軌道動(dòng)靜結(jié)合快速檢測多源數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

陳小宇 ，汪 歆 ，武瑞宏 ，任曉春 ，鄧 川

（1.華中師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430079；2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043）

0 引言

多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的高精度同步采集是軌道動(dòng)靜結(jié)合檢測系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-3]。軌道動(dòng)靜結(jié)合檢測系統(tǒng)是以慣性測量系統(tǒng)為核心測量單元，并輔以全站儀、GPS、軌距、傾角、里程計(jì)、軌枕識(shí)別等多類高精度傳感器，實(shí)現(xiàn)鐵路軌道幾何尺寸的快速檢測。隨著高鐵的迅猛發(fā)展，列車的速度不斷提高，在列車提速的同時(shí)，會(huì)對鐵軌造成更大的傷害，鐵路軌道會(huì)發(fā)生形變、磨耗等現(xiàn)象，而軌道結(jié)構(gòu)的各個(gè)部件產(chǎn)生的形變都會(huì)直接或間接影響列車運(yùn)營的平穩(wěn)性和安全性[4-9]。由于軌道動(dòng)靜結(jié)合快速檢測系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測量模式，測量速率快，采樣頻率高，大量多源數(shù)據(jù)需要同步采集、處理與存儲(chǔ)，并實(shí)時(shí)上傳至控制中心，用于后續(xù)綜合解算，因此，對多源數(shù)據(jù)采集模塊提出了更高的性能需求[10]。針對上述問題，本文設(shè)計(jì)了一套軌道動(dòng)靜結(jié)合快速檢測多源數(shù)據(jù)采集模塊，該模塊以FPGA 為主控芯片，利用高穩(wěn)晶振、結(jié)合GPS 輸出的PPS 脈沖建立高精度時(shí)間基準(zhǔn)，通過控制AD 采樣頻率實(shí)現(xiàn)位移傳感器、溫度傳感器、激光位移傳感器等多傳感器數(shù)據(jù)的高精度實(shí)時(shí)同步采集[11-12]，將采集的數(shù)據(jù)通過USB 實(shí)時(shí)傳輸至Jetson TX2[13]，進(jìn)行融合處理后，實(shí)現(xiàn)鐵軌幾何尺寸、形變及磨損的快速檢測。

1 總體設(shè)計(jì)方案

總體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。為減小體積、便于安裝和維護(hù)，將整個(gè)系統(tǒng)分為FPGA 核心板、接口板、GPS 轉(zhuǎn)接板和電源板四個(gè)子模塊。FPGA 核心板采用Xilinx 公司的Artix-7 系列FPGA 為主控制芯片[14-15]，通過高穩(wěn)晶振和GPS 轉(zhuǎn)接板輸出的PPS 脈沖和NEMA 數(shù)據(jù)建立高精度時(shí)間基準(zhǔn)，充分發(fā)揮FPGA 高速并行的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)對接口板上慣導(dǎo)、編碼器、位移傳感器、溫度傳感器、激光位移傳感器等多傳感器數(shù)據(jù)同步采集控制；并以NVIDIA 公司的Jetson TX2 作為數(shù)據(jù)處理融合中心，TX2通過千兆網(wǎng)接口可以與上位機(jī)通信，接收上位機(jī)發(fā)送的控制指令，通過串口與FPGA 核心板上的FPGA 芯片通信，F(xiàn)PGA 同步采集的各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)通過USB 傳輸模塊上傳至TX2，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、融合和存儲(chǔ)；電源板上集成高效率的DC/DC 轉(zhuǎn)換模塊和電源轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)高效電源轉(zhuǎn)換，可以為各個(gè)模塊提供供電電源，為整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)硬件核心電路設(shè)計(jì)

2.1 FPGA 核心板設(shè)計(jì)

FPGA 核心板框圖如圖2 所示，作為整個(gè)軌道動(dòng)靜結(jié)合快速檢測多源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心部件，該子模塊主要完成千兆網(wǎng)、USB 3.0、HDMI 等高速信號(hào)接口的處理、A/D 轉(zhuǎn)換控制及數(shù)據(jù)傳輸、高精度時(shí)間基準(zhǔn)建立、IMU 數(shù)據(jù)同步采集[16]、編碼器數(shù)據(jù)同步采集等核心任務(wù)，通過接插件與接口板對扣連接。

圖2 FPGA 核心板框圖

2.1.1 主控芯片的選型

選擇Xilinx 公司的Artix-7 系列FPGA 作為主控芯片，該芯片提供了行業(yè)最低的系統(tǒng)成本和功耗，Artix-7 器件在單個(gè)成本優(yōu)化的FPGA 中提供了最高性能功耗比結(jié)構(gòu)、收發(fā)器線速、DSP 處理能力以及AMS 集成。綜合考慮邏輯數(shù)量、I/O 口數(shù)量、RAM 數(shù)量、乘法器數(shù)量、封裝、功耗要求以及供貨渠道與價(jià)格因素，選擇XC7A35T-1CSG324I 型號(hào)作為主控芯片，該型號(hào)在多種通用邏輯和DSP 應(yīng)用中優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了最低成本和功耗，滿足設(shè)計(jì)要求。該芯片詳細(xì)參數(shù)如表1 所示。

表1 FPGA 性能參數(shù)信息表

2.1.2 時(shí)間基準(zhǔn)的建立

由于高穩(wěn)晶振短期穩(wěn)定性好，GPS 輸出的PPS 秒脈沖長期精度高，采用GPS 輸出的PPS 脈沖對高溫晶振進(jìn)行馴化，建立高精度的時(shí)間基準(zhǔn)。系統(tǒng)的晶振電路圖如圖3 所示。高穩(wěn)石英晶振所選型號(hào)為7N-10.000MBP，頻率為10 MHz，其頻率穩(wěn)定誤差20 年內(nèi)穩(wěn)定在±4.6 ppm。

圖3 晶振電路圖

采用DS1302 為模塊提供初始時(shí)間，其電路如圖4所示。

圖4 計(jì)時(shí)芯片電路圖

啟動(dòng)時(shí)，讀取DS1302 的時(shí)間作為系統(tǒng)初始時(shí)間，外部高穩(wěn)石英晶振的輸出信號(hào)被FPGA 中的鎖相環(huán)捕捉，F(xiàn)PGA 將對信號(hào)進(jìn)行累加作為系統(tǒng)的參考時(shí)鐘，同時(shí)抓取GPS 輸出的PPS 脈沖信號(hào)上升沿作為絕對整秒的開始，在連續(xù)檢測到兩個(gè)PPS 脈沖時(shí)，將上一PPS 對應(yīng)時(shí)間加一秒進(jìn)行授時(shí)，同時(shí)清零FPGA 內(nèi)部累加計(jì)數(shù)器，這樣保證了FPGA 內(nèi)部脈沖與GPS 的PPS 秒脈沖信號(hào)邊沿對齊，實(shí)現(xiàn)兩者的時(shí)間統(tǒng)一。在GPS 信號(hào)穩(wěn)定時(shí)，F(xiàn)PGA 通過串口接收并解析GPS 的GPRMC 格式數(shù)據(jù)包，每隔半小時(shí)將解析出的時(shí)間信息寫入DS1302 中，確保下次系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)初始時(shí)間的準(zhǔn)確性。

2.2 接口板設(shè)計(jì)

接口板如框圖5 所示，接口板作為FPGA 核心板和傳感器連接的中間部件，主要完成各傳感器數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)理、電平轉(zhuǎn)換、A/D 轉(zhuǎn)換等功能，并將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通過兩排排插連接至FPGA 核心板的FPGA 芯片，由FPGA 芯片根據(jù)設(shè)定的時(shí)間間隔，完成各傳感器數(shù)據(jù)的同步采集。

圖5 接口板框圖

2.2.1 ADC 采集模塊

位移傳感器、激光位移傳感器和溫度傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后送入AD7689，AD7689 是16 位4/8通道的電荷再分配逐次逼近寄存器型（SAR）模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用單電源VDD 供電，吞吐速率為250 kS/s。AD7689 使用SPI 接口實(shí)現(xiàn)配置寄存器的寫入和轉(zhuǎn)換結(jié)果的接收，SPI 接口使用單獨(dú)的電源VIO，它被設(shè)定為主機(jī)邏輯電平，其功耗與吞吐速率成正比。FPGA 通過該芯片采集位移傳感器、激光位移傳感器和溫度傳感器的數(shù)據(jù)。其電路設(shè)計(jì)如圖6 所示。

圖6 ADC 數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換電路

2.2.2 傳感器信號(hào)調(diào)理電路

由于位移傳感器、激光位移傳感器和溫度傳感器輸出模擬信號(hào)的幅值可能各不相同，而AD7689 可接受輸入的電壓范圍為0～4.096 V，因此上述傳感器輸出的模擬信號(hào)不能直接輸入至A/D 轉(zhuǎn)換芯片，需要將這些模擬信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理為A/D 可接受的模擬信號(hào)輸入并保證這些模擬信號(hào)幅值的統(tǒng)一。圖7 所示為某一路位移傳感器的信號(hào)調(diào)理電路。

圖7 位移傳感器信號(hào)調(diào)理電路

2.2.3 USB 電路設(shè)計(jì)

采用CY7C68013 芯片作為USB 傳輸控制芯片，F(xiàn)PGA 通過16 位并行接口與該芯片連接，將采集的多傳感器同步數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成USB 協(xié)議后，傳輸至TX2。電路如圖8 所示。

圖8 USB 電路設(shè)計(jì)原理圖

2.3 GPS 轉(zhuǎn)接板設(shè)計(jì)

GPS 板卡電路設(shè)計(jì)如圖9 所示。

圖9 GPS 板卡電路圖

其功能是將GPS模塊安裝在該電路板上，并且完成GPS模塊輸出的PPS 信號(hào)和NEMA 信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA 通過接口板與PPS 和UART 口連接，讀取GPS 的NEMA 數(shù)據(jù)，結(jié)合PPS 信號(hào)和高穩(wěn)石英晶振，在FPGA 內(nèi)部建立高精度的時(shí)間基準(zhǔn)。

2.4 電源板設(shè)計(jì)

電源板框圖如圖10 所示，其功能是接收+12 V電源輸入，通過電源轉(zhuǎn)換模塊和電源轉(zhuǎn)換芯片，變換出多路+24 V、+12 V、+5 V 電源，為各子模塊和傳感器提供可靠的供電電源。

圖10 電源板框圖

3 FPGA 軟件設(shè)計(jì)

3.1 FPGA 主控制模塊程序設(shè)計(jì)

FPGA 采用Xilinx 公司的Artix-7 系列芯片XC7A35T-1CSG324I，開發(fā)環(huán)境為Xilinx 的Vivado，F(xiàn)PGA 程序框圖如圖11 所示。整個(gè)程序采用Verilog HDL 語言開發(fā)，采用模塊化設(shè)計(jì)。

圖11 多傳感器數(shù)據(jù)采集同步控制流程圖

FPGA 主控制模塊程序設(shè)計(jì)主要包括高精度時(shí)間基準(zhǔn)建立模塊、A/D 轉(zhuǎn)換控制、串口收發(fā)模塊、編碼器計(jì)數(shù)及辨向模塊和FIFO 及USB 控制模塊。FPGA 通過SPI 接口控制16 位AD7689 轉(zhuǎn)換芯片，啟動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)換，讀取轉(zhuǎn)換后的位移傳感器、傾角傳感器和溫度傳感器的數(shù)據(jù)以及對應(yīng)的采樣時(shí)刻；串口收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)FPGA 和串口的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。系統(tǒng)使用多個(gè)串口，串口1 實(shí)現(xiàn)FPGA和TX2 的數(shù)據(jù)交互，F(xiàn)PGA 通過該串口接收TX2 發(fā)送的指令，啟動(dòng)系統(tǒng)工作或停止，反饋查詢結(jié)果；FPGA 通過串口2 接收慣導(dǎo)的數(shù)據(jù)；串口3 實(shí)現(xiàn)FPGA 和GPS 之間的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，接收GPS 發(fā)出的NEMA 數(shù)據(jù)；編碼器計(jì)數(shù)及辨向模塊對兩路編碼器發(fā)出的脈沖進(jìn)行正反計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)兩路編碼器位置的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)；FIFO 及USB 控制模塊是對Cypress 公司USB 轉(zhuǎn)換芯片CY68013 進(jìn)行控制，將采集到的多傳感器數(shù)據(jù)打包后，寫入到FIFO 緩存，USB 控制模塊控制FIFO 中的數(shù)據(jù)，向CY68013 寫入，從而實(shí)現(xiàn)多傳感器同步后的數(shù)據(jù)從FPGA 到TX2 的上傳。

3.2 A/D 采集模塊程序設(shè)計(jì)

A/D 采集模塊在FPGA 程序設(shè)計(jì)上，使用三段式狀態(tài)機(jī)，設(shè)置空閑、初始化、等待、數(shù)據(jù)讀取4 個(gè)狀態(tài)。ad_en為使能信號(hào)，ad_done 為掃描結(jié)束的標(biāo)志位，采集頻率freq 是由一個(gè)分頻模塊輸出固定頻率的脈沖實(shí)現(xiàn)，將freq 信號(hào)延遲2.5 μs 后輸出作為轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀取的啟動(dòng)時(shí)鐘。當(dāng)工控機(jī)發(fā)送系統(tǒng)開始工作指令后，將ad_en 置為高電平，A/D 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，直到工控機(jī)發(fā)送系統(tǒng)停止工作指令后，將ad_en 置為低電平，A/D 停止數(shù)據(jù)采集；當(dāng)讀取的通道編號(hào)為最后一個(gè)通道時(shí)，置高ad_done 標(biāo)志位，啟動(dòng)一次A/D 同步數(shù)據(jù)的FIFO 寫入操作，即將年月日、時(shí)分秒微秒、5 個(gè)通道數(shù)據(jù)按照協(xié)議設(shè)計(jì)寫入FIFO 緩沖器。AD 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖12 所示，各模塊邏輯接口示意圖如圖13 所示。

圖12 A/D 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

圖13 A/D 邏輯接口示意圖

4 主要性能測試

軌道動(dòng)靜結(jié)合快速檢測多源數(shù)據(jù)采集模塊核心板和接口板如圖14 所示。經(jīng)反復(fù)測試驗(yàn)證，目前電路板硬件運(yùn)行良好，F(xiàn)PGA 控制程序穩(wěn)定，能夠按照設(shè)定的時(shí)間間隔，完成慣性測量系統(tǒng)、GPS、里程編碼器、位移傳感器、激光位移傳感器、溫度傳感器等多種傳感器的同步控制及數(shù)據(jù)采集，TX2 上的采集軟件工作正常，上位機(jī)能夠通過網(wǎng)絡(luò)接口向TX2 下發(fā)控制指令，讀取TX2 采集存儲(chǔ)的多傳感器數(shù)據(jù)，為后續(xù)研究工作的開展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖14 電路板實(shí)物圖

4.1 調(diào)理電路仿真分析

位移傳感器、激光位移傳感器和溫度傳感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理放大電路輸入至A/D 可以接受的信號(hào)幅值，圖15 為某一路位移傳感器信號(hào)調(diào)理仿真圖，圖16 為信號(hào)帶寬圖。

圖15 某一路位移傳感器信號(hào)放大圖

圖16 某一路位移傳感器信號(hào)帶寬圖

從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)位移傳感器輸入的模擬信號(hào)幅值由0 V 增大到10 V 時(shí)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理之后輸出的幅值為0 V 到4 V，在A/D 可接受幅值范圍內(nèi)，其截止帶寬頻率大約為6 kHz，可有效濾除噪聲。

4.2 傳感器數(shù)據(jù)采集

慣導(dǎo)輸出為RS422 接口，在接口板上轉(zhuǎn)換為3.3 V 電平信號(hào)后，輸入至FPGA，由FPGA 讀取慣導(dǎo)的數(shù)據(jù)。兩路編碼器均輸出為RS422 接口，在接口板上轉(zhuǎn)換為3.3 V電平信號(hào)后，輸入至FPGA，由FPGA 通過計(jì)數(shù)器記錄編碼器數(shù)據(jù)。傾角傳感器輸出為RS232 接口，在接口板上轉(zhuǎn)換為3.3 V 電平信號(hào)后，輸入至FPGA，由FPGA 讀取傾角傳感器的數(shù)據(jù)。FPGA 通過AD7689 采集位移傳感器、激光位移傳感器和溫度傳感器的數(shù)據(jù)。FPGA 將采集到的IMU、編碼器和傾角傳感器的數(shù)據(jù)以及FPGA 讀取AD 采集到的數(shù)據(jù)一起打包后通過USB 傳輸模塊傳輸至TX2 數(shù)據(jù)處理單元，其中TX2 采集并存儲(chǔ)同步板傳輸過來的原始數(shù)據(jù)，如圖17 所示。

圖17 TX2 采集并存儲(chǔ)的多傳感器原始數(shù)據(jù)圖

TX2 通過上層軟件把采集到的多傳感器原始數(shù)據(jù)按照既定的格式解析出來，得到的解析后的數(shù)據(jù)如圖18所示，其中每一列的數(shù)據(jù)所代表的含義如圖19 所示。根據(jù)陀螺和加速度的零偏、標(biāo)度因素等參數(shù)即可解算出精確的實(shí)際數(shù)據(jù)。

圖18 TX2 解析原始數(shù)據(jù)后的數(shù)據(jù)圖

圖19 解析后的數(shù)據(jù)格式圖

4.3 慣導(dǎo)傳感器數(shù)據(jù)采集分析

慣性測量單元是根據(jù)三個(gè)方向的加速度計(jì)和陀螺儀組成，通過對加速度及和陀螺儀的測量值進(jìn)行積分解算來得到當(dāng)前位置的姿態(tài)信息。圖20 為一段時(shí)間獲取的加速度計(jì)數(shù)據(jù)圖，圖21 為陀螺儀數(shù)據(jù)圖。

圖20 慣導(dǎo)加速度計(jì)數(shù)據(jù)圖

圖21 慣導(dǎo)陀螺儀數(shù)據(jù)圖

從測試結(jié)果分析，在系統(tǒng)初始靜止的時(shí)候，IMU 的加速度計(jì)X、Y 軸的加速度在0 附近，Z 軸的加速度則在重力加速度g 左右。

4.4 檢測偏差重復(fù)性分析

結(jié)合軌道線路的名稱、檢測設(shè)備、日期范圍、里程范圍和線路的速度等級(jí)，以此來確定檢測偏差的重復(fù)次數(shù)，如果檢測偏差重復(fù)次數(shù)較多，可以判定為該區(qū)域?qū)儆谫|(zhì)量薄弱的路段，需要對該路段及時(shí)進(jìn)行改良。圖22為軌道橫向偏差重復(fù)性波形圖，圖23 為軌道垂向偏差重復(fù)性波形圖。

圖22 軌道橫向偏差重復(fù)性波形圖

通過分析橫向和垂向偏差重復(fù)性波形圖可知，橫向偏差范圍在4 mm 以內(nèi)，垂向偏差范圍在7 mm 以內(nèi)，由此可知該路段鐵軌質(zhì)量良好，在其允許誤差范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套軌道動(dòng)靜結(jié)合快速檢測多源數(shù)據(jù)采集模塊，以FPGA 為主控芯片，以TX2 為處理單元，利用高穩(wěn)晶振結(jié)合GPS 輸出的PPS 脈沖建立高精度的時(shí)間基準(zhǔn)，通過FPGA 控制AD 轉(zhuǎn)換芯片的采樣時(shí)間，實(shí)現(xiàn)位移傳感器、激光位移傳感器、溫度傳感器等傳感器數(shù)據(jù)的同步采集，并將對應(yīng)時(shí)刻的慣性導(dǎo)航單元、GPS、編碼器、傾角傳感器等傳感器的數(shù)據(jù)打包，通過USB 傳輸模塊上傳至TX2 進(jìn)行數(shù)據(jù)解析、融合處理及存儲(chǔ)。測試結(jié)果表明，軌道動(dòng)靜結(jié)合快速檢測多源數(shù)據(jù)采集模塊的時(shí)間同步精度達(dá)微秒級(jí)，并具有體積小、安裝方便、功耗低等一系列的優(yōu)點(diǎn)，很好地滿足了軌道動(dòng)靜結(jié)合快速檢測系統(tǒng)的要求。

圖23 軌道垂向偏差重復(fù)性波形圖