王出航，陳 思

(長春師范大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130032)

1 研究背景

隨著我國鐵路進(jìn)入高速時代，平穩(wěn)性和舒適性成為人們關(guān)注的焦點，而輪軌力測量是評價這兩者的重要方法之一[1]。輪軌力測量也是軌道車輛動力學(xué)測試的重要內(nèi)容，其反映了軌道車輛的脫軌機(jī)理。目前輪軌力測量主要通過連續(xù)測量作用在測力輪上的橫向和垂向力，信號采集通過集流環(huán)獲取應(yīng)變片傳感器的應(yīng)變信號，放大和處理后傳輸給上位機(jī)[2]。但這種方法在傳輸數(shù)據(jù)過程中會引入噪聲，影響測量精度，劉慶杰[3]提出了基于集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解與小波變換相結(jié)合的方法來去噪。為了進(jìn)一步提高測量精度，張冉佳[4]提出了基于遺傳算法優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輪軌力精確預(yù)測方法。此外，輪軌力測量也得到了廣泛應(yīng)用，田光榮[5]通過利用測量的輪軌力數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對鐵路貨車運行狀態(tài)準(zhǔn)確評價。祖宏林[6]通過分析測量的輪軌力，對高速鐵路軌道狀態(tài)進(jìn)行有效的評估。以上輪軌力測量都通過有線方式傳輸，存在布線復(fù)雜、不便于檢查維修等缺點[7]。于是，基于列車安全性、測量精確性和設(shè)備便攜性的要求，無線測量技術(shù)的應(yīng)用顯得尤為迫切。通過無線通信技術(shù)可以降低投資成本，數(shù)據(jù)連通性強(qiáng)，有較強(qiáng)的系統(tǒng)魯棒性。且無線通信技術(shù)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，以網(wǎng)絡(luò)方式訪問。隨著FPGA在微弱和高精度信號采集中的應(yīng)用[7-8]，其設(shè)計靈活、可靠性高、速度快以及可驗證等優(yōu)勢在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域得到了完全體現(xiàn)。

采用FPGA設(shè)計輪軌力測量電路，可對增益進(jìn)行配置，實現(xiàn)寬范圍的放大倍率，并通過ZigBee無線方式將測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，從而保證輪軌力數(shù)據(jù)信息的可靠性和安全性。

2 電路方案設(shè)計

從設(shè)計靈活和降低成本等方面考慮，電路設(shè)計不采用傳統(tǒng)集成微處理器方式，而是采用FPGA作為主控，型號為XC6SLX16FTG256，其通過控制多路開關(guān)選擇某一路應(yīng)變片傳感器信號輸入放大電路，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換送入FPGA，再由FPGA進(jìn)行分析后發(fā)送至ZigBee無線通信電路，由ZigBee組網(wǎng)發(fā)送至上位機(jī)，整個電路原理框圖如圖1所示。

3 電路詳細(xì)設(shè)計

電路實現(xiàn)對微弱輪軌力信號測量，主要包括多路開關(guān)選擇電路、增益可配置放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路以及ZigBee無線通信電路，接下來對各個模塊進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。

3.1 多路開關(guān)選擇電路

由于需要對多路傳感器信號進(jìn)行采集，為了降低成本和復(fù)雜度，共用放大和A/D轉(zhuǎn)換電路。而電子多路開關(guān)具有高速切換能力，且引入干擾很小，其在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。因此采用MAX338，通過FPGA控制其地址選擇A0～A2和使能EN引腳，實現(xiàn)對多路輸入的選擇。具體電路如圖2所示。

圖2 多路開關(guān)選擇電路原理圖

使能引腳高電平有效，低電平時輸入輸出斷開。A0～A2為“000”時，輸入N01有效。以此類推，A0～A2為“111”時，輸入N08有效。

3.2 增益可配置放大電路

應(yīng)變片傳感器信號為微伏級信號，需要根據(jù)不同環(huán)境情況放大相應(yīng)倍率，為了放大到該倍率范圍，采用兩級放大電路。第一級采用固定放大倍率為100，第二級采用FPGA控制數(shù)字電阻器來配置一定范圍的倍率。此外，還設(shè)計有防浪涌和濾波電路。具體電路原理如圖3所示。

圖3中第一級放大由放大器AD621構(gòu)成，通過連接引腳1和8確定其固定放大倍率為100。第二級放大由放大器AD620和數(shù)字電位器MCP41010構(gòu)成，放大倍率可通過FPGA控制MCP41010的阻止來實現(xiàn)，具體為FPGA通過SPI接口與MCP41010通信來配置變阻器阻值。為了提高電路的可靠性和抗干擾能力，圖3設(shè)計有由C4、C5、D2和C6、C7、D3組成的防浪涌電路，以及由運放LTC6261與R4、R5、C3、C8組成的巴特沃斯濾波器電路。經(jīng)過放大的信號由Aout輸出。

3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

采用AD7988-1作為A/D轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。AD7988-1為逐次逼近型快速、低功耗、單電源、精密16位ADC，其提供片內(nèi)采樣保持，沒有任何流水線延遲。A/D轉(zhuǎn)換電路原理如圖4所示。

AD7988-1與FPGA采用三線式連接方式，SDI與VIO連接，CNV上升沿啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換，SDO進(jìn)入高阻態(tài)。轉(zhuǎn)換完成后，AD7988-1進(jìn)入采集階段并進(jìn)入省電模式。CNV變?yōu)榈碗娖綍r，轉(zhuǎn)換結(jié)果最高位輸出至SDO，剩余數(shù)據(jù)位隨后依次輸出。

3.4 ZigBee無線通信電路

ZigBee無線通信電路主要由TI公司的CC2530F256芯片構(gòu)成，F(xiàn)PGA與其通過串口連接，用于發(fā)出命令、讀取狀態(tài)、自動操作和確定無線設(shè)備事件的順序。其電路原理如圖5所示。

圖5 ZigBee無線通信電路原理圖

FPGA內(nèi)部設(shè)計有波特率發(fā)送器、串口接收器和串口發(fā)送器來實現(xiàn)與CC2530F256通信。其中串口發(fā)送器的作用是將準(zhǔn)備輸出的并行數(shù)據(jù)按照基本串口幀格式轉(zhuǎn)換為TXD信號串行輸出；串口接收器接收RXD串行信號，并將其轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)；波特率發(fā)生器就是專門產(chǎn)生一個遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于波特率的本地時鐘信號對輸入RXD不斷采樣，使接收器與發(fā)送器保持同步。其中接收器和發(fā)送器狀態(tài)機(jī)如圖6所示。

圖6 串口通信狀態(tài)機(jī)

4 結(jié)語

綜上所述，本文設(shè)計了基于FPGA XC6SLX16FTG256和ZigBee CC2530F256的無線輪軌力測量電路，充分利用FPGA內(nèi)部邏輯單元提供IO、SPI、串口，擴(kuò)展多路開關(guān)選擇、增益可配置放大、A/D轉(zhuǎn)換以及ZigBee無線通信電路，并對各電路原理進(jìn)行了詳細(xì)描述。無線輪軌力測量電路的實現(xiàn)能有效精確采集輪軌力數(shù)值并遠(yuǎn)程傳輸，為脫軌機(jī)理研究提供基礎(chǔ)，為車輛運行安全和舒適性提供保障，具有良好的應(yīng)用前景。