陳 顯，林建輝，王繼鵬，戴曉超

(1.西南交通大學(xué)，牽引動力國家重點實驗室，四川成都 610036；2.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春 130062)

0 引言

列車在不平順的軌道上行駛,車體和軸箱都產(chǎn)生振動。軌道愈不平順,振動愈劇烈,車體和軸箱的振動加速度愈大[1],因此列車的軸端加速度信號中包含著很多軌道不平順信息和列車狀態(tài)信息，方便快捷地采集到準確的軸端加速度信號是研究軌道不平順和列車狀態(tài)的基礎(chǔ)。然而目前相關(guān)的動車組軸端加速度監(jiān)測裝置存在體積較大、質(zhì)量較重，讀取數(shù)據(jù)不方便，各裝置之間的數(shù)據(jù)同步性較低等缺陷，為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，設(shè)計了基于STM32的動車組軸端加速度監(jiān)測裝置。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

動車組軸端加速度監(jiān)測裝置由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成。硬件上由采集主機和傳感器2部分組成，采用分體的設(shè)計方式，將傳感器和采集主機分別獨立安裝，監(jiān)測裝置高度集成，體積較小，方便攜帶和安裝，其中采集主機主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、Micro USB通訊模塊、電源模塊，采集主機安裝在動車組構(gòu)架上方；傳感器采用壓電式加速度傳感器，安裝在動車組的軸箱上，通過線纜的方式與采集主機進行連接通信。具體安裝位置如圖1所示。

圖1 裝置安裝實物圖

在軟件上系統(tǒng)實現(xiàn)的功能較為復(fù)雜，為了采集數(shù)據(jù)的精確性，需要較高的實時性，因此嵌入式軟件系統(tǒng)采用RT-Thread實時操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)小而靈活，便于在應(yīng)用中移植，為了滿足復(fù)雜的系統(tǒng)要求采用多線程編程，使用IPC機制進行線程之間的通信[2]。采集線程可以不斷采集加速度數(shù)據(jù)；存儲線程可以把采集的加速度數(shù)據(jù)存放在Micro SD卡里；通信線程可以實現(xiàn)和上位機之間的數(shù)據(jù)交互。

上位機軟件系統(tǒng)采用QT框架設(shè)計，QT是一種面向嵌入式系統(tǒng)圖形界面設(shè)計的一種應(yīng)用程序開發(fā)框架[3]，它使得嵌入式系統(tǒng)圖形界面的設(shè)計開發(fā)更加快捷。上位機可以對采集的加速度信號進行FFT變換，得到離散的頻域信息并對加速度的信號特征進行分析，還可以與采集主機通過USB線纜進行通信，實現(xiàn)對采集主機的參數(shù)和系統(tǒng)時間配置。系統(tǒng)整體框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體框圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 壓電式加速度傳感器機理

壓電式加速度傳感器是以壓電晶體的壓電效應(yīng)為原理制成的。待測物體振動時，傳感器的質(zhì)量塊受到振動加速度作用，會對壓電晶體片產(chǎn)生一個與加速度成正比的力，壓電晶體片受到此力作用后，會沿其表面形成與此力成正比的電荷信號，采集電荷信號就能得到相關(guān)的加速度數(shù)據(jù)。壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示[4]。

圖3 壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)

考慮到軸箱振動頻率高，而壓電式加速度傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、靈敏度高、可測頻率范圍寬的優(yōu)點[1]，測量軸箱振動加速度選用應(yīng)變式加速度傳感器。

監(jiān)測裝置采用ICP傳感器(集成電路型壓電式加速度傳感器)，內(nèi)部包含了一個集成的信號調(diào)理電路，可以將來自壓電材料的難以直接使用的高阻抗電荷轉(zhuǎn)換成可用的低阻抗電壓信號[5]。傳感器的工作電源為DC 18～36 V、4 mA恒流源，振動量程為-700g～+700g，頻率響應(yīng)為0.5～6 000 Hz(±3 dB)，傳感器的輸出引腳定義如表1所示。

表1 傳感器輸出引腳定義

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)采集模塊主要由穩(wěn)壓電路、供電電路、信號調(diào)理電路、AD7606轉(zhuǎn)換電路、STM32F407芯片等組成，其功能是將壓電式加速度傳感器的輸出信號調(diào)理轉(zhuǎn)換為0～5 V模擬電壓輸出，再經(jīng)16位的AD7606芯片采樣轉(zhuǎn)換后輸入STM32芯片進行采集處理。

傳感器輸出的4路信號分別為垂向：SEN1+、SEN1-；橫向：SEN2+、SEN2-。首先傳感器的輸出信號需要經(jīng)過穩(wěn)壓和共模濾波，穩(wěn)壓電路使用SMBJ24CA雙向瞬態(tài)抑制二極管設(shè)計，可以保護電路，防止峰值電壓、電流燒壞機器；共模濾波可以去除不需要的諧波，減小電流的脈動，使電流更加平滑，具體電路設(shè)計如圖4所示。

另外傳感器正常工作需要4 mA的恒流源供電，供電電路和傳感器的輸出電路為同一電路，傳感器輸出信號為電壓信號，供電電路為4 mA恒流源，電路設(shè)計如圖5所示。

圖4 穩(wěn)壓電路設(shè)計

圖5 傳感器供電電路設(shè)計

傳感器輸出的振動信號中包含了大量的高頻干擾成分，因此在A/D采樣前需要經(jīng)過放大、低通濾波等調(diào)理電路的處理。調(diào)理電路使用4階低通巴特沃斯模型進行設(shè)計，為便于設(shè)計采用TL064芯片，TL064芯片是一種超低功耗4路運算放大器，具有高轉(zhuǎn)換率、低輸入偏置的特性。具體的電路設(shè)計如圖6所示。

傳感器的輸出電壓經(jīng)過穩(wěn)壓電路、供電電路、信號調(diào)理電路之后，再通過AD7606芯片進行數(shù)據(jù)采樣，得到16位的數(shù)字信號送入STM32F407芯片中進行數(shù)據(jù)處理。

2.3 數(shù)據(jù)存儲模塊設(shè)計

該監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲主要包括EEPROM數(shù)據(jù)存儲、Micro SD卡數(shù)據(jù)存儲。EEPROM是一種可以通過電子方式多次復(fù)寫的半導(dǎo)體存儲設(shè)備，掉電后數(shù)據(jù)不丟失，可以在專用設(shè)備上擦除已有信息，重新編程，在本機中主要用于存儲固件升級信息、處理主機的設(shè)備信息(設(shè)備號、動車組編號、轉(zhuǎn)向架編號、軸端位置)、加速度的均方根存儲閾值等數(shù)據(jù)。采用AT24C512C芯片進行設(shè)計，該芯片內(nèi)部有512頁，每頁為128字節(jié)，任一單元的地址為16位，地址范圍為0000～0FFFFH，采用8引腳進行封裝，結(jié)構(gòu)緊湊、存儲量大，在測控系統(tǒng)中被大量采用，具體的電路設(shè)計如圖7所示。

圖6 調(diào)理電路設(shè)計

圖7 EEPROM電路設(shè)計

Micro SD 卡具有數(shù)據(jù)寫入和讀取速度快、支持熱插拔、容量大、體積小、攜帶方便等優(yōu)良特性，非常適合在便攜式裝置上使用[6]，Micro SD模塊作為便攜的存儲設(shè)備結(jié)合FAT文件系統(tǒng)，可以高效地把采集的動車組軸端的加速度原始數(shù)據(jù)存儲在Micro SD卡里，PC端通過讀卡器就可以方便地讀取到監(jiān)測設(shè)備里的數(shù)據(jù)；同時監(jiān)測設(shè)備在開機時也可以讀取Micro SD卡里的配置文件或升級文件，進行參數(shù)配置或系統(tǒng)升級。

2.4 Micro USB電路設(shè)計

Micro USB的電路需要實現(xiàn)2種功能：可以給監(jiān)測裝置的鋰電池進行充電；通過Micro USB接口連接PC上位機可以實現(xiàn)對監(jiān)測裝置相關(guān)參數(shù)的配置和系統(tǒng)時間的設(shè)置。

Micro USB的充電電路使用LN2054芯片進行設(shè)計，LN2054芯片是專門適用于USB供電的恒流恒壓線性電源管理芯片[7]，由于內(nèi)部的MOSFET結(jié)構(gòu)，在應(yīng)用上不需要外部電阻和阻塞二極管，在工作溫度過高時，熱反饋可以控制充電電流以降低芯片溫度，在達到目標充電電壓后，充電電流會降低到設(shè)定值的1/10，CHARG引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)，充電指示LED燈熄滅，充電結(jié)束，Micro USB電路設(shè)計如圖8所示。

圖8 Micro USB充電電路設(shè)計

Micro USB與STM32之間的通信使用CP2102芯片進行設(shè)計，CP2102是高度集成的USB-to-UART芯片。PC的上位機通過Micro USB線纜連接到主機的Micro USB模塊，Micro USB模塊再通過CP2102芯片連接到STM32的UART接口上就可以實現(xiàn)PC上位機和監(jiān)測設(shè)備之間的通信，并支持熱插拔、即插即用[8]，通信速率可達1 Mbps。

3 軟件設(shè)計

3.1 嵌入式軟件設(shè)計

為了確保監(jiān)測裝置采集數(shù)據(jù)的同步性，嵌入式軟件系統(tǒng)采用了RT-Thread實時操作系統(tǒng)，并使用C語言進行編程，通過Keil5編譯環(huán)境、Jlink仿真器調(diào)試、燒錄程序，結(jié)合系統(tǒng)的功能及相應(yīng)指標，嵌入式軟件部分應(yīng)具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)升級及通訊等功能。

監(jiān)測裝置工作時首先是系統(tǒng)上電完成操作系統(tǒng)和硬件設(shè)備初始化，接著對EEPROM、Micro SD卡模塊、A/D采樣模塊自檢，完成初始化和硬件自檢工作后對Micro SD卡里的文件進行掃描，如果發(fā)現(xiàn)升級文件則對系統(tǒng)進行固件升級操作[9]；如果發(fā)現(xiàn)配置文件則更改EEPROM的配置數(shù)據(jù)并刪除配置文件。

完成以上工作后系統(tǒng)進入數(shù)據(jù)采集，通過16位的AD7606模塊對傳感器的輸出數(shù)據(jù)進行采樣，采集的數(shù)據(jù)在STM32F407芯片中進行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)加速度均方根存儲閾值，判斷是否需要保存數(shù)據(jù)，如果需要保存則按照存儲協(xié)議把數(shù)據(jù)保存到Micro SD卡后繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，進入下一個循環(huán)，不需要保存則繼續(xù)循環(huán)采集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)沒有結(jié)束過程，只能通過開關(guān)斷電結(jié)束程序。嵌入式軟件流程圖如圖9所示。

圖9 嵌入式軟件流程圖

3.2 上位機軟件設(shè)計

該監(jiān)測裝置上位機軟件基于QT框架開發(fā)，采用模塊化設(shè)計，降低了程序復(fù)雜度，使程序的設(shè)計、調(diào)試和維護等操作更加簡單。在上位機軟件中設(shè)計了數(shù)據(jù)讀取模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、參數(shù)配置模塊。數(shù)據(jù)讀取模塊可以通過讀卡器讀取Micro SD卡里的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理模塊可以對加速度數(shù)據(jù)進行頻域分析和算法處理；參數(shù)配置模塊可以通過USB線纜把加速度的存儲閾值、PC系統(tǒng)時間、動車組相關(guān)信息寫入設(shè)備。

4 系統(tǒng)功能測試

4.1 行車實驗

為了驗證該監(jiān)測裝置的實際功能，在某動車運用所做了相應(yīng)的行車試驗，設(shè)備安裝在CRH250動車組某節(jié)車的軸端上，在實際行車過程中采集了轉(zhuǎn)向架軸端的加速度。通過上位機讀取了某一時段的加速度數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖10所示。

圖10 行車數(shù)據(jù)分析圖

結(jié)果表明該監(jiān)測裝置設(shè)備穩(wěn)定性較好，讀取數(shù)據(jù)方便，因為監(jiān)測設(shè)備的時間是由PC的系統(tǒng)時間配置的，所以不同的設(shè)備可以實現(xiàn)各裝置之間的數(shù)據(jù)同步。

4.2 校準實驗

為了驗證該裝置所測加速度的準確性，在北京某計量中心做了不同頻率下的校準實驗，對監(jiān)測設(shè)備所測的動車組軸端的垂向加速度進行了校準，實驗結(jié)果如表2所示。

表2 Z向(垂向)頻率響應(yīng)

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種便攜式的動車組軸端加速度監(jiān)測裝置，相對于傳統(tǒng)的監(jiān)測裝置，該裝置體積較小、高度集成，讀取數(shù)據(jù)方便，各裝置之間的數(shù)據(jù)同步性較好，行車實驗和校準實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的動車組軸端加速度監(jiān)測裝置穩(wěn)定性較好、所測加速度的準確性較高，可以為研究動車組的轉(zhuǎn)向架軸端振動狀態(tài)提供較為可靠的加速度數(shù)據(jù)和初步的算法分析。