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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
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。 |
