基于DSP的车轮踏面擦伤检测系统的设计

0 引 言

随着电气化铁路在我国的普及，列车已经进入高速度化时代，车轮踏面的擦伤将严重影响车辆与轨道设施的安全和使用寿命。实现自动化检测车轮踏面状况迫在眉睫。随着电子技术的发展，数字信号处理(Digital Signal Processor，DSP)技术取得了巨大的进步，在当今信号处理领域中已占据了主导地位。擦伤振动检测系统采用振动加速度法进行擦伤检测，利用压电式振动加速度传感器将加速度信号转换成电荷量，再通过电荷放大器将电荷量转换成电压信号值传递给DSP进行处理，使用小波分析对采集数据进行处理，最终显示轮位踏面擦伤状况。

1 系统布局与工作原理

振动加速度擦伤检测系统通过检测车轮和铁轨动态接触时发生碰撞产生的振动加速度来判断车轮踏面的状态。图1为振动加速度法的传感器布局图。其中，L1，L2，L3，L4，L5及R1，R2，R3，R4，R5为压电式振动加速度传感器，S1，S2为光电开关。由于压电式振动加速度传感器的输出为电荷信号，可选择使用电荷放大器输出与电荷量成比例的电压信号，在后续的采集电路对此电压信号进行采集与转换时，假设列车从左向右行驶，当车轮行驶到S1处时，光电开关被挡断，产生开启采集数据信号，DSP采集系统对10个传感器输出信号进行采集和存储；当车轮行驶至S2处时，光电开关被挡断，产生停止采集信号，采集系统停止数据采集，保存数据讲行数据处理，显示处理结果。

2 系统硬件设计

利用压电式振动加速度传感器对加速度信号进行检测。采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812作为系统核心，使用片内自带的12位16通道A／D转换器对传感器信号进行采集，因此不再需要另加其他A／D转换芯片，只需对相关引脚进行配置并引出通道引脚即可。扩展RAM存储器用于存储采集数据，同时扩展FLASH存储器用于程序代码的存储；S1，S2光电开关信号作为外部中断送入DSP；与外部主机的通信采用了DSP片内SCI接口实现。系统整体结构如图2所示。

2．1 元件性能介绍

压电式加速度传感器采用型号为YD-12，其主要技术参数如下：电荷灵敏度为1～10．99 pC／ms2；测量加速度范围小于等于2 000 m／s2；电缆电容为135 pF；绝缘电阻为104 MΩ；截止频率和安装频率大于20 kHz。

TMS320F2812是美国TI公司推出的TMS320C28x系列DSP芯片中的一种，该系列芯片是目前国际市场上功能强大的32位定点DSP芯片。它既具有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特别适用于有大批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、智能化仪器仪表及电机、马达伺服控制系统等。

2．2 DSP信号处理流程

软件开发采用TI的DSP集成开发环境CCS 2．0，开发语言采用了C和汇编的混合方式。主程序可分为4个模块，分别为主程序监控模块、SCI通信模块、A／D数据采集模块和中断服务程序模块，软件流程图如图3所示。软件应完成对多通道模拟信号的采集转换，并在收到正确的主机数据传输指令后将其所采集到的数据按一定的格式传送给主机处理。

本设计中DSP的12位旧模数转换器，软件配置为并发采样双序列模式为例进行A／D转换，采用中断读取采集数据。系统初始化完成后即可等待采集中断，采集中断中开启序列1的自动化序列转换，序列1完成转换后触发中断，在序列1的A／D中断处理程序中再开启序列2的自动化序列转换，等待序列2的A／D中断到达时，再在中断处理程序中完成采集数据从结果寄存器到储存器的数据转移。

3 数据处理

由于小波分析的多分辨率特性，对采集到的振动数据分析时主要使用小波分析法，数据处理流程如图4。小波分析方法在对非平稳信号的处理中比傅里叶变换更有优势。与傅里叶变换不同的是，小波变换通过平移母小波获得信号的时间信息，而通过缩放小波的宽度获得信号的频率特性，小波变换在信号低频处有较好的频率分辨力，在高频处有较好的时间分辨力，正是因为小波变换中的时频窗的可变性使得在检测擦伤信号时有更高的准确率。

设ψ(t)∈L2(R)，其傅里叶变换为ψ(ω)，当ψ(ω)满足允许条件时，称ψ(t)为一个基本小波或母小波，将母小波伸缩平移后得到分析小波或称小波序列：

对于任意的函数f(t)∈L2(R)的连续小波变换为：

其重构公式(逆变换)为：

由于采样得到的振动数据与真实的振动信号之间存在零点漂移，因此首先要对数据进行预处理，以消除漂移现象。采集到的振动信号为多频信号，包含车轮踏面擦伤振动波、钢轨共振波、钢轨弹性弯曲变形振动波，以及因踏面本身粗糙不同、车轮材质不同引起的振动波等。经过大量的研究人员检测发现，擦伤