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摘要：

結(jié)合鐵路基礎(chǔ)設(shè)施健康監(jiān)測的特點(diǎn)，從硬件和軟件兩個方面設(shè)計數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)；首先，分析振動傳感器的選用原則和輸出信號的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計；然后，提出利用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的模擬，詳細(xì)論述各個模擬模塊的建立過程；最后利用所屬方法建立用于鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，系統(tǒng)的建立為鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測理論研究提供了方法，為同類型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：

鐵路基礎(chǔ)設(shè)施；監(jiān)測；振動傳感器；數(shù)據(jù)采集

0.引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國鐵路建設(shè)發(fā)展迅猛，取得了良好的經(jīng)濟(jì)與社會效益。隨著鐵路運(yùn)輸速度的迅速提升，再加上其相對方便舒適的環(huán)境和價格上的優(yōu)勢，勢必能吸引越來越多的人選擇鐵路作為他們旅行的交通工具，然而，伴隨著鐵路運(yùn)輸?shù)娘w速發(fā)展給人們帶來的交通上的快捷與方便，車體與鐵軌的振動故障對公共財產(chǎn)及人身安全構(gòu)成了前所未有的威脅。伴隨著我國鐵路立體跨越式的迅猛發(fā)展，輪軌間激擾力與激擾頻率隨著車輛行駛速度的不斷提高，逐漸增大，變寬，結(jié)果會造成電機(jī)等吊掛設(shè)備和車內(nèi)設(shè)備的高頻高幅振動，引起車體設(shè)備振動能量的急速加劇。如果超過了鐵路各設(shè)備所允許的振動強(qiáng)度范圍，未來的工作性能指標(biāo)及使用壽命將會受到過大的動態(tài)載荷和噪聲的嚴(yán)重影響，情況越發(fā)嚴(yán)重會導(dǎo)致零部件的早期失效。當(dāng)前大量事實(shí)表明，在長期作用的情況下，鐵路振動故障可能會導(dǎo)致貨物破損，軌道破壞，列車脫軌等危險情況。為確保鐵路“安全、經(jīng)濟(jì)、快捷、舒適”的特點(diǎn)和優(yōu)勢，鐵路建設(shè)要不斷發(fā)展完善其各項(xiàng)功能，才能在越發(fā)激烈的市場競爭中取得優(yōu)勢，因此，各國都加強(qiáng)了對鐵路振動的檢測及分析，也增加了對其的投入力度。今年我國對鐵路振動檢測領(lǐng)域的人力物力投入有明顯增加，并且研究范圍擴(kuò)展到眾多方面。以往鐵路振動檢測系統(tǒng)只配備在一些重要單位或者要害部門，而在2000年以后，各個鐵路站段及各個振動檢測站點(diǎn)基本都已經(jīng)涉及發(fā)展應(yīng)用到。鐵路振動檢測系統(tǒng)的重要性越來越被人們所認(rèn)可，近些年又不斷完善各項(xiàng)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。為了保證鐵路的運(yùn)輸安全、高效舒適的科學(xué)發(fā)展及以人為本的發(fā)展要求，確保鐵路的優(yōu)勢和特點(diǎn)，如何準(zhǔn)確檢測高速鐵路的振動并判斷故障是擺在鐵路工作者面前不容緩的實(shí)際問題。

1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計方案

本論文用于鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測的振動傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由下位機(jī)系統(tǒng)和上位機(jī)節(jié)點(diǎn)兩個大的部分組成。系統(tǒng)設(shè)計方案的結(jié)構(gòu)框圖下位機(jī)系統(tǒng)里包含了振動傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、IIC實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸模塊、微處理器模塊和電源模塊五個單元。振動傳感器把接收到的振動信號數(shù)字化，通過IIC數(shù)字傳輸方式，將數(shù)據(jù)發(fā)送給微處理器STM32F103ZET6。微處理器作為控制單元，用于接收振動傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析計算，通過RS-232串口通信，運(yùn)用MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片及CH340RS-232串口轉(zhuǎn)USB芯片，實(shí)現(xiàn)了XYZ三軸振動數(shù)值發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行控制顯示。因?yàn)槟壳皞€人電腦上已很少有串口，所以我們使用RS-232串口轉(zhuǎn)USB口芯片CH340G，數(shù)據(jù)可以從USB口進(jìn)入PC上位機(jī)。由于每一個節(jié)點(diǎn)的檢測范圍有限，使用多個這樣的節(jié)點(diǎn)共同檢測則可以擴(kuò)大系統(tǒng)的監(jiān)測范圍，提高系統(tǒng)的整體工作性能。整個鐵路振動檢測系統(tǒng)是由多個下位機(jī)節(jié)點(diǎn)互相協(xié)作共同完成系統(tǒng)功能的。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計思想

本論文的鐵路振動檢測系統(tǒng)是由振動傳感器數(shù)據(jù)采集模塊，IIC實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸模塊，微處理器模塊以及RS-232有線通信模塊和電源模塊組成。振動傳感器數(shù)據(jù)采集模塊對鐵路振動的振動數(shù)據(jù)信號進(jìn)行實(shí)時采集，將采集到的數(shù)據(jù)數(shù)字化，并通過IIC實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸方式與單片機(jī)處理器通信，接著單片機(jī)處理器模塊將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，通過有線通信模塊上傳到上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時顯示及存儲，為鐵路振動故障的判斷提供合理依據(jù)。微處理器中有數(shù)據(jù)處理分析算法的設(shè)計，完成對采集到的實(shí)時振動信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，判斷當(dāng)前得到的振動數(shù)據(jù)是否在鐵路設(shè)備所能產(chǎn)生的振動范圍之內(nèi)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行干擾點(diǎn)剔除，去直流及多項(xiàng)式趨勢項(xiàng)和平滑處理，計算出與自然坐標(biāo)系夾角的角度，使整個鐵路振動檢測系統(tǒng)的性能與數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性得到大幅度提高，很大程度上降低了系統(tǒng)的錯誤上報率。

2.2系統(tǒng)介紹

系統(tǒng)硬件部分可以分為五個部分：振動傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、IIC實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸模塊、微處理器模塊、RS-232有線通信模塊和電源模塊。數(shù)據(jù)采集模塊：由單片機(jī)處理器模塊發(fā)出相應(yīng)的控制指令配置振動傳感器的控制寄存器，內(nèi)部控制寄存器來決定信號的采集速度、通信方式、數(shù)據(jù)輸出格式與帶寬，振動傳感器根據(jù)內(nèi)部控制寄存器的值按要求采集振動信號。實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸模塊：振動傳感器采集的實(shí)時數(shù)據(jù)通過IIC傳輸方式，將數(shù)據(jù)發(fā)送給處理器，為之后的數(shù)據(jù)處理分析奠定了基礎(chǔ)。微處理器模塊：主要工作是通過系統(tǒng)軟件控制數(shù)據(jù)采集模塊完成振動數(shù)據(jù)信號的采集，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，然后控制RS-232有線通信模塊將處理完成的數(shù)據(jù)上傳至PC上位機(jī)進(jìn)行顯示及存儲。該模塊是振動傳感器數(shù)據(jù)采集模塊和RS-232有線通信模塊進(jìn)行聯(lián)系的核心部分。RS-232有線通信模塊：將微處理器模塊處理完畢的數(shù)據(jù)，通過RS-232串口通信的方式傳遞給上位機(jī)，上位機(jī)會自動顯示及存儲數(shù)據(jù)，供振動故障的判斷使用。電源模塊：通過該模塊，將5V外部直流電源轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所使用的3.3V電源。

結(jié)論

本論文設(shè)計了一套鐵路振動檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用下位機(jī)整體檢測模塊PC上位機(jī)整體控制數(shù)據(jù)流向，并對上傳的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示保存。從與傳統(tǒng)檢測方法的比較來看，它能夠更加高效、深入、細(xì)致的對鐵路振動信號進(jìn)行檢測、處理分析及顯示存儲，并為鐵路振動故障的判斷提供可靠依據(jù)。

作者：魯楠 唐嵐 廖若冰 朱加豪 單位：西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院 西華大學(xué)西華學(xué)院

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