基于DSP的擦伤信号检测系统设计

摘 要：车轮是铁路车辆的主要行走部件，其技术状态好坏直接涉及车辆的运行品质。车轮踏面擦伤是车辆运行过程中的常见故障。采用振动加速度检测原理，设计了一套基于TMS320F2812 DSP为主控芯片的擦伤信号采集与处理系统，能够实现车轮踏面擦伤在线动态检测。提出了系统的检测流程，并实验验证了系统的可行性。

关键词：擦伤；检测；TMS320F2812；ADS8364

中图分类号：TP274 文献标识码：B文章编号：1004373X(2008)1918903

Design of Abrasive Signal Detection System Based on DSP

YANG Guangyu1,LIU Kai2,GAO Xiaorong1,WANG Li1,WANG Zeyong1

(1.Photoelectric Engineering Institute,Southwest Jiaotong University,610031,Chengdu,China;

2.Opertate Department of Xi′an Railway Station,Xi′an,710054,China)

Abstract：Wheel is the cardinal part of the railway vehicle.Its technical behavior affects the vehicle′s performance.It′s a common bug of the abrasion on the wheel′s tread in the vehicle running.The principle of vibrate acceleration detection is used in this paper.An abrasive signal acquisition and process system based on TMS320F2812 is designed.It can implement to detect the abrasion online.The detection flow of the system is presented.And the practicability of the system is certified through experiments.

Keywords：abrasion;detection;TMS320F2812;ADS8364

1 引 言

车轮是铁路车辆行走部的主要部件，其技术状态好坏直接涉及车辆的运行品质，影响列车运行安全。车轮踏面故障是车辆运行过程中的常见故障，其损伤形态主要表现为踏面擦伤及剥离。轮对踏面擦伤的根本原因是列车在制动过程中的制动力大于粘着力，导致车轮踏面在钢轨上滑行，产生剧烈摩擦，严重时就会在踏面上形成扁疤状擦伤。

目前列检对车轮踏面故障的检查，还是主要靠传统的人工检查方法，不易及时发现车轮踏面故障，造成漏检、漏修，又增加工人的劳动强度，延长技校时间。因此，研制一种在线式车轮踏面擦伤检测系统，对列车运行安全具有十分重要的意义。本文在此背景下设计了一套基于振动式加速度原理的擦伤自动检测系统，该系统采用先进的DSP与高速AD相结合，实现了擦伤信号的实时采集与处理，具有较高的经济和使用价值。

2 系统原理及构成

2.1 系统检测原理［2,3］

在列车运行中，是由车轮踏面与钢轨接触向前运行。当踏面上有擦伤时，擦伤处就会与钢轨产生撞击，从而产生一个较大的振动信号。通过在钢轨上安装振动加速度传感器，就可以采集到列车运行过程中的振动信号。再对采集到的数据进行各种时频分析，最终可以检测到车轮是否存在擦伤。

2.2 系统构成［4］

本检测系统主要包括以下几大部分，如图1所示。

(1) 各种传感器及电荷放大器

振动加速度传感器：用来捕捉钢轨的振动加速度信号；

光电开关(光纤传感器)：检测列车是否到来,触发采集子程序高速采集数据，并得到车辆速度；

称重传感器：测量车轮重量；

电荷放大器：将加速度传感器采集到的电荷信号转换并放大为电压信号，供后续部分采集处理。

(2) DSP数据采集处理部分

控制各通道数据采集，A/D转换，数据存储，数据处理以及与上位机的通信等。

(3) 上位机处理及显示部分

接收原始数据及处理结果，作进一步处理，并提供良好的操作界面。

3 DSP硬件系统设计

3.1 DSP主控芯片介绍

本系统中选用了TI公司的TMS320F2812作为系统的控制与处理核心。

TMS320C28x系列是TI公司推出的32位定点DSP芯片。它具有高速数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制能力，特别适用于有大量数据处理的测控场合，如工业自动化控制、电力电子技术应用、智能仪器仪表和电机及马达伺服控制系统等［1］。

TMS320F2812是2000系列中的新产品，它采用高性能的静态CMOS技术,时钟频率可达150 MHz,具有高性能的32 位中央处理器,能在一个周期内完成16×16,32×32的乘法和累加运算。支持32位单位周期指令,其数据地址为32位,程序地址为22位,具有高速的片内数据存储器和程序存储器,可以访问4 GB(16位)的数据空间和4 MB的程序空间。同时还具有丰富的设备，包括串行接口(SPI)、两个串行通信接口(SCIA，SCIB)、改进的局域网接口(eCAN)、多通道缓冲串行接口(McBSP)和串行接口模式，还带有12位的ADC，非常方便设计，可以满足本系统的设计要求。

在本系统选用了TI公司的ADS8364模数转换芯片。该芯片包含6通道模拟信号输入，为16位250 kHz的ADC。它具有转换精度高，转换速度快，功耗低等特点。

3.2 硬件系统实现［7］

在本检测系统中，DSP硬件系统主要完成如下功能：多通道模拟信号采集，A/D转换，数据存储，数据处理，数据通信等。

硬件系统主要包括以下几大部分，如图2所示。

DSP主控芯片：它完成系统的采集控制与数据处理的功能；

前端信号调理电路：完成对输入的模拟信号进行前端滤波以及信号放大等处理；

A/D转换电路：进行模数转换；

存储器扩展电路：用于原始数据的存储；

通信接口电路：完成与上位机的通信；

电源及JTAG调式接口，对系统供电及系统调试。

3.3 DSP检测流程

在DSP检测流程中，主要完成信号的采集、存储、处理和传输等功能。其检测流程如图3所示：首先完成DSP的内部初始化；然后等待列车到来，当有列车到来时，启动AD，触发采集，同时将采集到的数据存储到SRAM中；当采集完成后，将采集到的数据以及处理的结果通过串口传输到上位机进行进一步处理及显示。

4 实验及处理结果

本系统在成都车辆段进行了初步的实验，实验在钢轨的一侧安装了5只振动加速度传感器，当有列车通过采集区时，分别采集同一转向架一侧两个车轮的振动信号。对采集到的信号在Matlab中进行了初步的算法分析与数据处理。由于在实验中，列车车轮的真实擦伤存在较少，故我们在钢轨上放置了一个0.5 mm厚度的垫片来模拟真实擦伤，实验中的原始波形图与处理结果图分别如图4，图5所示。

在图4中共有5个通道的振动信号，每通道的横坐标为时间，纵坐标为振动加速度。从原始波形中可以看出，当车轮经过垫片处，会产生一个较大的振动，在所采集到振动信号的波形上就会表现出一个振动峰值。由于同一转向架一侧有两个车轮，故在波形中看到有两处明显的振动峰值。

图5中，通过对原始波形进行一系列的处理，包括预处理、频谱分析、低通滤波、多重阈值判定、数据分离与截断、剔除邻轮干扰等。最后以单元阵列的形式将同一转向架前后两轮的振动信号分开表示，其中第一行为同一转向架前轮的5通道的处理结果，第二行为后轮5个通道的处理结果。每一行中，第一和第五个通道为辅助判断通道，主要用来判断邻轮干扰，不作为最后结果表示。而二、三、四通道作为主要检测通道，用来表示最后的检测结果。从二、三、四通道可以看出前后两车轮均检测到一处擦伤，而且在三通道上方振动信号最大。这是由于前后两轮均通过垫片处，所以在上下两行都检测并提取出来一个较大的振动信号，而且我们是在三通道上方放置

的垫片，故三通道的振动信号最大。通过以上的分析与

处理证明系统能够检测出车轮擦伤，达到设计要求与目的。

5 结 语

通过前期的大量原理性实验和现场的初步实验，表明本检测系统能够实现车轮踏面擦伤检测功能。DSP在本系统中能够实时地采集车轮振动信号，再通过后续的算法分析与数据处理可以检测出擦伤信号。而且本系统具有安装方便，能够在车速较高的情况下进行检测，可以适用于地铁以及其他正线的安装使用。

参考文献

［1］Texas Instruments Incorporated.

TMS320C28X系列DSP的CPU与外设(上、下)［M］.张卫宁,译.北京:清华大学出版社,2004.

［2］马庆春,倪然,郭丹英,等.DSP技术在列车安全检测系统中的应用［J］.铁道运输与经济,2006,28(3):61-62.

［3］倪然,马庆春,迟宝全,等.车轮踏面擦伤检测技术及数据分析方法［J］.自动化技术与应用,2006,25(5):59-61,70.

［4］芮旃.基于小波变换的实时平轮检测系统［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学,2004.

［5］杨建明.铁路车辆踏面擦伤智能定量检测系统［D］.成都:西南交通大学,2006.

［6］翟婉明.铁路车轮扁疤的动力学效应［J］.铁道车辆,1994(7):1-5.

［7］王肃伟,杨学友.基于DSP的数据采集与处理系统的设计［J］.科学技术与工程,2007,7(15):3 943-3 945,3 949.

［8］TI.TMS320F28x DSP CPU and Instruction Set Reference Guide (Rev.C)［Z］.

［9］TI.TMS320F28x External Interface (XINTF) Reference Guide (Rev.B)［Z］.

［10］TI.TMS320F28x Serial Communications Interface (SCI) Reference Guide (Rev.A)［Z］.

作者简介

杨光宇 男，1983年出生，硕士研究生。主要研究方向为光电检测及数据采集与数字信号处理。