用于鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測的振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魯楠++唐嵐++廖若冰+朱加豪

摘 要：結(jié)合鐵路基礎(chǔ)設(shè)施健康監(jiān)測的特點(diǎn)，從硬件和軟件兩個(gè)方面設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)；首先，分析振動(dòng)傳感器的選用原則和輸出信號的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)；然后，提出利用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的模擬，詳細(xì)論述各個(gè)模擬模塊的建立過程；最后利用所屬方法建立用于鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，系統(tǒng)的建立為鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測理論研究提供了方法，為同類型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：鐵路基礎(chǔ)設(shè)施；監(jiān)測；振動(dòng)傳感器；數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：TN919 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0.引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國鐵路建設(shè)發(fā)展迅猛，取得了良好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。隨著鐵路運(yùn)輸速度的迅速提升，再加上其相對方便舒適的環(huán)境和價(jià)格上的優(yōu)勢，勢必能吸引越來越多的人選擇鐵路作為他們旅行的交通工具，然而，伴隨著鐵路運(yùn)輸?shù)娘w速發(fā)展給人們帶來的交通上的快捷與方便，車體與鐵軌的振動(dòng)故障對公共財(cái)產(chǎn)及人身安全構(gòu)成了前所未有的威脅。

伴隨著我國鐵路立體跨越式的迅猛發(fā)展，輪軌間激擾力與激擾頻率隨著車輛行駛速度的不斷提高，逐漸增大，變寬，結(jié)果會(huì)造成電機(jī)等吊掛設(shè)備和車內(nèi)設(shè)備的高頻高幅振動(dòng)，引起車體設(shè)備振動(dòng)能量的急速加劇。如果超過了鐵路各設(shè)備所允許的振動(dòng)強(qiáng)度范圍，未來的工作性能指標(biāo)及使用壽命將會(huì)受到過大的動(dòng)態(tài)載荷和噪聲的嚴(yán)重影響，情況越發(fā)嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致零部件的早期失效。當(dāng)前大量事實(shí)表明，在長期作用的情況下，鐵路振動(dòng)故障可能會(huì)導(dǎo)致貨物破損，軌道破壞，列車脫軌等危險(xiǎn)情況。為確保鐵路“安全、經(jīng)濟(jì)、快捷、舒適”的特點(diǎn)和優(yōu)勢，鐵路建設(shè)要不斷發(fā)展完善其各項(xiàng)功能，才能在越發(fā)激烈的市場競爭中取得優(yōu)勢，因此，各國都加強(qiáng)了對鐵路振動(dòng)的檢測及分析，也增加了對其的投入力度。

今年我國對鐵路振動(dòng)檢測領(lǐng)域的人力物力投入有明顯增加，并且研究范圍擴(kuò)展到眾多方面。以往鐵路振動(dòng)檢測系統(tǒng)只配備在一些重要單位或者要害部門，而在2000年以后，各個(gè)鐵路站段及各個(gè)振動(dòng)檢測站點(diǎn)基本都已經(jīng)涉及發(fā)展應(yīng)用到。鐵路振動(dòng)檢測系統(tǒng)的重要性越來越被人們所認(rèn)可，近些年又不斷完善各項(xiàng)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。為了保證鐵路的運(yùn)輸安全、高效舒適的科學(xué)發(fā)展及以人為本的發(fā)展要求，確保鐵路的優(yōu)勢和特點(diǎn)，如何準(zhǔn)確檢測高速鐵路的振動(dòng)并判斷故障是擺在鐵路工作者面前不容緩的實(shí)際問題。

1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

如圖1所示，本論文用于鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測的振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由下位機(jī)系統(tǒng)和上位機(jī)節(jié)點(diǎn)兩個(gè)大的部分組成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)框圖下位機(jī)系統(tǒng)里包含了振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、IIC實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸模塊、微處理器模塊和電源模塊五個(gè)單元。

振動(dòng)傳感器把接收到的振動(dòng)信號數(shù)字化，通過IIC數(shù)字傳輸方式，將數(shù)據(jù)發(fā)送給微處理器STM32F103ZET6。微處理器作為控制單元，用于接收振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析計(jì)算，通過RS-232串口通信，運(yùn)用MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片及CH340 RS-232串口轉(zhuǎn)USB芯片，實(shí)現(xiàn)了XYZ三軸振動(dòng)數(shù)值發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行控制顯示。因?yàn)槟壳皞€(gè)人電腦上已很少有串口，所以我們使用RS-232串口轉(zhuǎn)USB口芯片CH340G，數(shù)據(jù)可以從USB口進(jìn)入PC上位機(jī)。由于每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的檢測范圍有限，使用多個(gè)這樣的節(jié)點(diǎn)共同檢測則可以擴(kuò)大系統(tǒng)的監(jiān)測范圍，提高系統(tǒng)的整體工作性能。整個(gè)鐵路振動(dòng)檢測系統(tǒng)是由多個(gè)下位機(jī)節(jié)點(diǎn)互相協(xié)作共同完成系統(tǒng)功能的。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)思想

本論文的鐵路振動(dòng)檢測系統(tǒng)是由振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)采集模塊，IIC實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸模塊，微處理器模塊以及RS-232有線通信模塊和電源模塊組成。

振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)采集模塊對鐵路振動(dòng)的振動(dòng)數(shù)據(jù)信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，將采集到的數(shù)據(jù)數(shù)字化，并通過IIC實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸方式與單片機(jī)處理器通信，接著單片機(jī)處理器模塊將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，通過有線通信模塊上傳到上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示及存儲(chǔ)，為鐵路振動(dòng)故障的判斷提供合理依據(jù)。

微處理器中有數(shù)據(jù)處理分析算法的設(shè)計(jì)，完成對采集到的實(shí)時(shí)振動(dòng)信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，判斷當(dāng)前得到的振動(dòng)數(shù)據(jù)是否在鐵路設(shè)備所能產(chǎn)生的振動(dòng)范圍之內(nèi)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行干擾點(diǎn)剔除，去直流及多項(xiàng)式趨勢項(xiàng)和平滑處理，計(jì)算出與自然坐標(biāo)系夾角的角度，使整個(gè)鐵路振動(dòng)檢測系統(tǒng)的性能與數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性得到大幅度提高，很大程度上降低了系統(tǒng)的錯(cuò)誤上報(bào)率。

2.2 系統(tǒng)介紹

如圖2所示，系統(tǒng)硬件部分可以分為五個(gè)部分：振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、IIC實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸模塊、微處理器模塊、RS-232有線通信模塊和電源模塊。

數(shù)據(jù)采集模塊：由單片機(jī)處理器模塊發(fā)出相應(yīng)的控制指令配置振動(dòng)傳感器的控制寄存器，內(nèi)部控制寄存器來決定信號的采集速度、通信方式、數(shù)據(jù)輸出格式與帶寬，振動(dòng)傳感器根據(jù)內(nèi)部控制寄存器的值按要求采集振動(dòng)信號。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸模塊：振動(dòng)傳感器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過IIC傳輸方式，將數(shù)據(jù)發(fā)送給處理器，為之后的數(shù)據(jù)處理分析奠定了基礎(chǔ)。

微處理器模塊：主要工作是通過系統(tǒng)軟件控制數(shù)據(jù)采集模塊完成振動(dòng)數(shù)據(jù)信號的采集，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，然后控制RS-232有線通信模塊將處理完成的數(shù)據(jù)上傳至PC上位機(jī)進(jìn)行顯示及存儲(chǔ)。該模塊是振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)采集模塊和RS-232有線通信模塊進(jìn)行聯(lián)系的核心部分。

RS-232有線通信模塊：將微處理器模塊處理完畢的數(shù)據(jù)，通過RS-232串口通信的方式傳遞給上位機(jī)，上位機(jī)會(huì)自動(dòng)顯示及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，供振動(dòng)故障的判斷使用。

電源模塊：通過該模塊，將5V外部直流電源轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所使用的3.3V電源。

結(jié)論

本論文設(shè)計(jì)了一套鐵路振動(dòng)檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用下位機(jī)整體檢測模塊PC上位機(jī)整體控制數(shù)據(jù)流向，并對上傳的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示保存。從與傳統(tǒng)檢測方法的比較來看，它能夠更加高效、深入、細(xì)致的對鐵路振動(dòng)信號進(jìn)行檢測、處理分析及顯示存儲(chǔ)，并為鐵路振動(dòng)故障的判斷提供可靠依據(jù)。

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