基于DSP的設(shè)計方案所形成的踏面擦傷檢測系統(tǒng)解析

隨著電氣化鐵路在我國的普及，列車已經(jīng)進(jìn)入高速度化時代，車輪踏面的擦傷將嚴(yán)重影響車輛與軌道設(shè)施的安全和使用壽命。實(shí)現(xiàn)自動化檢測車輪踏面狀況迫在眉睫。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號處理（Digital Signal Processor，DSP）技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步，在當(dāng)今信號處理領(lǐng)域中已占據(jù)了主導(dǎo)地位。擦傷振動檢測系統(tǒng)采用振動加速度法進(jìn)行擦傷檢測，利用壓電式振動加速度傳感器將加速度信號轉(zhuǎn)換成電荷量，再通過電荷放大器將電荷量轉(zhuǎn)換成電壓信號值傳遞給DSP進(jìn)行處理，使用小波分析對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終顯示輪位踏面擦傷狀況。
　　1 系統(tǒng)布局與工作原理
　　振動加速度擦傷檢測系統(tǒng)通過檢測車輪和鐵軌動態(tài)接觸時發(fā)生碰撞產(chǎn)生的振動加速度來判斷車輪踏面的狀態(tài)。圖1為振動加速度法的傳感器布局圖。其中，L1，L2，L3，L4，L5及R1，R2，R3，R4，R5為壓電式振動加速度傳感器，S1，S2為光電開關(guān)。由于壓電式振動加速度傳感器的輸出為電荷信號，可選擇使用電荷放大器輸出與電荷量成比例的電壓信號，在后續(xù)的采集電路對此電壓信號進(jìn)行采集與轉(zhuǎn)換時，假設(shè)列車從左向右行駛，當(dāng)車輪行駛到S1處時，光電開關(guān)被擋斷，產(chǎn)生開啟采集數(shù)據(jù)信號，DSP采集系統(tǒng)對10個傳感器輸出信號進(jìn)行采集和存儲；當(dāng)車輪行駛至S2處時，光電開關(guān)被擋斷，產(chǎn)生停止采集信號，采集系統(tǒng)停止數(shù)據(jù)采集，保存數(shù)據(jù)講行數(shù)據(jù)處理，顯示處理結(jié)果。
　　
　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
　　利用壓電式振動加速度傳感器對加速度信號進(jìn)行檢測。采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812作為系統(tǒng)核心，使用片內(nèi)自帶的12位16通道A／D轉(zhuǎn)換器對傳感器信號進(jìn)行采集，因此不再需要另加其他A／D轉(zhuǎn)換芯片，只需對相關(guān)引腳進(jìn)行配置并引出通道引腳即可。擴(kuò)展RAM存儲器用于存儲采集數(shù)據(jù)，同時擴(kuò)展FLASH存儲器用于程序代碼的存儲；S1，S2光電開關(guān)信號作為外部中斷送入DSP；與外部主機(jī)的通信采用了DSP片內(nèi)SCI接口實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
　　
　　2．1 元件性能介紹
　　壓電式加速度傳感器采用型號為YD-12，其主要技術(shù)參數(shù)如下：電荷靈敏度為1～10．99 pC／ms2；測量加速度范圍小于等于2 000 m／s2；電纜電容為135 pF；絕緣電阻為104 MΩ；截止頻率和安裝頻率大于20 kHz。
　　TMS320F2812是美國TI公司推出的TMS320C28x系列DSP芯片中的一種，該系列芯片是目前國際市場上功能強(qiáng)大的32位定點(diǎn)DSP芯片。它既具有數(shù)字信號處理能力，又具有強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特別適用于有大批量數(shù)據(jù)處理的測控場合，如工業(yè)自動化控制、電力電子技術(shù)應(yīng)用、智能化儀器儀表及電機(jī)、馬達(dá)伺服控制系統(tǒng)等。
　　2．2 DSP信號處理流程
　　軟件開發(fā)采用TI的DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS 2．0，開發(fā)語言采用了C和匯編的混合方式。主程序可分為4個模塊，分別為主程序監(jiān)控模塊、SCI通信模塊、A／D數(shù)據(jù)采集模塊和中斷服務(wù)程序模塊，軟件流程圖如圖3所示。軟件應(yīng)完成對多通道模擬信號的采集轉(zhuǎn)換，并在收到正確的主機(jī)數(shù)據(jù)傳輸指令后將其所采集到的數(shù)據(jù)按一定的格式傳送給主機(jī)處理。
　　本設(shè)計中DSP的12位舊模數(shù)轉(zhuǎn)換器，軟件配置為并發(fā)采樣雙序列模式為例進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，采用中斷讀取采集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)初始化完成后即可等待采集中斷，采集中斷中開啟序列1的自動化序列轉(zhuǎn)換，序列1完成轉(zhuǎn)換后觸發(fā)中斷，在序列1的A／D中斷處理程序中再開啟序列2的自動化序列轉(zhuǎn)換，等待序列2的A／D中斷到達(dá)時，再在中斷處理程序中完成采集數(shù)據(jù)從結(jié)果寄存器到儲存器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。