羅 建， 雷 勇， 安 鴻， 蔣 勇， 黃 昊

（1.四川大學電氣信息學院，四川成都 610065;2.四川制動科技股份有限公司，四川眉山 620010）

基于LabVIEW的UIC重載列車制動試驗數(shù)據(jù)采集與處理

羅 建1， 雷 勇1， 安 鴻2， 蔣 勇2， 黃 昊1

（1.四川大學電氣信息學院，四川成都 610065;2.四川制動科技股份有限公司，四川眉山 620010）

重載列車的制動性能是保證列車安全運行的關鍵問題。為了實現(xiàn)對64路重載列車制動試驗的實時檢測及處理，利用圖形化編程軟件LabVIEW和數(shù)據(jù)采集卡，設計了一個實時壓力數(shù)據(jù)檢測處理系統(tǒng)，系統(tǒng)利用Savitzky-Golay濾波器取得了良好的濾波效果。此外，系統(tǒng)還能對變送器進行自我校正、數(shù)據(jù)分析比較、報表生成和打印等功能。利用LabVIEW進行系統(tǒng)開發(fā)具有很強的靈活性，能較容易地實現(xiàn)系統(tǒng)的各項功能，并使系統(tǒng)具有很強擴展性。

重載列車;LabVIEW;數(shù)據(jù)采集;制動試驗

0 引言

隨著鐵路發(fā)展，開行重載列車是解決鐵路貨物運輸?shù)姆较?，開行重載列車首先遇到的難題是列車制動問題，制動性能是保證列車安全運行的關鍵問題，掌握列車運行的動力學特性，科學分析列車的車輛狀態(tài)、研究不同列車編組型式的機車同步性、列車制動特性等問題，對于提高重載列車的運輸安全性是十分重要的［1-3］。

針對國際鐵路聯(lián)盟(UIC)重載列車制動試驗的數(shù)據(jù)采集，本系統(tǒng)以多功能數(shù)據(jù)采集卡為硬件核心，然后通過USB接口將數(shù)據(jù)傳至上位機，在LabVIEW開發(fā)平臺下，對試驗數(shù)據(jù)進行實時顯示、分析處理和保存，從而實現(xiàn)了對64路UIC重載列車制動壓力試驗數(shù)據(jù)的采集和分析。

1 系統(tǒng)平臺組成及設計

整個壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構框圖如圖1所示，系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成［4-6］。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

由于制動缸壓力通過變送器轉換以后變?yōu)?～20 mA的電流信號，所以需要有相應的數(shù)據(jù)采集卡對變送器的輸出電流進行采集。這里我們選用了一款數(shù)據(jù)采集卡，它包括用于高性能控制和監(jiān)控應用的8條模擬電流輸入通道。該卡具有可編程的±20 mA或0～20 mA輸入范圍，16位分辨率和200 kS/s最大采樣率。同時該卡具有通道至地面的接地雙重隔離屏障(250 Vrms隔離)，實現(xiàn)了良好的安全性和抗擾性。

另外為了配合數(shù)據(jù)采集卡的使用，我們選用了一款USB總線的數(shù)據(jù)采集箱，在本系統(tǒng)中采用數(shù)據(jù)采集箱配合數(shù)采卡使用能夠在25 cm×9 cm×9 cm系統(tǒng)中實現(xiàn)高達64個通道的測試，極大地節(jié)省了系統(tǒng)的測試空間。

3 系統(tǒng)軟件設計

應用軟件的設計主要包括信號的實時采集顯示，數(shù)據(jù)處理和信號的回放等功能。每部分都包括用戶界面和程序功能的設計。由于系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能較多，而功能又相互獨立，為方便程序設計，本文采用了模塊化的編程思想。軟件系統(tǒng)工作流程見圖2。

圖2 系統(tǒng)軟件工作流程

3.1 LabVIEW前面板設計

設計前面板主要將各模塊集成，便于調用。主界面包括采樣參數(shù)設置、實時曲線顯示部分、數(shù)據(jù)分析處理。參數(shù)設置用于上位機和數(shù)據(jù)采集箱之間的通信設置，通過它可對數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率和通道選取進行設置。實時曲線顯示可對采樣曲線進行實時監(jiān)控，方便試驗操作員了解實時信息。數(shù)據(jù)分析處理可對數(shù)據(jù)進行回顯、濾波、打印和報表生成等，方便操作員對試驗曲線進行進一步的分析查看。

(1)系統(tǒng)運行參數(shù)設置主界面(前面板)。如圖3所示。

圖3 參數(shù)設置主界面

(2)系統(tǒng)自調零。由于變送器的有時會出現(xiàn)零點漂移，所以必須經過校正才能夠得到與實際相符合的數(shù)據(jù)。變送器調零可根據(jù)變送器的壓力電流變換公式:

式中:y表示壓力值;x表示電流值;a、b為變換參數(shù)。通過參數(shù)設置可對變送器進行簡單的兩點一線調零。首先讓系統(tǒng)進行空采即制動缸壓力為零時，此時系統(tǒng)的電流值即為零點壓力值，然后讓變送器接入一固定壓力值通道，保存此時采集到的電流值。根據(jù)壓力電流變換公式可以計算出該變送器的變換參數(shù)并進行保存。

3.2 實時曲線采集與顯示

在參數(shù)設置完畢后，系統(tǒng)通過全局變量將參數(shù)設置中的采樣頻率、通道選取，調零參數(shù)等參數(shù)傳送到曲線實時顯示模塊，可對采樣通道和采樣頻率進行后臺設置，通過連續(xù)電流采集程序即可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時采集。在采樣結束后可對曲線進行保存，以便進行曲線分析［7-8］。圖4為數(shù)據(jù)采集顯示與存儲流程圖。

3.3 數(shù)據(jù)分析處理

此外，此模塊還包含了曲線比較功能，通過加載兩組不同的文件就能夠對不同時間內采集到的數(shù)據(jù)進行分析比較，如圖5所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集顯示和數(shù)據(jù)存儲程序流程圖

系統(tǒng)還引入了報表生成功能。LabVIEW報告生成工具包是LabVIEW中的一個專用的功能模塊，它實現(xiàn)了利用Word文檔生成檢測報告的方法［9-10］。通過在指定路徑以“試驗報告”名稱創(chuàng)建并設計一個“文檔模板(* .Dot)”類型的文件，然后在指定路徑以指定名稱創(chuàng)建并設計一個檢測報告生成VI程序，利用該程序便可方便快速自動生成固定格式的專業(yè)試驗報告節(jié)省了大量的試驗數(shù)據(jù)填寫與曲線描繪［11］。

圖5 曲線平移功能

在數(shù)據(jù)分析中，最重要的是濾波功能，由于本系統(tǒng)并未設計專門的硬件濾波電路，軟件濾波對于數(shù)據(jù)的準確性顯得格外重要，系統(tǒng)采用了一種通過移動窗口利用最小二乘法進行最佳擬合的濾波器:Savitzky-Golay濾波器［12-13］，如圖6 所示。

3.4 Savitzky-Golay濾波器在LabVIEW中的實現(xiàn)

Savitzky-Golay濾波器最早是由Savitzky A和Golay M于1964年提出的一種時域內的低通濾波器，后來被廣泛地運用于數(shù)據(jù)流平滑除噪，它是一種在時域內基于多項式，通過移動窗口利用最小二乘法進行最佳擬合的方法。這是一種直接處理來自時間域內數(shù)據(jù)平滑問題的方法，而不是像通常的濾波器那樣先在頻域中定義特性后再轉換到時域［14-15］。

圖6 在信號上使用Savitzky-Golay濾波器的方法

在數(shù)字濾波模塊中，系統(tǒng)根據(jù)實際現(xiàn)場采樣，對數(shù)據(jù)進行了兩種不同的濾波效果分析:巴特沃什濾波和Savitzky-Golay濾波，從圖7的實際濾波效果我們可以明顯發(fā)現(xiàn)Savitzky-Golay濾波器對數(shù)據(jù)進行平滑且具有良好的數(shù)據(jù)平滑效果。當然，在使用Savitzky-Golay濾波器時，應根據(jù)實際采樣數(shù)據(jù)來對濾波窗口的大小和結束進行調整。

圖7 Savitzky-Golay濾波器和巴特沃什低通濾波器瀘波特性對比圖

4 結語

本文利用虛擬儀器技術與信息處理技術，能夠較小的空間內實現(xiàn)了對UIC重載列車制動壓力試驗數(shù)據(jù)的采集，最多能夠同時對64輛列車制動進行檢測。由于系統(tǒng)開發(fā)軟件——LabVIEW具有強大的數(shù)學分析功能，因此利用LabVIEW強大的數(shù)學分析功能就能設計出較為理想的數(shù)字濾波器，它能夠最大幅度地削減系統(tǒng)的硬件成本，而同時又不影響數(shù)據(jù)的濾波效果和分析。另外系統(tǒng)中還加入了曲線平移和曲線截取等功能，這對用戶更好地分析觀察數(shù)據(jù)是十分有利的，系統(tǒng)的報表導出功能可以說是系統(tǒng)的另一大亮點，它為用戶節(jié)約了實驗報告的撰寫時間，體現(xiàn)出系統(tǒng)人性化的一點。同時也體現(xiàn)了現(xiàn)代儀器智能化、虛擬化發(fā)展方向，充分體現(xiàn)了“軟件就是儀器”這一虛擬儀器概念。除此之外，系統(tǒng)還具有良好的嵌套性和可修改性，而系統(tǒng)的這種框圖結構程序對系統(tǒng)的故障調試和軟件的升級是十分方便的。

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Data Acquisition and Processing System of the UIC Heavy Haul Train Braking Test Based on LabVIEW

LUO Jian1，LEI Yong1，AN Hong2，JIANG Yong2，HUANG Hao1
(1.School of Electronic Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China;
2.Brake Technology co.LTD，Meishan 610020，China)

The performance of braking is the key to ensure the safety of thea heavy haul train.In order to realize the real-time data acquisition and processing of the heavy haul train braking test data，a real-time pressure data acquisition system is designed based on graphical programming software:LabVIEW and data acquisition card.Because of By the Savitzky-Golay filter，the system has a good performance in filtering.In addition this data acquisition system can make self-correction on the transmitter，data analysis，printing and generate reports.By using LabVIEW，the system has a strong flexibility，and can be more easy to realize all kinds of functions of the system，and can make the system to be more strong extensibility.

heavy haul train;LabVIEW;data cquisition;braking test

TP 23

A

1006－7167(2014)05－0107－04

2013－07－04

企業(yè)委托:89輛UIC制動機列車靜置試驗臺數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。

羅 建(1988－)，男，四川綿陽人，碩士生，主要從事虛擬儀器實驗、智能監(jiān)測等方面的研究。

Tel.:15882406210;E-mail:412951156@qq.com

雷 勇(1966-)，男，四川內江人，教授，主要從事電工理論與新技術、智能測試及智能控制、機器人等方面的教學與研究。

Tel.:13981797970;E-mail:yong.lei@163.com