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摘要：鐵路檢測(cè)儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用光纖陀螺儀完成對(duì)鐵路平順度相關(guān)參數(shù)的采集，使用電壓補(bǔ)償方法解決所采集角度的相對(duì)零點(diǎn)數(shù)據(jù)浮動(dòng)問題，并推導(dǎo)了該方法的計(jì)算過程。實(shí)驗(yàn)表明，該方法達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性得到明顯改善。 引言 鐵路軌道平順度的各項(xiàng)參數(shù)能否滿足鐵路檢測(cè)要求，關(guān)系著行車安全和乘客的舒適度。鐵路檢測(cè)儀是對(duì)鐵路的軌距、水平、軌向、高低等參數(shù)進(jìn)行采集并處理的鐵路軌道檢測(cè)設(shè)備。其中，軌向和高低采集電路的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。本文主要介紹在鐵路檢測(cè)儀中，軌向和高低兩個(gè)參數(shù)采集的硬件和軟件設(shè)計(jì)。 1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 鐵路檢測(cè)儀利用兩個(gè)單軸光纖陀螺儀分別作為軌向和高低兩個(gè)參數(shù)的傳感器，配合硬件電路實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集。陀螺儀是一種角速度傳感器，它具有精度高、響應(yīng)快、抗震動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。隨著其性價(jià)比的提高，目前已經(jīng)在民用領(lǐng)域里得到廣泛應(yīng)用。該檢測(cè)儀中利用兩個(gè)單軸光纖陀螺儀測(cè)量鐵路平順度中軌向和高低的變化。陀螺儀輸出的電壓信號(hào)與角速度具有一定的比例關(guān)系，通過采集電壓信號(hào)推導(dǎo)出角速度，然后再通過積分處理計(jì)算出角度變化，最后根據(jù)鐵路平順度檢測(cè)的一些算法映射出鐵路的軌向和高低兩個(gè)參數(shù)的變化曲線。 
檢測(cè)儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊。數(shù)據(jù)采集模塊包括信號(hào)調(diào)理電路和高速A/D轉(zhuǎn)換電路，其主要功能是完成對(duì)兩路陀螺儀信號(hào)的調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換;數(shù)據(jù)處理模塊主要實(shí)現(xiàn)響應(yīng)采集命令、完成陀螺信號(hào)的積分處理等功能;數(shù)據(jù)傳輸模塊則負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)處理模塊處理后的數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)。上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的接收、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)調(diào)用、數(shù)據(jù)分析以及良好的人機(jī)交互等功能。另外，該系統(tǒng)還要通過數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)與其他數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互等功能。 由于鐵路軌道比較平緩，陀螺儀輸出的信號(hào)較微弱，易受其他噪聲污染而被淹沒，所以前端陀螺儀信號(hào)能否得到妥善處理關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗。下面詳細(xì)介紹系統(tǒng)中陀螺儀信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)。 2 硬件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)選用的陀螺儀信號(hào)輸出電壓范圍為-3～+3 V，在實(shí)際使用中，其輸出電壓在-O.03～+O.03 V之間浮動(dòng)。由于陀螺輸出的信號(hào)較弱，而選用的A/D芯片有效的轉(zhuǎn)換電壓范圍是0～3 V，所以對(duì)陀螺儀輸出信號(hào)放大10倍，并平移1.5 V，這樣就能保證信號(hào)能在A/D芯片有效的信號(hào)采集范圍內(nèi)。設(shè)定陀螺輸出信號(hào)為Vin，進(jìn)入A/D芯片的信號(hào)電壓為Vi，那么就有： Vi=10×Vin+1.5 V 由于Vin輸出電壓信號(hào)很微弱，如果此處平移的1.5 V不夠精確，就會(huì)直接降低陀螺儀信號(hào)的準(zhǔn)確性，因此對(duì)信號(hào)平移電路的設(shè)計(jì)提出了很高的要求。為此電路中采用了ADR433A芯片，盡量保證獲取1.5 V電壓的精度。根據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)的信號(hào)采集電路如圖3所示。A/D轉(zhuǎn)換芯片采用ADS8381。
3 軟件設(shè)計(jì) 3.1 軟件流程
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。系統(tǒng)接收到啟動(dòng)命令后，開始啟動(dòng)系統(tǒng)電路。啟動(dòng)后，系統(tǒng)首先等待采集觸發(fā)信號(hào)。當(dāng)接收到采集觸發(fā)信號(hào)時(shí)，單片機(jī)發(fā)送信號(hào)分別選取兩路A/D芯片工作，A/D芯片分別對(duì)兩路陀螺儀輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。由于選用的A/D芯片的轉(zhuǎn)換速率為580 kHz，能夠在0.18 ms內(nèi)完成100次數(shù)據(jù)采集，實(shí)際上每路陀螺信號(hào)采集50次求平均值，因此可以認(rèn)為兩路信號(hào)是同時(shí)被采集的。然后，單片機(jī)對(duì)采集到的兩組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波、角速度計(jì)算等處理以獲取角度數(shù)值，并把這兩組數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。 3.2 電壓補(bǔ)償推導(dǎo) 陀螺儀在靜止?fàn)顟B(tài)下輸出的電壓信號(hào)為零，當(dāng)陀螺儀的姿態(tài)持續(xù)改變時(shí)，其輸出的信號(hào)也會(huì)隨之改變。基于陀螺儀的這種特性，檢測(cè)儀開始運(yùn)行前默認(rèn)陀螺儀輸出的電壓為0 V，并以平移的1.5 V作為相對(duì)零點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，所采集的軌向和高低數(shù)據(jù)與理論推算值浮動(dòng)較大，針對(duì)這一問題，在該系統(tǒng)中采用電壓補(bǔ)償方法進(jìn)行解決。本文提出了動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償方法，提高了實(shí)際相對(duì)零點(diǎn)精度。在介紹這種方法的推導(dǎo)之前，先說明一些符號(hào)的含義。 SF：標(biāo)度因數(shù)(比例系數(shù))。 Ugyro：陀螺儀輸出信號(hào)電壓。 Ucode：理想狀態(tài)下，A/D轉(zhuǎn)換前獲取電壓轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制編碼。理想狀態(tài)下，P·Ucode=10·Ugyro+1.5 V。 注意：A/D轉(zhuǎn)換前獲取的電壓為陀螺輸出信號(hào)放大10倍且平移1.5 V后的信號(hào)。 Ucode0：實(shí)際測(cè)量條件下，A/D轉(zhuǎn)換前獲取電壓轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制編碼。 ω：陀螺輸出的角速度。ω=Ugyro/SF=(P·Ucode-1.5 V)/(10SF)。
理論上，陀螺儀輸出信號(hào)被放大10倍并平移1.5 V，陀螺輸出的信號(hào)經(jīng)過單片機(jī)處理后上傳給上位機(jī)。連續(xù)狀態(tài)下陀螺儀的角度計(jì)算如下：
以上是理想情況下推導(dǎo)的角度計(jì)算公式，但是根據(jù)實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)情況下每次采集的數(shù)據(jù)會(huì)在一個(gè)常數(shù)上下浮動(dòng)。為了減小電路對(duì)所采數(shù)據(jù)的影響，下面采用動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償方法計(jì)算推導(dǎo)角度。陀螺儀連續(xù)狀態(tài)角度推導(dǎo)：
其中，Ucode0表示靜態(tài)情況下，相對(duì)電壓經(jīng)A/D芯片轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制;Ucode.i表示實(shí)時(shí)采集的電壓經(jīng)A/D芯片轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制;ti表示每次的積分時(shí)間。 4 實(shí)驗(yàn)分析 采用動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償前采集的數(shù)據(jù)如表1所列。
理論上，陀螺在靜止?fàn)顟B(tài)陀螺儀輸出的電壓應(yīng)該為0 V，對(duì)應(yīng)的角度也應(yīng)該為0°，即使考慮到其他干擾影響，采集的數(shù)據(jù)也會(huì)在0°附近浮動(dòng)。但是從表中可以看出，軌向的角度在1.44°浮動(dòng)，高低的角度在2.3°浮動(dòng)。 采用動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償后采集的數(shù)據(jù)如表2所列，表中是兩組起始點(diǎn)開始采集的5個(gè)數(shù)據(jù)。
從表中可以看出，采集的角度在0°附近浮動(dòng)很小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性有了很好的改善，而且其起始點(diǎn)數(shù)據(jù)也比較穩(wěn)定。通過對(duì)檢測(cè)儀相對(duì)零點(diǎn)信號(hào)的多次采集，很好地解決了數(shù)據(jù)的相對(duì)零點(diǎn)不穩(wěn)定問題。 結(jié)語 鐵路檢測(cè)儀中采用兩個(gè)單軸光纖陀螺儀作為鐵路平順度其中兩個(gè)參數(shù)軌向和高低的傳感器，完成對(duì)鐵路軌道平順度的高速、高精度的數(shù)據(jù)采集。同時(shí)，通過與先前采集的數(shù)據(jù)比較分析，采用動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償方法很好地解決了數(shù)據(jù)的相對(duì)零點(diǎn)浮動(dòng)問題，滿足了實(shí)際工程需要。 |
