為鐵路諧波干擾的研究搭建一個(gè)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)

　　"通過使用NI PXI平臺(tái)，我們?yōu)橐苿?dòng)牽引單元開發(fā)了一種模塊化、結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)"– Daniel Parra Ramos , Ineco

　　The Challenge:

　　設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它能夠：測(cè)量、監(jiān)控，并抓取各種音頻信號(hào);與其它設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程同步;按照特定的協(xié)議通過多功能車輛總線(MVB)與列車進(jìn)行通信;并且能夠通過管理和處理大量的數(shù)據(jù)來分析軌道網(wǎng)絡(luò)中的諧波干擾。

　　The Solution:

　　開發(fā)一種基于NI PXI硬件平臺(tái)以及NI LabVIEW和DIAdem軟件平臺(tái)的系統(tǒng)來滿足上述的需求并且能夠迅速而有效地生成報(bào)表。

　　Author(s):

　　Daniel Parra Ramos - Ineco

　　Ineco是一家在交通運(yùn)輸行業(yè)有著廣泛經(jīng)驗(yàn)的工程公司。 為了研究諧波在鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面的影響，我們?cè)O(shè)計(jì)開發(fā)了一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它整合了系統(tǒng)要求的所有特性。

　　數(shù)據(jù)采集

　　我們的團(tuán)隊(duì)通常在一個(gè)移動(dòng)牽引單元上收集鐵路的數(shù)據(jù)。對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，我們選擇了NI PXIe-1062Q 8槽的機(jī)箱來將因振動(dòng)而產(chǎn)生的影響降到最低。

　　通過基于PXI硬件平臺(tái)的NI 6123和NI 6120模塊，我們以50,000赫茲的采樣率同步采集了變化的電壓和電流信號(hào)，這使得我們能夠記錄下整個(gè)音頻頻率范圍的信號(hào)。 為了連接這些模塊，我們使用NI TB-2708、TB-2709和TB-2705這三種接線端子來提供前兩個(gè)SMB的連接和最后直接信號(hào)電纜的連接。

　　MVB通信

　　我們需要用一塊MVB協(xié)議的通信卡捕獲不同牽引單元上的不同信號(hào)。 通過使用DLL-specific LabVIEW VI，PXI平臺(tái)和LabVIEW 將整個(gè)機(jī)箱配置為一個(gè)整體，使得數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)卡和應(yīng)用程序之間的傳輸快速而容易。

　　計(jì)算機(jī)同步

　　我們的主要設(shè)計(jì)要求之一是能夠在遠(yuǎn)距離運(yùn)動(dòng)的情況下精確地同步多臺(tái)電腦。

　　為了達(dá)到所需的同步，我們決定用NI PXI-6682定時(shí)和同步模塊與全球定位系統(tǒng)(GPS)達(dá)到同步。 該模塊化的設(shè)備能夠很好的適應(yīng)我們的系統(tǒng)集成，可以很容易融入到整個(gè)應(yīng)用程序中，實(shí)現(xiàn)更精確地設(shè)備同步。

　　GPS 用戶界面

　　為了形象化的顯示鐵路上測(cè)試點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的位置， 我們通過連接在PXI-6682上的天線接收GPS坐標(biāo)信號(hào)，并將坐標(biāo)發(fā)送給集成了Google Earth的用戶界面。我們通過3G連接到Google Earth(谷歌地球)，假如該地點(diǎn)沒有信號(hào)覆蓋，我們就使用已經(jīng)緩存好的軟件地圖代替。

圖1. 通過GPS同步的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　應(yīng)用程序

　　我們用LabVIEW開發(fā)了應(yīng)用程序， 因?yàn)樗軌蚝苋菀椎貙⒌母鞣N不同的硬件模塊集成，具有強(qiáng)大的圖形化的開發(fā)環(huán)境，并提供了一種可視化的編程環(huán)境。

　　這個(gè)應(yīng)用程序被設(shè)計(jì)成能夠在兩種完全不同的環(huán)境里運(yùn)行：第一種是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、監(jiān)控和實(shí)時(shí)處理;第二種是長時(shí)間的數(shù)據(jù)采集，這個(gè)過程完全自動(dòng)(沒有任何人的干預(yù))，并且是在一個(gè)不間斷電源(UPS)的支持下。

　　我們將這個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分成三個(gè)主要模塊。

　　初始化

　　在初始化模塊中，我們的基本參數(shù)有探針使用的數(shù)量、MVB的通信參數(shù)，火車的類型和型號(hào)以及各種顯示控件(例如與驅(qū)動(dòng)單元)的通訊和狀態(tài)的驗(yàn)證。

　　電壓、電流和GPS

　　這個(gè)模塊是負(fù)責(zé)配置以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，這些數(shù)據(jù)來自連接到計(jì)算機(jī)的不同的傳感器和GPS信號(hào)。如果應(yīng)用程序正在以實(shí)時(shí)分析模式運(yùn)行，那么該部分還執(zhí)行信號(hào)處理的任務(wù)，例如信號(hào)濾波、均方根值運(yùn)算、阻抗、速度計(jì)算以及結(jié)果顯示。

　　MVB變量

　　這個(gè)模塊負(fù)責(zé)建立MVB通信，通過使用LabVIEW call functions VI調(diào)用在ANSI C中開發(fā)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(dll)來實(shí)現(xiàn)。這些變量也要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)記錄和顯示。

　　這些模塊通過定時(shí)循環(huán)保持同步。計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間是通過NI 6682模塊提供的GPS時(shí)間實(shí)現(xiàn)同步的。

　　為了實(shí)現(xiàn)記錄過程的自動(dòng)化，我們通過NI-6120模塊發(fā)送一個(gè)模擬信號(hào)給UPS(不間斷電源)。這個(gè)信號(hào)是一個(gè)讓UPS斷開的命令，這樣它就進(jìn)入了待機(jī)模式。然后PXI就可以安全的關(guān)閉了，這樣可以防止數(shù)據(jù)丟失。

     圖2. 在LabVIEW中 監(jiān)測(cè)MVB變量

　　數(shù)據(jù)管理和處理

　　我們需要一個(gè)解決方案來快速地管理大量的數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)濾波，在時(shí)域和頻域分析數(shù)據(jù)，并且可以生成自動(dòng)化腳本。所以，我們使用NI DIAdem數(shù)據(jù)管理軟件來滿足這些要求。

　　                                                      圖3. 由DIAdem腳本產(chǎn)生的數(shù)據(jù)

       結(jié)論

　　采用NI PXI平臺(tái)，我們?yōu)橐苿?dòng)牽引單元開發(fā)了一種模塊化、結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。我們選擇了LabVIEW作為開發(fā)環(huán)境，因?yàn)槠渲庇^的圖形化開發(fā)特性、靈活、易于通過MVB協(xié)議集成和維護(hù)。DIAdem數(shù)據(jù)管理軟件通過自動(dòng)使用腳本報(bào)告節(jié)省了我們的數(shù)據(jù)處理時(shí)間和精力。

　　隨著NI軟件和硬件所提供的集成效果不斷的發(fā)展和完善，我們可以很容易地更新，以適應(yīng)可能發(fā)生在鐵路部門的系統(tǒng)級(jí)的改變。