基于DSP的車輪踏面擦傷檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0 引 言

隨著電氣化鐵路在我國(guó)的普及，列車已經(jīng)進(jìn)入高速度化時(shí)代，車輪踏面的擦傷將嚴(yán)重影響車輛與軌道設(shè)施的安全和使用壽命。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)車輪踏面狀況迫在眉睫。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理(Digital Signal Processor，DSP)技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步，在當(dāng)今信號(hào)處理領(lǐng)域中已占據(jù)了主導(dǎo)地位。擦傷振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)采用振動(dòng)加速度法進(jìn)行擦傷檢測(cè)，利用壓電式振動(dòng)加速度傳感器將加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電荷量，再通過(guò)電荷放大器將電荷量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)值傳遞給DSP進(jìn)行處理，使用小波分析對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終顯示輪位踏面擦傷狀況。

1 系統(tǒng)布局與工作原理

振動(dòng)加速度擦傷檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)車輪和鐵軌動(dòng)態(tài)接觸時(shí)發(fā)生碰撞產(chǎn)生的振動(dòng)加速度來(lái)判斷車輪踏面的狀態(tài)。圖1為振動(dòng)加速度法的傳感器布局圖。其中，L1，L2，L3，L4，L5及R1，R2，R3，R4，R5為壓電式振動(dòng)加速度傳感器，S1，S2為光電開(kāi)關(guān)。由于壓電式振動(dòng)加速度傳感器的輸出為電荷信號(hào)，可選擇使用電荷放大器輸出與電荷量成比例的電壓信號(hào)，在后續(xù)的采集電路對(duì)此電壓信號(hào)進(jìn)行采集與轉(zhuǎn)換時(shí)，假設(shè)列車從左向右行駛，當(dāng)車輪行駛到S1處時(shí)，光電開(kāi)關(guān)被擋斷，產(chǎn)生開(kāi)啟采集數(shù)據(jù)信號(hào)，DSP采集系統(tǒng)對(duì)10個(gè)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)；當(dāng)車輪行駛至S2處時(shí)，光電開(kāi)關(guān)被擋斷，產(chǎn)生停止采集信號(hào)，采集系統(tǒng)停止數(shù)據(jù)采集，保存數(shù)據(jù)講行數(shù)據(jù)處理，顯示處理結(jié)果。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

利用壓電式振動(dòng)加速度傳感器對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812作為系統(tǒng)核心，使用片內(nèi)自帶的12位16通道A／D轉(zhuǎn)換器對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行采集，因此不再需要另加其他A／D轉(zhuǎn)換芯片，只需對(duì)相關(guān)引腳進(jìn)行配置并引出通道引腳即可。擴(kuò)展RAM存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)，同時(shí)擴(kuò)展FLASH存儲(chǔ)器用于程序代碼的存儲(chǔ)；S1，S2光電開(kāi)關(guān)信號(hào)作為外部中斷送入DSP；與外部主機(jī)的通信采用了DSP片內(nèi)SCI接口實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2．1 元件性能介紹

壓電式加速度傳感器采用型號(hào)為YD-12，其主要技術(shù)參數(shù)如下：電荷靈敏度為1～10．99 pC／ms2；測(cè)量加速度范圍小于等于2 000 m／s2；電纜電容為135 pF；絕緣電阻為104 MΩ；截止頻率和安裝頻率大于20 kHz。

TMS320F2812是美國(guó)TI公司推出的TMS320C28x系列DSP芯片中的一種，該系列芯片是目前國(guó)際市場(chǎng)上功能強(qiáng)大的32位定點(diǎn)DSP芯片。它既具有數(shù)字信號(hào)處理能力，又具有強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特別適用于有大批量數(shù)據(jù)處理的測(cè)控場(chǎng)合，如工業(yè)自動(dòng)化控制、電力電子技術(shù)應(yīng)用、智能化儀器儀表及電機(jī)、馬達(dá)伺服控制系統(tǒng)等。

2．2 DSP信號(hào)處理流程

軟件開(kāi)發(fā)采用TI的DSP集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS 2．0，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言采用了C和匯編的混合方式。主程序可分為4個(gè)模塊，分別為主程序監(jiān)控模塊、SCI通信模塊、A／D數(shù)據(jù)采集模塊和中斷服務(wù)程序模塊，軟件流程圖如圖3所示。軟件應(yīng)完成對(duì)多通道模擬信號(hào)的采集轉(zhuǎn)換，并在收到正確的主機(jī)數(shù)據(jù)傳輸指令后將其所采集到的數(shù)據(jù)按一定的格式傳送給主機(jī)處理。

本設(shè)計(jì)中DSP的12位舊模數(shù)轉(zhuǎn)換器，軟件配置為并發(fā)采樣雙序列模式為例進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，采用中斷讀取采集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)初始化完成后即可等待采集中斷，采集中斷中開(kāi)啟序列1的自動(dòng)化序列轉(zhuǎn)換，序列1完成轉(zhuǎn)換后觸發(fā)中斷，在序列1的A／D中斷處理程序中再開(kāi)啟序列2的自動(dòng)化序列轉(zhuǎn)換，等待序列2的A／D中斷到達(dá)時(shí)，再在中斷處理程序中完成采集數(shù)據(jù)從結(jié)果寄存器到儲(chǔ)存器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。

3 數(shù)據(jù)處理

由于小波分析的多分辨率特性，對(duì)采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù)分析時(shí)主要使用小波分析法，數(shù)據(jù)處理流程如圖4。小波分析方法在對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)的處理中比傅里葉變換更有優(yōu)勢(shì)。與傅里葉變換不同的是，小波變換通過(guò)平移母小波獲得信號(hào)的時(shí)間信息，而通過(guò)縮放小波的寬度獲得信號(hào)的頻率特性，小波變換在信號(hào)低頻處有較好的頻率分辨力，在高頻處有較好的時(shí)間分辨力，正是因?yàn)樾〔ㄗ儞Q中的時(shí)頻窗的可變性使得在檢測(cè)擦傷信號(hào)時(shí)有更高的準(zhǔn)確率。

設(shè)ψ(t)∈L2(R)，其傅里葉變換為ψ(ω)，當(dāng)ψ(ω)滿足允許條件時(shí)，稱ψ(t)為一個(gè)基本小波或母小波，將母小波伸縮平移后得到分析小波或稱小波序列：

對(duì)于任意的函數(shù)f(t)∈L2(R)的連續(xù)小波變換為：

其重構(gòu)公式(逆變換)為：

由于采樣得到的振動(dòng)數(shù)據(jù)與真實(shí)的振動(dòng)信號(hào)之間存在零點(diǎn)漂移，因此首先要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以消除漂移現(xiàn)象。采集到的振動(dòng)信號(hào)為多頻信號(hào)，包含車輪踏面擦傷振動(dòng)波、鋼軌共振波、鋼軌彈性彎曲變形振動(dòng)波，以及因踏面本身粗糙不同、車輪材質(zhì)不同引起的振動(dòng)波等。經(jīng)過(guò)大量的研究人員檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，擦傷信號(hào)處于振動(dòng)信號(hào)的低頻部分，一般在2 500 Hz以下，因此處理過(guò)程中采用小波包分解一重構(gòu)法對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，有效地保證了信號(hào)的完整性。

車輪踏面擦傷必然引起采樣信號(hào)幅值的突變，對(duì)采樣數(shù)據(jù)使用離散二進(jìn)小波快速算法，計(jì)算所得的小波系數(shù)中，突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)了二進(jìn)小波變換后細(xì)節(jié)系數(shù)模的極大值，而這些極值點(diǎn)也對(duì)應(yīng)了擦傷振動(dòng)發(fā)生的時(shí)刻。在過(guò)去的數(shù)據(jù)處理中，往往是根據(jù)大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)確定一個(gè)普遍適用的閾值，即在一個(gè)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)中使用同一個(gè)閾值。首先找出大于閾值的奇異點(diǎn)，然后再做下一步判斷?？紤]到檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)過(guò)往車輛因車速、車量、檢測(cè)環(huán)境有所不同，因此傳感器的測(cè)量結(jié)果也會(huì)不同，同一個(gè)閾值可能適用于一種環(huán)境的檢測(cè)，但不能適用于另一種環(huán)境的檢測(cè)，如果還使用同一個(gè)閾值必然會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果的不可靠。觀察數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是哪種環(huán)境，如果車輪踏面存在擦傷，擦傷產(chǎn)生的幅值較大，這種較大的幅值在整個(gè)測(cè)量信號(hào)中占的比例較小，所以可以通過(guò)計(jì)算細(xì)節(jié)系數(shù)的直方圖，以出現(xiàn)概率較小的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)的幅值為閾值處理數(shù)據(jù)，這樣就實(shí)現(xiàn)了不同的采樣數(shù)據(jù)根據(jù)自身數(shù)據(jù)的特點(diǎn)得到不一樣的判斷閾值，從而加大了判斷的準(zhǔn)確度。

圖5中給出兩組不同采樣信號(hào)的直方圖(信號(hào)均來(lái)自成都車輛段現(xiàn)場(chǎng)采集)，在Matlab中經(jīng)過(guò)程序計(jì)算得到閾值，圖5(a)中信號(hào)的閾值為1．56，圖5(b)信號(hào)的閾值為4．43?？梢?jiàn)，信號(hào)本身特性的不同，所得到的閾值也不一樣。

4 實(shí)際檢測(cè)結(jié)果

該檢測(cè)系統(tǒng)在成都車輛段安裝進(jìn)行正確性試驗(yàn)，由檢測(cè)到的實(shí)際過(guò)車數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)處理完成后的顯示結(jié)果與實(shí)際列車狀態(tài)的對(duì)比表明，基于DSP的列車踏面擦傷檢測(cè)系統(tǒng)可以有效地檢測(cè)出車輪踏面狀態(tài)。在驗(yàn)證系統(tǒng)的性能時(shí)，首先是使用榔頭在軌道上敲擊產(chǎn)生振動(dòng)，檢驗(yàn)算法處理是否能夠準(zhǔn)確地分辨出敲擊點(diǎn)，然后進(jìn)行的實(shí)際過(guò)車數(shù)據(jù)采集，并將檢測(cè)結(jié)果與列車的實(shí)際狀況進(jìn)行比對(duì)。圖6(a)是在敲擊軌面三次采集到的原始數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)中有明顯的三個(gè)峰值。圖6(b)是檢測(cè)的結(jié)果。可見(jiàn)，該算法準(zhǔn)確地捕獲了三次敲擊。圖7(a)為采集的實(shí)際過(guò)車數(shù)據(jù)，圖7(b)是相應(yīng)的檢測(cè)結(jié)果。從結(jié)果中看到，產(chǎn)生該振動(dòng)的車輪踏面存在一處擦傷。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于DSP的設(shè)計(jì)方案所形成的踏面擦傷檢測(cè)系統(tǒng)充分利用數(shù)字信號(hào)處理的優(yōu)點(diǎn)，具有檢測(cè)速度快，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)容量大等特點(diǎn)，采用了適合分析非平穩(wěn)信號(hào)的小波變換的方法檢測(cè)擦傷點(diǎn)，并且在處理過(guò)程中充分利用了數(shù)據(jù)本身的統(tǒng)計(jì)特性，通過(guò)計(jì)算直方圖達(dá)到自適應(yīng)閾值的目的，而且系統(tǒng)最終可以由擦傷點(diǎn)判別擦傷輪位，方便了工作人員的檢修工作。