] ;

void main()

{

int i;

for(i=0;i<360;i++) sin_tab[i] =(int)(32767*sin(2*pi*i/360)+32767;

}

軸溫信號波形較為復雜，不易用公式描述，可以采用數字示波器采集并處理后將其復現，數字示波器TDS1012可以將屏幕上面采集的波形存儲為BMP位圖，還可以將示波器采集到的波形保存為CSV文件，具體采集實現過程從略。

4 列車位置數據的編制

發生器中列車數據的編制分為2個部分：磁頭位置數組的編制；軸溫信號位置數組的編制。

磁頭和軸溫波形位置的數據編制主要依靠列車的編組和車型數據來編制，機車示意圖如圖4。

貨車示意圖如圖5。

圖4 機車磁頭和軸溫信號位置數據示意圖

圖5 貨車磁頭和軸溫信號位置數據示意圖

其他列車編組里面的車型按照這個方法就可以編制出來，把列車編組里面所有車輛的磁頭位置數據定義成磁頭位置數組，軸溫信號的位置數據組合起來定義成軸溫位置數組，兩個數組就組合成了整列車的數據，數組的大小由列車編組的數量決定，可以修改編組數量和列車編組中車輛的類型。文中介紹的列車編組是22輛96軸，包括機車1臺，鐵道部檢測車和鐵路局檢測車各1輛，各種貨車19輛。

根據圖4和圖5可以編制出磁頭位置數據數組，機車磁頭位置數組為{2 675，2 000，2 000，7 900，2 000，2 000，2 675}，后面連接的貨車的磁頭位置數組為{1 504，1 700，7 500，1 700，1 504}，如果列車編組為1臺機車加1輛貨車，則磁頭位置數組為{2 675，2 000，7 900，2 000，2 000，4 179（2 675+1 504），1 700，7 500，1 700}，軸溫位置數組只需要在磁頭位置數組每項數值后面加340就可以了，這樣，只需要按照車速計算出通過1 mm所需要的時間基準，用數組里面的數據乘以時間基準就把位置轉化成相對時間，就可以在DSP程序里面按照指定的位置使用4路D/A產生磁頭和信號波形了。

5 DSP軟件設計

DSP軟件流程見圖6。

6 樣機的研制結果及分析

根據以上的敘述，我們使用CCS2.1軟件開發系統，在SEED-DEC2812模板上開發出了發生器，與HZT2000系列探測系統聯機測試，系統接車熱軸報警畫面如圖7。

發生器產生的模擬軸距文件輸入到探測系統，產生的軸距報表如圖8。從模擬軸距文件可知，其符合設計要求。不過HZT2000軸距是以分米作為單位顯示的，沒有精確地顯示出軸距。

發生器產生的模擬列車編組為22輛，第21輛和第22輛為鐵道部紅外檢測車和鐵路局紅外檢測車的軸距，為兩個8軸特種車，發生器里面編入這兩個特種車，主要是為了驗證中修后的探測系統能否正確判別紅外檢測車，如果誤判或者漏軸漏列都會影響到聯檢的結果。

圖6 DSP軟件流程圖

7 結束語

研制結果表明，發生器能夠正確地產生磁頭和軸溫信號的仿真波形，可以動態檢測軸溫探測設備的整體性能，工作穩定，達到了設計要求，隨著軸溫探測技術的發展，在今后的工作中還需不斷完善發生器的工作性能，提高發生器的兼容性，更好地為設備檢修服務。

圖7 系統接車熱軸報警圖

圖8 產生軸距報表圖

[1] 張雄偉. DSP芯片的原理與開發應用[M] . 2版. 北京：電子工業出版社，2001，3.