數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集鐵軌沿線噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用研究

摘 要：基于DSP技術(shù)的鐵軌沿線噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完成了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和上位機(jī)監(jiān)控界面開(kāi)發(fā)等。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了底層數(shù)據(jù)與云平臺(tái)之間的遠(yuǎn)程通信，采用HTTP協(xié)議完成了數(shù)據(jù)讀取。DSP完成了采集數(shù)據(jù)的預(yù)處理，降低了上位機(jī)壓力，提高了系統(tǒng)整體性能。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)采集精度達(dá)到了0.2級(jí)相對(duì)誤差范圍，滿(mǎn)足工業(yè)設(shè)計(jì)要求。1/3倍頻程和算法處理，得到了分頻最大振級(jí)和Z振級(jí)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可以作為噪音是否超標(biāo)評(píng)判依據(jù)。該噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集精確、運(yùn)行穩(wěn)定和上位機(jī)界面交互友好，可滿(mǎn)足鐵軌沿線環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)需求。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集；鐵軌沿線；噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模噪聲采集裝置的部署，設(shè)計(jì)了一套數(shù)據(jù)采集精度高、價(jià)格低廉、可用性高和適合大區(qū)域鐵軌沿線部署的鐵軌沿線噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2]。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用了OneNet云平臺(tái)技術(shù)，采用了基于TCP/IP的遠(yuǎn)程寬帶網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)噪聲數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)采用了ADS1256芯片完成了A/D轉(zhuǎn)換，噪聲監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采用了DSP數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320VC-5509完成噪聲數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理。該鐵軌沿線噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了噪聲數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)傳輸、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)與實(shí)時(shí)分析和上位機(jī)界面監(jiān)控一體，能夠完成噪聲數(shù)據(jù)信號(hào)是否超標(biāo)監(jiān)測(cè)任務(wù)，具備一定的推廣價(jià)值。

一、噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

鐵軌沿線噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由噪聲數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)匯聚接入與數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)處理云中心和實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)主要通過(guò)TMS320VC5509數(shù)字信號(hào)處理器完成噪聲信號(hào)的采集與處理，數(shù)據(jù)傳輸主要由數(shù)據(jù)匯聚網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)組成。傳輸網(wǎng)絡(luò)將網(wǎng)關(guān)匯聚噪聲數(shù)據(jù)傳送至OneNet云平臺(tái)，完成消息路由、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)。監(jiān)控中心通過(guò)噪聲監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)而研判噪聲數(shù)據(jù)是否超出國(guó)家法定指標(biāo)。

二、噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

鐵軌沿線噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件主要包括了信號(hào)幅值調(diào)理、信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)處理與SRAM存儲(chǔ)模塊和以太網(wǎng)傳輸?shù)?。信?hào)A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換采用了ADS1256進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，它能夠完成精準(zhǔn)的噪聲數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理。數(shù)字信號(hào)處理采用了TMS320VC5509芯片，它能夠完成多總線、流水型的數(shù)據(jù)處理功能。

（一）信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

該模塊的核心任務(wù)是完成電流轉(zhuǎn)換成電壓的電路功能。振動(dòng)傳感器首先將采集的噪聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，然后將電流信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化成便于采集的電壓信號(hào)。電流信號(hào)經(jīng)過(guò)電流放大電路、調(diào)零點(diǎn)電路、差分放大電路和調(diào)量程電路的處理，便完成了電流與電壓的轉(zhuǎn)換過(guò)程[5]。電流檢測(cè)放大電路模塊的主要功能是完成電流信號(hào)不易監(jiān)測(cè)而實(shí)行電壓轉(zhuǎn)成（電壓=UA），調(diào)零點(diǎn)電路模塊主要是完成跟隨電壓UB的輸出，其中UA=UB。調(diào)量程電路主要是完成初始電壓的放大，從而得到放大數(shù)倍的輸出電壓UO。

（二）信號(hào)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理電路輸出的電壓信號(hào)UO通過(guò)電壓分壓輸入端傳送至ADS1256的AIN0端口，高頻噪聲干擾信號(hào)通過(guò)低通濾波RC電路來(lái)進(jìn)行處理。A/D轉(zhuǎn)換通過(guò)ADR4525處理器電路實(shí)現(xiàn)模擬電壓信號(hào)與數(shù)字電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

（三）以太網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)電路設(shè)計(jì)

為了完成數(shù)字電壓信號(hào)的遠(yuǎn)程傳輸，DSP芯片通過(guò)SPI接口與SPI總線實(shí)現(xiàn)了與以太網(wǎng)W5500的通信功能。W5500是基于TCP/IP、10/100M-MAC地址/PHY的硬件結(jié)構(gòu)，能夠滿(mǎn)足DPS大規(guī)模數(shù)據(jù)的吞吐與輸出。為了降低電磁信號(hào)干擾造成數(shù)據(jù)丟失的概率，交換機(jī)與W5500之間搭建了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)壓器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)噪聲傳感器節(jié)點(diǎn)之間的隔離與保護(hù)[7]。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（一）上位機(jī)與下位機(jī)軟件流程設(shè)計(jì)

噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)采用了VS.NET，利用C#程序和HTTP來(lái)實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)數(shù)據(jù)的讀取并根據(jù)噪聲評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)研判噪聲是否超出國(guó)家規(guī)定范圍。

噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的下位機(jī)主要是完成了DSP芯片的數(shù)據(jù)處理功能設(shè)計(jì)。當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在采集噪聲信號(hào)的時(shí)候，若定時(shí)器出現(xiàn)程序中斷，則將噪聲數(shù)據(jù)傳輸至OneNet云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。DPS的程序流程主要包括噪聲數(shù)據(jù)采集、噪聲數(shù)據(jù)算法處理和噪聲處理數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)下位機(jī)DSP系統(tǒng)處理完數(shù)據(jù)之后，需要將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺(tái)。遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)采用了http協(xié)議構(gòu)建POST報(bào)文，利用TCP三次握手連接完成了數(shù)據(jù)傳輸。

（二）DSP數(shù)據(jù)采集

DSP芯片與ADS1256之間是利用SPI總線技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，DSP對(duì)ADS1256的寄存器進(jìn)行配置，配置程序如下：

ADS-1256 Wreg（Status，0x09）;" " ADS-1256狀態(tài)位控制

ADS-1256 Wreg （Mux，0x00）;" " ADS-1256通道開(kāi)啟控制

ADS-1256-Wreg （Adcon，0x08）;" ADS-1256放大器放大倍數(shù)控制

ADS-1256-Wreg （Drate，0x06）;" " ADS-1256數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率控制

（三）算法處理程序

DSP芯片進(jìn)行定時(shí)器初始化操作中，采用了TIM0_Init（）函數(shù)進(jìn)行處理。當(dāng)定時(shí)器設(shè)置的輪轉(zhuǎn)周期結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用voidTIM0_IRQn（void）函數(shù)進(jìn)行噪聲數(shù)據(jù)算法處理[9]。本系統(tǒng)的DSP芯片的Clock頻率值為148MHz，定時(shí)器的輪轉(zhuǎn)周期時(shí)間為：

（1）

其中，F(xiàn)req為DSP芯片的Clock頻率，Period為定時(shí)器的預(yù)設(shè)值。

噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)FTT頻域分析變換方法計(jì)算出4～200Hz和1～80Hz范圍內(nèi)的幅值譜，利用1/3倍頻程譜和Z記權(quán)處理。

四、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能測(cè)試

噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用信號(hào)源的電壓信號(hào)與對(duì)比信號(hào)的振動(dòng)幅值差異，來(lái)判斷該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的性能。噪聲數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)信號(hào)測(cè)試結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，實(shí)際電壓與監(jiān)測(cè)電壓的相對(duì)誤差幅值均小于0.2%。測(cè)試結(jié)果表明，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的精度值達(dá)到了工業(yè)檢測(cè)0.2級(jí)，滿(mǎn)足系統(tǒng)監(jiān)測(cè)要求。