在機車橫向振動信號模數(shù)轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用

齊文達(dá)

（廣西軍區(qū)75475部隊 廣西 防城港 538037）

列車在運行過程中橫向存在著多種運動形式的組合，在曲線上既有所要濾除的橫向離心加速度信號，又有需要的列車本身的橫向振動信號。為了消除各種隨機振動對控制上所需的橫向加速度信號的影響，必須對加速度傳感器測出的信號進行濾波處理，由于加速度傳感器測得的是模擬信號，在對信號進行數(shù)字濾波前，必須進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。DSP具有強大的運算能力，TMS320LF2407 DSP模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊帶內(nèi)置采樣/保持（S/H）的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC，多達(dá)16個的模擬輸入通道，具有自動排序的能力，轉(zhuǎn)換的通道都可通過編程來選擇，可單獨訪問的16個結(jié)果寄存器（RESULT0—RESULT15）用來存儲轉(zhuǎn)換結(jié)果，多個觸發(fā)源可以啟動AD轉(zhuǎn)換。共有單排序和雙排序兩種工作模式，每一種模式有連續(xù)的自動排序模式和啟動/停止模式，本論文選用的TMS320LF2407 DSP集成的ADC。

1 機車橫向振動信號采集與采樣頻率的確定[1-3]

機車每個轉(zhuǎn)向架配置2套減震系統(tǒng)，2個加速度傳感器，每個傳感器測得2路振動信號，在通過A/D轉(zhuǎn)化、數(shù)字濾波、每個傳感器獲得的兩路信號分別矢量相加后獲得橫向振動控制信號，分別為兩個減振系統(tǒng)提供控制信號。車體橫向振動的頻率范圍為1～4 Hz，頻帶較窄，這個頻率帶是影響人體感受舒適度的頻帶。列車過曲線時的離心加速度信號范圍的頻率僅為0.078 Hz，隨著列車運行速度的提高，其頻率將增大，但不會超過0.5 Hz，根據(jù)國內(nèi)外的相關(guān)資料，截止頻率應(yīng)在0.5～1 Hz之間。據(jù) 《中華人民共和國鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》TB/T 2360-93鐵道機車動力學(xué)性能實驗鑒定方法及評定標(biāo)準(zhǔn)，測量的加速度信號通過截止頻率為40 Hz的低通濾波器，滿足采樣定理：ωs≥2ωmax，采樣頻率可以取 100 Hz。

2 TMS320LF2407 ADC模塊在A/D轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用

從控制原理上可以看出，需要對4路信號同時采樣（一個傳感器采集兩路信號），進行信號數(shù)字信號處理后，再輸出控制信號。但是TMS32DLF2407的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC）是順序采樣，并不是并行采樣[4]。那就要具體判斷，順序采樣能否限制在誤差范圍內(nèi)，如果達(dá)不到要求，就要進行并行A/D轉(zhuǎn)換芯片的擴展。仔細(xì)考慮，合理安排4路采樣的順序，只要盡可能對一個傳感器輸出的兩路信號采樣間隔在允許的范圍內(nèi)就可以。

2.1 A/D轉(zhuǎn)換的設(shè)計

10 位的A/D轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時間為500 ns，所以相鄰兩路轉(zhuǎn)換時間上也就是相差A(yù)/D這個時間。1，2，3，4路信號可以合理安排，因為每個轉(zhuǎn)向架上有一個加速度傳感器，每個加速度傳感器輸出的一對信號在A/D轉(zhuǎn)換后進入控制器內(nèi)進行濾波，積分，矢量相加等信號處理，最終經(jīng)D/A轉(zhuǎn)化后作為控制信號輸出。所以安排第一個傳感器占用第一和第二A/D轉(zhuǎn)換通道，第二個傳感器占用第三和第四通道。

完全可以結(jié)合采樣頻率（本系統(tǒng)設(shè)定為100 Hz）人為控制連續(xù)4路的A/D轉(zhuǎn)換情況，使每兩路信號的采樣限制在最小時間范圍內(nèi)，再用時間控制程序安排在4路采樣結(jié)束和重新開始之間，這樣以滿足每路采樣頻率達(dá)到100 Hz，有如圖1所示的示意圖。

圖1 A/D轉(zhuǎn)換示意圖Fig.1 A/D converter schematic

若干命令時間是指每進行完一次周期采樣后讀取結(jié)果寄存器（RESULTn）的幾個結(jié)果的命令和初始化相關(guān)A/D轉(zhuǎn)換寄存器命令所需的時間。加大時間控制程序運行時間可以使同一傳感器兩路檢測信號之間轉(zhuǎn)換的時間差達(dá)到最小，即為了減少不同步轉(zhuǎn)換造成的誤差達(dá)到最小，使其滿足系統(tǒng)采樣頻率的要求。

2.2 ADC模塊的寄存器

ADC模塊的寄存器[5]包括ADC控制寄存器ADCTRL1/2、最大轉(zhuǎn)換通道數(shù)寄存器MAXCONV、通道選擇排序控制寄存器CHSELSEQ1/2/3/4、轉(zhuǎn)換結(jié)果緩沖寄存器RESULT0-15。

1）ADC控制寄存器ADCTRLn的設(shè)置。

①它的8-11位ACQPS3-ACQPS0是采樣時間選擇位，這幾位決定了ADC時鐘的預(yù)定標(biāo)系數(shù)。為了減小采樣通道之間的時間，把ACQPS3-ACQPS0均設(shè)置成0，這樣采樣時間為 2×（本控制器采用的 CPU為30 MHz）。

②7位CPS是轉(zhuǎn)換時鐘預(yù)定標(biāo)位。在此設(shè)置該位為0，轉(zhuǎn)換時鐘FCLK=CLK/1，CLK為CPU的時鐘頻率。

③6位CONT RUN是連續(xù)轉(zhuǎn)換位，這一位決定排序器工作在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式或者啟動/停止模式。在啟動/停止模式下，排序器必須復(fù)位使排序器指針指到CONV00，針對采樣頻率的確定，采用啟動/停止模式，該位設(shè)置為0。

④位SEQ ACSC是級連排序器工作方式位。由于本程序設(shè)計采樣4路信號，可以用雙排序工作模式。該位設(shè)置為0。

總之，其他位設(shè)置為默認(rèn)方式，這時*ADCTRL1=0x0050。軟件啟動SEQ1，所以*ADCTRL2=0x2000。

2）最大轉(zhuǎn)換通道數(shù)寄存器MAXCONV寄存器設(shè)置，0-6位決定了一次自動轉(zhuǎn)換最多轉(zhuǎn)換的通道個數(shù)。由于對SEQ1進行操作，所以應(yīng)該對MAX CONV0-2位賦值，由于是4路信號，所以*MAX CONV=0x04。

3）轉(zhuǎn)換結(jié)果緩沖寄存器RESULT0-3。是緩存轉(zhuǎn)換結(jié)果的，不需要設(shè)置。

4）*CHSELSEQ1=0x3210。

2.3 采樣與誤差分析

分析如下[6]：

1）每一路采樣周期=4×ADC轉(zhuǎn)換周期+若干命令時間+時間控制程序時間。從這一公式可以看出每一路采樣頻率是一定的，均可設(shè)置到固定的100 Hz。在這個公式中可以看出，能改變的只是ADC轉(zhuǎn)換周期和時間控制程序時間，而ADC轉(zhuǎn)換時間和時間控制程序時間是此消彼長的關(guān)系。但是要想減少由于不并行處理帶來的誤差就要減少ADC轉(zhuǎn)換周期，這樣ADC轉(zhuǎn)換周期減少，等待循環(huán)時間就必須增加了。

2）由于系統(tǒng)需要的采樣頻率是100 Hz，也就是說采樣周期為10 ms，而每相鄰兩路轉(zhuǎn)換時間間隔最少僅為500 ns，所以這個時間和10 ms相比是微不足道的。再者，由于有用信號是1～4 Hz的低頻信號，采樣到的信號還要經(jīng)過濾波，本系統(tǒng)是連續(xù)采樣不連續(xù)輸出，對積分結(jié)果平均再輸出誤差不顯著。所以，本系統(tǒng)完全可以用TMS320LF2407 DSP集成的A/D轉(zhuǎn)換芯片。

3 結(jié) 論

通過對DSP ADC模塊進行軟件編程，實現(xiàn)不同的采樣頻率，使A/D轉(zhuǎn)換能夠完全滿足控制系統(tǒng)的要求，給系統(tǒng)硬件設(shè)計帶來了很大的便利性，具有其他控制器不可比擬的優(yōu)勢。

[1]丁問司.機車橫向半主動控制液壓減振器研究[D].北京：清華大學(xué)，2003.

[2]余泊.DSP在振動信號采集與分析中的應(yīng)用[J].測控技術(shù)，1998（5）：7-9.

YU Bo.DSP signal acquisition and analysis of vibration in the application[J].Control Technology ，1998（5）：7-9.

[3]蔣紅梅.計算機控制系統(tǒng)中采樣周期的確定[J].工業(yè)控制計算機，2005（18）：5-8.

JIANG Hong-mei.The computer control system to determine the sampling period [J].Industrial Control Computer，2005（18）：5-8.

[4]劉和平.TMS320LF240X DSP C語言開發(fā)應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[5]黃英哲.TMS320C2407原理與C語言控制應(yīng)用實習(xí) [M].武漢：中國水利水電出版社，2003.

[6]蘇濤.實時信號處理系統(tǒng)設(shè)計[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.