鄧 鵬，王明乾

(國防科技大學(xué)，陜西 西安 710100)

0 引言

我國對磁浮列車技術(shù)的研究已有二十多年歷史，“十三五”規(guī)劃提出研制600 km/h的常導(dǎo)高速磁浮列車.2019年，時速600 km的高速磁浮試驗樣機在青島下線，國產(chǎn)高速磁浮技術(shù)有了較大的發(fā)展.常導(dǎo)高速磁浮列車采用類似同步電機的原理進行牽引，列車懸架為轉(zhuǎn)子，軌道為定子，分段鋪設(shè)，因定子相對一節(jié)車廂較長，故稱為長定子軌道[1].根據(jù)同步電機原理，需要對列車精確定位才能正常牽引[2-3]，因此，列車的定位測速系統(tǒng)是列車穩(wěn)定運行的關(guān)鍵系統(tǒng)之一.但由于國內(nèi)尚未建成能以600 km/h運行的磁浮列車實驗線，對定位測速系統(tǒng)相對位置傳感器的高速運行研究無法進行實驗驗證，對傳感器的檢測也只能在實驗列車上進行，無法進行地面有效檢測.因此研制一套能對相對位置傳感器在高速運行下的工作可靠性進行檢測，以及對傳感器日常工作性能測試的離線模擬測試平臺具有重要意義[4].

1 測試平臺

1.1 組成

相對位置傳感器分布在磁浮列車懸浮架上，如圖1所示，每兩個傳感器組成一對，用于列車在經(jīng)過長定子軌道接縫時相互切換，保障信號的連續(xù)性.同時，車頭和車尾兩節(jié)車廂的左右各有一對，主要為冗余考慮，保障列車定位測速系統(tǒng)的可靠性[5].

如圖2所示，相對位置傳感器離線測試平臺主要由三大部分組成，分別是上位機人機交互軟件、控制箱以及測試臺.

1.2 工作原理

測試臺上裝有與傳感器內(nèi)部線圈相互感應(yīng)的測試線圈，線圈與控制箱內(nèi)部的可編程電位計相連，控制箱內(nèi)部的電位計電阻值以一定規(guī)律變化，從而改變測試線圈與傳感器線圈的電磁感應(yīng)效果，即改變等效負載，使得傳感器線圈的等效電磁負載變化規(guī)律類似于傳感器在長定子軌道上移動時的等效電磁負載變化規(guī)律，從而實現(xiàn)傳感器的工作模擬.

控制箱內(nèi)的硬件電路接收上位機的指令、控制傳感器線圈等效負載變化規(guī)律、采集傳感器信號以及向上位機發(fā)送初步處理后的傳感器信號.

上位機需要實現(xiàn)接收控制箱發(fā)送的傳感器信號，向控制箱發(fā)送控制指令，對傳感器信號進行顯示觀測、存儲及進一步處理分析.

2 測試平臺上位機軟件設(shè)計

2.1 軟件功能設(shè)計

經(jīng)過對測試平臺需求的分析，總結(jié)本上位機軟件所要實現(xiàn)的功能如下：

(1)實現(xiàn)傳感器信號的實時接收

通過對傳感器數(shù)據(jù)量和傳輸速率的計算，要求軟件的采集頻率為1.32 MHz，為方便信號采集，控制箱硬件電路采取了波特率為2 MHz的USB轉(zhuǎn)串口芯片CH340G，無需其他中間采集卡，直接連接電腦USB口進行數(shù)據(jù)采集，因此上位機需要安裝CH340串口驅(qū)動，用COM口進行數(shù)據(jù)采集.

(2)實現(xiàn)接收數(shù)據(jù)的波形顯示

每個傳感器有兩路呈90°相位差的類正弦信號，考慮到實際列車上，冗余布置傳感器實際只使用了其中一對傳感器的信號，其他傳感器則是采用信號對比或者其他故障檢測方式來保證傳感器的正常工作，因此本測試平臺只需實現(xiàn)一對傳感器的仿真測試功能即可.需要采用兩個波形顯示框分別顯示兩個傳感器的信號，同一傳感器的信號用紅綠兩種顏色線條顯示.為方便觀察，波形圖需要定時刷新以觀察傳感器信號動態(tài)變化.

(3)實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的觀測和存儲

在工程測試過程中往往需要對具體數(shù)據(jù)進行觀察，本文在實現(xiàn)波形顯示的同時，擬增加傳感器數(shù)據(jù)實時顯示界面，并添加將傳感器數(shù)據(jù)按一定規(guī)則保存為txt文件的功能.

(4)實現(xiàn)對測試平臺的指令控制

測試平臺的啟停，模擬列車運行速度的更改，模擬列車運行傾斜、俯仰及其他非常規(guī)工況模式等都由上位機來控制，因此需要設(shè)置好上位機的控制邏輯.

(5)實現(xiàn)傳感器的實驗測試、故障診斷和檢測

傳感器的測試、故障診斷與檢測需要檢測算法的支撐，本軟件主要采用基于主元分析的故障檢測與診斷算法在上位機內(nèi)部實現(xiàn)，軟件的界面只需要設(shè)置控制按鈕和顯示標(biāo)識即可.

2.2 軟件框架設(shè)計

本文采用常用的C#作為上位機開發(fā)語言，其簡單明了的控件使用對于軟件開發(fā)非常實用[6].如圖3所示為上位機軟件的設(shè)計框架，采用扁平化界面設(shè)計，讓用戶操作更簡單，具備良好的人機交互體驗.

2.3 監(jiān)視流程設(shè)計

串口通信部分主要用于保證計算機與控制箱硬件電路的有效連接，由于上位機有多個任務(wù)需要同時完成，本文采用多線程編程，將串口監(jiān)視單獨作為一個線程運行，其監(jiān)視流程如圖4所示.

軟件啟動時，UART串口就以0.1 s的周期去檢測是否有串口設(shè)備接入電腦.當(dāng)檢測到串口接入時，讀取接入串口的COM口通道，若有多個串口，則可點擊COM口下拉列表選擇.用戶設(shè)置好波特率、校驗位、停止位、數(shù)據(jù)位后即可打開串口接收傳感器數(shù)據(jù)，上位機會以一定頻率進入COM口緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù).同時，串口也隨時將用戶指令發(fā)送到控制箱電路.

2.4 控制邏輯設(shè)計

由于傳感器運行過程中的數(shù)據(jù)量非常大且連續(xù)不斷，而上位機對數(shù)據(jù)的采集和對控制箱的指令發(fā)送均使用半雙工的USB轉(zhuǎn)串口，無法同時收發(fā)，因此本文設(shè)置了相應(yīng)的控制邏輯來解決沖突，如圖5所示.

圖5中的數(shù)據(jù)接收是一個持續(xù)性過程，而用戶發(fā)送指令相當(dāng)于是一個中斷過程，檢測到用戶發(fā)送指令時，將會停止串口接收數(shù)據(jù)，進行指令發(fā)送.發(fā)送指令時會先發(fā)送一個起始信號，硬件電路收到上位機發(fā)來的指令起始信號時，將會主動停止傳感器數(shù)據(jù)的發(fā)送，等待接收上位機的指令.對于傳感器實驗來說，通常不關(guān)心仿真狀態(tài)切換過程中的數(shù)據(jù)缺失，只關(guān)心固定狀態(tài)下的仿真實驗數(shù)據(jù)，因此指令發(fā)送過程中停止傳感器數(shù)據(jù)接收并不影響傳感器的仿真實驗.

傳感器數(shù)據(jù)具有嚴(yán)格的順序，每個數(shù)據(jù)包有兩個字節(jié)作為包頭，接收到數(shù)據(jù)首先進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，在包頭的前方插入換行符，然后將數(shù)據(jù)依順序顯示至textbox控件中.由于計算機內(nèi)存限制，當(dāng)textbox控件顯示的文檔內(nèi)容過多時，會出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，需要對上位機數(shù)據(jù)定時清除，將textbox控件顯示的數(shù)據(jù)量控制在一定范圍內(nèi)，經(jīng)試驗，將傳感器數(shù)據(jù)量控制在1 000行內(nèi)，在一個運行內(nèi)存4G的筆記本上可以連續(xù)運行保持不卡頓，數(shù)據(jù)量也足以支撐實驗觀測和使用.同時，根據(jù)硬件電路的信號參數(shù)，硬件平臺向上位機軟件發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)幀的頻率是30 kHz，也即是傳感器數(shù)據(jù)幀的采樣頻率，軌道每個齒槽周期長度是86 mm，日常實驗中列車速度最低為5 m/s，此時列車經(jīng)過一個齒槽周期的采樣點數(shù)為：

86÷5×30=516.

(1)

為保證能完整顯示一個周期數(shù)據(jù)，此處設(shè)置為依順序保存到800容量的數(shù)據(jù)點數(shù)組，通過ZedGraph波形顯示控件顯示數(shù)據(jù).當(dāng)速度為最高600 km/h時，經(jīng)過一個齒槽周期的采樣點數(shù)為：

86÷600×30≈15.

(2)

根據(jù)工程要求，當(dāng)列車速度高于上百千米每小時時，僅要求能提供精確的齒槽計數(shù)即可，對于正弦信號，15個點的采樣點足以實現(xiàn)對周期的精確計數(shù).而當(dāng)速度較低時，要求相對位置傳感器提供4 mm以內(nèi)的定位精度，即每個齒槽周期至少要有22個數(shù)據(jù)點，根據(jù)式(2)，當(dāng)速度較低時，采樣點數(shù)遠滿足定位精度要求.因此，本軟件的設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)列車低速的高精度和最高600 km/h速度的仿真和實驗.

通常人眼對60 Hz以上的視覺刷新頻率就會感受到是連續(xù)畫面，本軟件設(shè)置控件每0.01 s自動刷新顯示，使得界面中可以看到實時的波形動態(tài)圖.

傳感器的數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)處理、傳感器檢測均采用獨立的線程運行，不影響上位機數(shù)據(jù)采集和顯示，可以在今后的開發(fā)中不斷優(yōu)化算法和功能.

3 軟件框架設(shè)計

如圖6所示為所實現(xiàn)的測試平臺實物圖，圖中同時對兩個傳感器進行離線測試，高速磁浮列車相對位置傳感器上位機軟件波形和數(shù)據(jù)顯示界面分別如圖7和圖8所示.

圖7和圖8中的波形顯示和數(shù)據(jù)顯示可以相互切換，同時還能實時顯示出傳感器模擬的列車運行速度.波形圖中可以暫停后通過鼠標(biāo)對圖形進行放大和平移等操作，便于對信號的細節(jié)進行觀察.

實驗證明本文設(shè)計的上位機軟件能流暢地進行傳感器數(shù)據(jù)的采集、顯示與控制指令發(fā)送，滿足工程需求，具有良好的用戶使用體驗.

4 結(jié)論

本文針對高速磁浮列車相對位置傳感器測試平臺，基于C#設(shè)計了平臺上位機軟件.測試平臺可使高速磁浮列車相對位置傳感器的實驗、檢測等工作從實際列車上轉(zhuǎn)移到實驗室環(huán)境下進行，并能逼真地模擬傳感器在高速運動列車上工作的場景，有效地降低了高速磁浮列車研發(fā)和檢修成本，提高了列車的安全可靠性.

在保證各項功能需求的前提下，力求軟件的使用方便性、操作簡潔性.目前本軟件僅實現(xiàn)了基本功能，對于傳感器性能測試、故障檢測與診斷、信號分析等只通過簡單的算法進行了實現(xiàn)，下一步還需要融入更有效的算法來實現(xiàn)對傳感器的信號處理，進一步完善測試平臺的信號分析功能.