列車軸溫信號仿真發(fā)生器設(shè)計與實現(xiàn)

張 勇，劉志華

（烏魯木齊鐵路局車輛檢測所，烏魯木齊830011）

車輛軸溫智能探測系統(tǒng)（簡稱THDS）是發(fā)現(xiàn)車輛熱軸、防止熱切軸、保證鐵路運輸安全的重要設(shè)施，是提高運輸效率的重要保障。烏魯木齊鐵路局車輛檢測所負責THDS設(shè)備的安裝和大、中修工作，管內(nèi)THDS設(shè)備主要由HZT系列探測系統(tǒng)和HTK系列探測系統(tǒng)組成，為了更好地完成大、中修工作，我們設(shè)計了列車軸溫信號仿真發(fā)生器（以下簡稱發(fā)生器），主要負責設(shè)備的大、中修工作完成以后的動態(tài)拷機工作。

發(fā)生器有以下幾個特點：

（1）兼容HZT系列和HTK系列的軸溫探測設(shè)備，只需要在液晶人機界面設(shè)置好設(shè)備廠家類型，就可以在兩個設(shè)備廠家的設(shè)備上面使用，做到了一機兩用，節(jié)省購買發(fā)生器的成本。

（2）使用基于SEED-DEC2812模板進行軟硬件設(shè)計，該模板具有以下幾個主要特點：

a.模板的主芯片采用TMS320F2812，CPU主頻為150 MHz。

b.片內(nèi)128 k×16 bit高速Flash。

c. 18 k×16 bit零等待SRAM。

d. 12路單端模擬輸入，輸入電平：±10 V～±5 V，分辨率是16 bit，采樣率為250 k。

e. 4路單端模擬輸出，輸出電平：±10 V～±5 V,分辨率是16 bit，建立時間是10 μs。

f. 4×4鍵盤，信號4線掃描輸出，4線回讀輸入，信號電平3.3 V～5 V。

g. LCD接口，信號：8 bit數(shù)據(jù)線，3 bit地址線，2個片選信號。

（3）采用SEED-DEC2812模板作為系統(tǒng)核心，充分發(fā)揮DSP 2系列芯片強大的數(shù)據(jù)處理能力和良好的擴展性，完成了發(fā)生器的軟硬件設(shè)計和人機界面設(shè)計。

（4）發(fā)生器設(shè)計了多種幅度的仿真軸溫波形，可以產(chǎn)生符合各種熱判標準的仿真軸溫波形，設(shè)備廠家生產(chǎn)的發(fā)生器一般都是產(chǎn)生固定幅度的方波信號作為仿真軸溫波形，不符合軸溫探測系統(tǒng)的要求。

1 磁頭和軸溫信號的相對時序

為了產(chǎn)生仿真軸溫信號，根據(jù)軸溫探測系統(tǒng)的工作原理設(shè)計了磁頭信號與軸溫信號的相對位移過程，為了使用數(shù)字信號處理器（DSP）編程處理，關(guān)鍵在于把相對位移過程轉(zhuǎn)化成相對時間過程，要完成這個轉(zhuǎn)換，需要根據(jù)列車時速設(shè)計時間基準，計算出時間基準以后，就可以把相對位移過程轉(zhuǎn)化成相對時間過程，過程轉(zhuǎn)換如圖1和圖2，假定列車時速是80 km，時間單位是ms，HTK系列磁頭信號與軸溫信號的相對時序過程和HZT系列相似，主要區(qū)別在2#和3#磁頭極性，以及安裝距離和軸溫信號的極性，下面只討論HZT系列的轉(zhuǎn)換過程。

圖1 HZT系列磁頭信號與軸溫信號的相對位移過程

圖2 HTK系列磁頭信號與軸溫信號的相對位移過程

2 轉(zhuǎn)換過程

為了產(chǎn)生精確的模擬信號，需要根據(jù)車速計算時鐘基準，假設(shè)列車時速是80 km，換算成每秒通過的距離是：（80*1 000）/3 600=22.22（m/s），那么時速80 km列車通過1 mm的距離需要的時間是1/（22.22*1 000）=45（uS）；250 mm距離轉(zhuǎn)化成時間250*45=11.25 ms，根據(jù)時鐘基準把磁頭信號與軸溫信號的相對位移過程轉(zhuǎn)化為相對時間過程，如圖3。

圖3 80km時速下HZT系列磁頭信號與軸溫信號的相對時間過程

3 磁頭和軸溫信號仿真波形的編制（以HZT系列為例）

以HZTl系列為例，磁頭波形接近于正弦波形，可以采用公式法產(chǎn)生，以產(chǎn)生HZT系列的360點磁頭波形為例。

SEED-DEC2812模板的D/A輸出是16 bit，D/A數(shù)據(jù)的范圍是0～0xFFFF，D/A是雙極性輸出，0～0x7FFF對應(yīng)的輸出為負極性輸出，0x8000～0xFFFF，對應(yīng)的為正極性輸出。

采用C語言編程，程序如下：

#define pi 3.14159

int sin_tab[360] ;

void main()

{

int i;

for(i=0;i<360;i++) sin_tab[i] =(int)(32767*sin(2*pi*i/360)+32767;

}

軸溫信號波形較為復(fù)雜，不易用公式描述，可以采用數(shù)字示波器采集并處理后將其復(fù)現(xiàn)，數(shù)字示波器TDS1012可以將屏幕上面采集的波形存儲為BMP位圖，還可以將示波器采集到的波形保存為CSV文件，具體采集實現(xiàn)過程從略。

4 列車位置數(shù)據(jù)的編制

發(fā)生器中列車數(shù)據(jù)的編制分為2個部分：磁頭位置數(shù)組的編制；軸溫信號位置數(shù)組的編制。

磁頭和軸溫波形位置的數(shù)據(jù)編制主要依靠列車的編組和車型數(shù)據(jù)來編制，機車示意圖如圖4。

貨車示意圖如圖5。

圖4 機車磁頭和軸溫信號位置數(shù)據(jù)示意圖

圖5 貨車磁頭和軸溫信號位置數(shù)據(jù)示意圖

其他列車編組里面的車型按照這個方法就可以編制出來，把列車編組里面所有車輛的磁頭位置數(shù)據(jù)定義成磁頭位置數(shù)組，軸溫信號的位置數(shù)據(jù)組合起來定義成軸溫位置數(shù)組，兩個數(shù)組就組合成了整列車的數(shù)據(jù)，數(shù)組的大小由列車編組的數(shù)量決定，可以修改編組數(shù)量和列車編組中車輛的類型。文中介紹的列車編組是22輛96軸，包括機車1臺，鐵道部檢測車和鐵路局檢測車各1輛，各種貨車19輛。

根據(jù)圖4和圖5可以編制出磁頭位置數(shù)據(jù)數(shù)組，機車磁頭位置數(shù)組為{2 675，2 000，2 000，7 900，2 000，2 000，2 675}，后面連接的貨車的磁頭位置數(shù)組為{1 504，1 700，7 500，1 700，1 504}，如果列車編組為1臺機車加1輛貨車，則磁頭位置數(shù)組為{2 675，2 000，7 900，2 000，2 000，4 179（2 675+1 504），1 700，7 500，1 700}，軸溫位置數(shù)組只需要在磁頭位置數(shù)組每項數(shù)值后面加340就可以了，這樣，只需要按照車速計算出通過1 mm所需要的時間基準，用數(shù)組里面的數(shù)據(jù)乘以時間基準就把位置轉(zhuǎn)化成相對時間，就可以在DSP程序里面按照指定的位置使用4路D/A產(chǎn)生磁頭和信號波形了。

5 DSP軟件設(shè)計

DSP軟件流程見圖6。

6 樣機的研制結(jié)果及分析

根據(jù)以上的敘述，我們使用CCS2.1軟件開發(fā)系統(tǒng)，在SEED-DEC2812模板上開發(fā)出了發(fā)生器，與HZT2000系列探測系統(tǒng)聯(lián)機測試，系統(tǒng)接車熱軸報警畫面如圖7。

發(fā)生器產(chǎn)生的模擬軸距文件輸入到探測系統(tǒng)，產(chǎn)生的軸距報表如圖8。從模擬軸距文件可知，其符合設(shè)計要求。不過HZT2000軸距是以分米作為單位顯示的，沒有精確地顯示出軸距。

發(fā)生器產(chǎn)生的模擬列車編組為22輛，第21輛和第22輛為鐵道部紅外檢測車和鐵路局紅外檢測車的軸距，為兩個8軸特種車，發(fā)生器里面編入這兩個特種車，主要是為了驗證中修后的探測系統(tǒng)能否正確判別紅外檢測車，如果誤判或者漏軸漏列都會影響到聯(lián)檢的結(jié)果。

圖6 DSP軟件流程圖

7 結(jié)束語

研制結(jié)果表明，發(fā)生器能夠正確地產(chǎn)生磁頭和軸溫信號的仿真波形，可以動態(tài)檢測軸溫探測設(shè)備的整體性能，工作穩(wěn)定，達到了設(shè)計要求，隨著軸溫探測技術(shù)的發(fā)展，在今后的工作中還需不斷完善發(fā)生器的工作性能，提高發(fā)生器的兼容性，更好地為設(shè)備檢修服務(wù)。

圖7 系統(tǒng)接車熱軸報警圖

圖8 產(chǎn)生軸距報表圖

[1] 張雄偉. DSP芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用[M] . 2版. 北京：電子工業(yè)出版社，2001，3.