鐵路檢測儀中陀螺儀的信號采集電路設計

發(fā)布時(shí)間:2011-3-25 00:13    發(fā)布者:1770309616
  摘要:鐵路檢測儀系統設計中,采用光纖陀螺儀完成對鐵路平順度相關(guān)參數的采集,使用電壓補償方法解決所采集角度的相對零點(diǎn)數據浮動(dòng)問(wèn)題,并推導了該方法的計算過(guò)程。實(shí)驗表明,該方法達到了預期目標,數據穩定性得到明顯改善。

  引言
  鐵路軌道平順度的各項參數能否滿(mǎn)足鐵路檢測要求,關(guān)系著(zhù)行車(chē)安全和乘客的舒適度。鐵路檢測儀是對鐵路的軌距、水平、軌向、高低等參數進(jìn)行采集并處理的鐵路軌道檢測設備。其中,軌向和高低采集電路的設計比較復雜。本文主要介紹在鐵路檢測儀中,軌向和高低兩個(gè)參數采集的硬件和軟件設計。
  1 系統總體設計
  鐵路檢測儀利用兩個(gè)單軸光纖陀螺儀分別作為軌向和高低兩個(gè)參數的傳感器,配合硬件電路實(shí)現這兩個(gè)參數的數據采集。陀螺儀是一種角速度傳感器,它具有精度高、響應快、抗震動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。隨著(zhù)其性?xún)r(jià)比的提高,目前已經(jīng)在民用領(lǐng)域里得到廣泛應用。該檢測儀中利用兩個(gè)單軸光纖陀螺儀測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與角速度具有一定的比例關(guān)系,通過(guò)采集電壓信號推導出角速度,然后再通過(guò)積分處理計算出角度變化,最后根據鐵路平順度檢測的一些算法映射出鐵路的軌向和高低兩個(gè)參數的變化曲線(xiàn)。

  檢測儀的數據采集系統結構框圖如圖1所示。該系統包括數據采集模塊、數據處理模塊和數據傳輸模塊。數據采集模塊包括信號調理電路和高速A/D轉換電路,其主要功能是完成對兩路陀螺儀信號的調理和A/D轉換;數據處理模塊主要實(shí)現響應采集命令、完成陀螺信號的積分處理等功能;數據傳輸模塊則負責把數據處理模塊處理后的數據上傳給上位機。上位機主要實(shí)現采集數據的接收、數據格式轉換、數據存儲、數據調用、數據分析以及良好的人機交互等功能。另外,該系統還要通過(guò)數據傳輸模塊實(shí)現與其他數據采集系統的數據交互等功能。
  由于鐵路軌道比較平緩,陀螺儀輸出的信號較微弱,易受其他噪聲污染而被淹沒(méi),所以前端陀螺儀信號能否得到妥善處理關(guān)系到整個(gè)系統設計的成敗。下面詳細介紹系統中陀螺儀信號采集電路的設計。
  2 硬件設計

  系統數據采集原理如圖2所示。首先對陀螺儀輸出信號進(jìn)行信號濾波、信號放大、信號平移等信號調理措施,然后對調理后的信號進(jìn)行A/D轉換,最后用單片機對信號進(jìn)行采集和處理,并把數據處理結果上傳給上位機進(jìn)行數據顯示等。
  該系統選用的陀螺儀信號輸出電壓范圍為-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較弱,而選用的A/D芯片有效的轉換電壓范圍是0~3 V,所以對陀螺儀輸出信號放大10倍,并平移1.5 V,這樣就能保證信號能在A(yíng)/D芯片有效的信號采集范圍內。設定陀螺輸出信號為Vin,進(jìn)入A/D芯片的信號電壓為Vi,那么就有:
  Vi=10×Vin+1.5 V
  由于Vin輸出電壓信號很微弱,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的準確性,因此對信號平移電路的設計提出了很高的要求。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。根據上述分析,設計的信號采集電路如圖3所示。A/D轉換芯片采用ADS8381。

  3 軟件設計
  3.1 軟件流程

  數據采集系統軟件流程如圖4所示。系統接收到啟動(dòng)命令后,開(kāi)始啟動(dòng)系統電路。啟動(dòng)后,系統首先等待采集觸發(fā)信號。當接收到采集觸發(fā)信號時(shí),單片機發(fā)送信號分別選取兩路A/D芯片工作,A/D芯片分別對兩路陀螺儀輸出數據進(jìn)行A/D轉換。由于選用的A/D芯片的轉換速率為580 kHz,能夠在0.18 ms內完成100次數據采集,實(shí)際上每路陀螺信號采集50次求平均值,因此可以認為兩路信號是同時(shí)被采集的。然后,單片機對采集到的兩組數據分別進(jìn)行數據濾波、角速度計算等處理以獲取角度數值,并把這兩組數據上傳給上位機進(jìn)行后續處理。
  3.2 電壓補償推導
  陀螺儀在靜止狀態(tài)下輸出的電壓信號為零,當陀螺儀的姿態(tài)持續改變時(shí),其輸出的信號也會(huì )隨之改變;谕勇輧x的這種特性,檢測儀開(kāi)始運行前默認陀螺儀輸出的電壓為0 V,并以平移的1.5 V作為相對零點(diǎn)。在實(shí)驗過(guò)程中發(fā)現,所采集的軌向和高低數據與理論推算值浮動(dòng)較大,針對這一問(wèn)題,在該系統中采用電壓補償方法進(jìn)行解決。本文提出了動(dòng)態(tài)電壓補償方法,提高了實(shí)際相對零點(diǎn)精度。在介紹這種方法的推導之前,先說(shuō)明一些符號的含義。
  SF:標度因數(比例系數)。
  Ugyro:陀螺儀輸出信號電壓。
  Ucode:理想狀態(tài)下,A/D轉換前獲取電壓轉換的二進(jìn)制編碼。理想狀態(tài)下,P·Ucode=10·Ugyro+1.5 V。
  注意:A/D轉換前獲取的電壓為陀螺輸出信號放大10倍且平移1.5 V后的信號。
  Ucode0:實(shí)際測量條件下,A/D轉換前獲取電壓轉換的二進(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,陀螺儀輸出信號被放大10倍并平移1.5 V,陀螺輸出的信號經(jīng)過(guò)單片機處理后上傳給上位機。連續狀態(tài)下陀螺儀的角度計算如下:

  以上是理想情況下推導的角度計算公式,但是根據實(shí)驗采集的數據發(fā)現,靜態(tài)情況下每次采集的數據會(huì )在一個(gè)常數上下浮動(dòng)。為了減小電路對所采數據的影響,下面采用動(dòng)態(tài)電壓補償方法計算推導角度。陀螺儀連續狀態(tài)角度推導:

  其中,Ucode0表示靜態(tài)情況下,相對電壓經(jīng)A/D芯片轉換后的二進(jìn)制;Ucode.i表示實(shí)時(shí)采集的電壓經(jīng)A/D芯片轉換后的二進(jìn)制;ti表示每次的積分時(shí)間。
  4 實(shí)驗分析
  采用動(dòng)態(tài)電壓補償前采集的數據如表1所列。

  理論上,陀螺在靜止狀態(tài)陀螺儀輸出的電壓應該為0 V,對應的角度也應該為0°,即使考慮到其他干擾影響,采集的數據也會(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)電壓補償后采集的數據如表2所列,表中是兩組起始點(diǎn)開(kāi)始采集的5個(gè)數據。

  從表中可以看出,采集的角度在0°附近浮動(dòng)很小,數據穩定性有了很好的改善,而且其起始點(diǎn)數據也比較穩定。通過(guò)對檢測儀相對零點(diǎn)信號的多次采集,很好地解決了數據的相對零點(diǎn)不穩定問(wèn)題。
  結語(yǔ)
  鐵路檢測儀中采用兩個(gè)單軸光纖陀螺儀作為鐵路平順度其中兩個(gè)參數軌向和高低的傳感器,完成對鐵路軌道平順度的高速、高精度的數據采集。同時(shí),通過(guò)與先前采集的數據比較分析,采用動(dòng)態(tài)電壓補償方法很好地解決了數據的相對零點(diǎn)浮動(dòng)問(wèn)題,滿(mǎn)足了實(shí)際工程需要。
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