弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)

1、 項(xiàng)目背景：弓網(wǎng)狀態(tài)動(dòng)態(tài)檢測(cè)裝置升級(jí)。弓網(wǎng)狀態(tài)動(dòng)態(tài)檢測(cè)裝置已在六大干線上推廣應(yīng)用，本文是其升級(jí)項(xiàng)目。原裝置采用開關(guān)量應(yīng)變式加速度傳感器來檢測(cè)硬點(diǎn)，可通過改變門限大小來準(zhǔn)確判斷不同硬點(diǎn)大小的有無。但是，檢測(cè)值不是連續(xù)的。本文采用連續(xù)的加速度傳感器來檢測(cè)硬點(diǎn)的大小,結(jié)合DSP和DSP/BIOS來完成檢測(cè)任務(wù)。該檢測(cè)系統(tǒng)的多級(jí)硬點(diǎn)檢測(cè)功能即將安裝在蘭州鐵路局安裝。 作者1：男，34歲，成都鐵路局機(jī)車驗(yàn)收室，1997年西南交通大學(xué)畢業(yè)，從事機(jī)車檢修、驗(yàn)收工作，聯(lián)系電話： 作者2：男，26歲，西南交通大學(xué)光電工程研究所碩士研究生, 從事弓網(wǎng)振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)研究 聯(lián)系電話： 基于DSP和DSP/BIOS的弓網(wǎng)

2、振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)與預(yù)處理實(shí)現(xiàn) 閔祥1，趙波2 (1成都鐵路局機(jī)車驗(yàn)收室，四川成都610031 2 西南交通大學(xué)光電工程研究所,四川成都610031)摘要：本文引入DSP技術(shù)到弓網(wǎng)振動(dòng)檢測(cè)中，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了功耗，增加了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。同時(shí)結(jié)合DSP/BIOS嵌入式操作系統(tǒng)減小了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)難度，然后給出了代碼的優(yōu)化方法。最后，簡要分析了現(xiàn)場(chǎng)典型數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：弓網(wǎng)振動(dòng)檢測(cè)，數(shù)字信號(hào)處理，DSP/BIOS嵌入式系統(tǒng) Vibration detecting for Catenary and pretreatment achiever based on DSP and DSP/BIOS MIN

3、XIANG1, ZHAO BO2 (1. Check and accept department, railway office, Chengdu) 2. Photoelectricity engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu)Abstract: This paper contains DSP technology applying to vibration detecting for Catenary, which improves stability of the system, reduces the power cons

4、umption and increases the real-time capability. Simultaneously the use of DSP/BIOS embedded operating system debases the difficulty of software design, and then presents code optimization method. Finally, the representative data from scene is analyzed simply.Keywords: Vibration detecting for Catenar

5、y, Digital signal processing, DSP/BIOS embedded operating system引言弓網(wǎng)的振動(dòng)狀態(tài)是評(píng)價(jià)弓網(wǎng)關(guān)系的重要指標(biāo)之一。當(dāng)電力機(jī)車處于高速行駛狀態(tài)時(shí),由于接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)缺陷會(huì)造成弓網(wǎng)之間的振動(dòng)，受電弓上形成水平方向上的沖擊和垂直方向的硬點(diǎn)。弓網(wǎng)振動(dòng)加速度能夠反映受電弓的振動(dòng)故障，如硬點(diǎn)、沖擊。由于接觸網(wǎng)硬點(diǎn)和沖擊造成的弓網(wǎng)事故占弓網(wǎng)事故總和的比重相當(dāng)大。所以，設(shè)計(jì)性能良好的振動(dòng)加速度檢測(cè)系統(tǒng)具有實(shí)際意義。由于弓網(wǎng)振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的前端處于高壓環(huán)境中，在這個(gè)環(huán)境中由于電弧干擾和電氣的不連續(xù)性所產(chǎn)生的電磁干擾給檢測(cè)系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。弱電級(jí)的檢測(cè)電

6、路要在高達(dá)100KV浪涌和由電弧引起的寬頻帶電磁干擾，以及瞬時(shí)電流高達(dá)1KA，同時(shí)機(jī)械振動(dòng)超過50g 的情況下穩(wěn)定運(yùn)行，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了新的要求。DSP技術(shù)已大量應(yīng)用于各領(lǐng)域，本文中引入DSP技術(shù)到弓網(wǎng)振動(dòng)檢測(cè)中，提高了檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，并降低了功耗，同時(shí)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)的抗干擾能力得到了有效的提升。同時(shí)，DSP/BIOS實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用減小了軟件設(shè)計(jì)的難度。1. 弓網(wǎng)振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的DSP處理器采用美國TI公司的TMS320F2812。該芯片采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，擁有鎖相環(huán)功能，具有8級(jí)流水線深度，內(nèi)部有雙口靜態(tài)RAM，執(zhí)行速度高達(dá)150MIPS，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。其次

7、專用的DSP乘累加單元，移位寄存器單元為實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)算法提供了良好的硬件環(huán)境，能夠較好的完成振動(dòng)預(yù)處理任務(wù)。同時(shí)具有很強(qiáng)的外圍通訊功能，寄存器保護(hù)功能，內(nèi)置硬件看門狗，可有效減小干擾信號(hào)使芯片失效的可能性。以TMS320F2812為核心的加速度采集板原理圖如圖1所示。DSPJTAG接口電源模塊A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)調(diào)理模擬隔離放大激光二極管驅(qū)動(dòng)硬點(diǎn)開關(guān)量傳感器模擬量加速度傳感器光耦隔離圖1 系統(tǒng)硬件框圖 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要考慮如下：（1）設(shè)計(jì)加速度信號(hào)的隔離電路。加速度觸感器安裝在車頂受電弓的弓頭上，其電源和信號(hào)線的長度約為8米左右，容易受到高壓環(huán)境的干擾。設(shè)計(jì)模擬量隔離電路將有利于共模電壓干擾抑制，并

8、且防止干擾信號(hào)通過電纜線進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部而影響檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)使用ISO1001B的雙向模擬信號(hào)隔離模塊。（2）信號(hào)的調(diào)理，放大電路。為了使加速度信號(hào)能夠與AD轉(zhuǎn)換器適配，盡量的使轉(zhuǎn)換的效率最大，設(shè)計(jì)了信號(hào)放大，信號(hào)的調(diào)理電路。放大電路和一階有源濾波電路使用LM224運(yùn)算放大器。（3）模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。由于DSP自帶的AD精度較低，穩(wěn)定性差，操作復(fù)雜，本文選取了AD7864模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，該芯片與DSP接口簡單。（4）I/O采集與隔離電路。拉出值，開關(guān)量硬點(diǎn)等傳感器輸出為兩種狀態(tài)，超限或者不超限。開關(guān)量用光耦隔離是比較好的選擇，設(shè)計(jì)中采用的是TLP521系列。（5）DSP處理器電路和其外圍電路設(shè)

9、計(jì)。為了使DSP處理器正常運(yùn)行和調(diào)試方便，需要正確配置DSP的外圍電路。為了保證系統(tǒng)在受電磁干擾后能正常運(yùn)行，外部設(shè)計(jì)了硬件看門狗，硬件看門狗使用芯片TPS3823-33，調(diào)試使用JTAG接口。（6）激光二極管驅(qū)動(dòng)電路。為了實(shí)現(xiàn)高低壓隔離，并實(shí)現(xiàn)高速通訊，論文用到的主要方法是光纖隔離和傳輸。因此，通過專用的激光二極管驅(qū)動(dòng)電路來完成。發(fā)送激光二極管采用安捷倫的AGLIENT PHILIPPINES HFBR-1414T TX 0344，接收二極管采用安捷倫的AGLIENT PHILIPPINES HFBR-2414T RX 0344。（7）抗干擾的方法：采用雙層屏蔽浮地技術(shù)、數(shù)字地與信號(hào)地單點(diǎn)共

10、地、模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的光隔離技術(shù)、電容濾波、差分放大等。2. DSP/BIOS實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)原理按照傳統(tǒng)的編程方式,功能模塊將以順序結(jié)構(gòu)形式組織在一起,各模塊之間的調(diào)用和切換都由各模塊自身的代碼來完成,升級(jí)、維護(hù)起來相當(dāng)麻煩。DSP/ BIOS 的出現(xiàn)提供了另外一種組織應(yīng)用程序各功能模塊的機(jī)制，它將各功能模塊作為任務(wù)線程來看待。這種機(jī)制使得應(yīng)用程序可維護(hù)性提高,并且提供了更方便、更高級(jí)的調(diào)試手段。并且，DSP/BIOS內(nèi)核是一個(gè)在200字節(jié)到4K字之間的可剪裁的軟件框架。它實(shí)質(zhì)上是可以從C源程序或者匯編源程序中調(diào)用的函數(shù)庫。 DSP/BIOS中線程分為以下4 種類型(優(yōu)先級(jí)由高到低) :

11、硬件中斷( HWI) 、軟件中斷( SWI) 、任務(wù)( TSK) 、后臺(tái)線程( IDL) 。高優(yōu)先級(jí)的線程可以搶占低優(yōu)先級(jí)的線程。時(shí)鐘函數(shù)（CLK）屬于硬件中斷，周期函數(shù)(PRD)屬于軟件中斷，各類線程又分了多個(gè)優(yōu)先級(jí)。3. 基于DSP/BIOS的振動(dòng)信號(hào)采集和處理 加速度檢測(cè)的軟件系統(tǒng)主要包括模擬信號(hào)采集，數(shù)字開關(guān)量信號(hào)采集，數(shù)字信號(hào)處理，數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，狀態(tài)顯示和喂狗等。傳感器的帶寬為10KHz，為了發(fā)揮傳感器高頻沖擊響應(yīng)能力，減小抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)難度，采集的頻率要遠(yuǎn)高于傳感器的頻帶寬度。但是現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，使信號(hào)高低壓隔離傳輸不產(chǎn)生誤碼的頻率最好是38.4Kbps，以只采集模擬量來算，每路

12、只傳兩個(gè)字節(jié)的話，加上起始位和結(jié)束位，那么傳輸兩路信號(hào)需要耗時(shí)1ms，所以傳輸?shù)膸拰?shí)際只有1KHz。1KHz對(duì)于如此高的采樣頻率來說顯然是不夠的。系統(tǒng)中采用了基于閾值的信號(hào)提取算法，當(dāng)振動(dòng)加速度值小于20g時(shí)，采集頻率為4KHz，然后用平均值濾波發(fā)送。當(dāng)采集到超過20g的大振動(dòng)信號(hào)時(shí)，為使信號(hào)不發(fā)生混疊的采樣頻率一般為帶寬的45倍，這里取為4倍，即40KHz。 那么采樣周期為25s，本系統(tǒng)中采用了過采樣算法，抽取率為4，則采樣周期選定在6s。系統(tǒng)采用TMS320F2812中屬于DSP/BIOS操作系統(tǒng)專用的定時(shí)器完成6s的定時(shí)。提取到大的振動(dòng)信號(hào)后，將傳輸1024個(gè)振動(dòng)數(shù)據(jù)到低壓端。數(shù)字信號(hào)

13、處理包括過采樣算法，F(xiàn)IR濾波，模擬量超限信號(hào)提取，開關(guān)量信號(hào)濾波，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。各模塊將以線程來實(shí)現(xiàn)，通過信號(hào)量，郵箱的方式進(jìn)行同步。狀態(tài)顯示主要是指示電路工作狀態(tài)，包括中斷狀態(tài)是否正常，是否有開關(guān)量信號(hào)等。這些可以歸結(jié)為一個(gè)線程，同樣通過信號(hào)量，郵箱方式進(jìn)行同步。并通過設(shè)置DSP芯片I/O控制寄存器進(jìn)行濾波，濾除40K以上的高頻脈沖。數(shù)據(jù)的傳輸采用了DSP芯片中的緩沖器，每次可以寫入16個(gè)字節(jié)，通過中斷的方式來更新任務(wù)。軟件系統(tǒng)在DSP/BIOS模塊下功能分類，見圖2功能分布圖。表示信號(hào)燈，或者郵箱同步周期函數(shù)PRD1引導(dǎo)模塊采集模塊HWI加速度數(shù)據(jù)預(yù)處理SWI開關(guān)量數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)鐘函數(shù)SWI

14、大的加速度信號(hào)提取與存儲(chǔ)TSK開關(guān)量信號(hào)分析和處理TSK通訊任務(wù)1通訊任務(wù)2通訊任務(wù)3發(fā)送模塊HWITSKTSKTSK后臺(tái)線程IDL其他周期其他SWI圖2 功能分布圖系統(tǒng)上電后，首先要進(jìn)行系統(tǒng)初始化，初始化代碼由匯編語言編寫，DSP/BIOS程序能夠從C環(huán)境入口點(diǎn)c_int00開始運(yùn)行。在c_int00函數(shù)中完成處理器的一系列初始化，然后進(jìn)入DSP/BIOS嵌入式模塊初始化進(jìn)程。首先,安排硬件中斷線程( HWI) 。與外部設(shè)備密切相關(guān)、實(shí)時(shí)性要求很高的功能模塊程序代碼必須放置在硬件中斷中。A/ D 采集是本系統(tǒng)的重要基礎(chǔ),并且與系統(tǒng)底層硬件緊密相連, 所以將它設(shè)置為硬件中斷線程。通信模塊采用R

15、S485與上位機(jī)通信,其與系統(tǒng)的底層硬件密切相關(guān),而且DSP本身的SCI 接口只有最大16個(gè)字的FIFO ,而數(shù)據(jù)量相對(duì)來說較大，為了保證實(shí)時(shí)性，要充分利用DSP的FIFO資源，所以將發(fā)送模塊定為中斷線程。下面介紹HWI模塊在DSP/ BIOS 中的參數(shù)設(shè)置。SCIB串口的發(fā)送接收中斷放在HWI 模塊的PIE_INT9_4位置上,并且將發(fā)送中斷的ISR函數(shù)scib_tx_isr ( ) 填寫到PIE_INT9_4中斷的函數(shù)調(diào)用項(xiàng)中，同時(shí)選擇使用DSP/ BIOS 的HWI調(diào)度功能。CLK線程也屬于HWI 硬件中斷線程之一,它為整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行提供了時(shí)間基準(zhǔn)。再就是A/D轉(zhuǎn)化完成的中斷，檢測(cè)系統(tǒng)中

16、用的是外部的中斷1（XINT1）。其設(shè)置的方法是在配置界面中使用PIE_INT1_4。其次,安排軟件中斷線程( SWI) 。所有的軟件中斷都是通過DSP/ BIOS 內(nèi)核的API 調(diào)用來啟動(dòng)的,為了便于控制, 系統(tǒng)為每個(gè)SWI 對(duì)象都設(shè)置一個(gè)1位的信號(hào)量,可以利用這個(gè)信號(hào)燈的值有條件地啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的軟件中斷。其子功能模塊包括:加速度信號(hào)的預(yù)處理模塊、開關(guān)量數(shù)據(jù)預(yù)處理。對(duì)A/ D 轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行預(yù)處理是必要的，因?yàn)椴杉降男盘?hào)處理信號(hào)本身外，還有從傳感器上傳導(dǎo)下來的噪聲，系統(tǒng)采用的是過采樣算法和FIR濾波器結(jié)合的方法來消除噪聲。開關(guān)量的預(yù)處理主要是進(jìn)行開關(guān)量的濾波，濾除硬點(diǎn)開關(guān)量反復(fù)碰撞信號(hào)。 DSP

17、/ BIOS為軟件中斷對(duì)象提供了014 的優(yōu)先級(jí),按照上述線程的重要程度,將采集數(shù)據(jù)預(yù)處理線程優(yōu)先級(jí)設(shè)為14 ,開關(guān)量預(yù)處理線程設(shè)為8 。實(shí)際的系統(tǒng)中，還有看門狗的喂狗，系統(tǒng)工作狀態(tài)指示等也作為軟件中斷。接下來,安排任務(wù)線程( TSK) 。如同絕大多數(shù)實(shí)時(shí)系統(tǒng),任務(wù)線程是整個(gè)系統(tǒng)的主要組成部分。每個(gè)任務(wù)有4 種執(zhí)行狀態(tài):運(yùn)行( run) 、就緒( ready) 、暫停( blocked) 和終止(terminated) 。一旦任務(wù)被創(chuàng)建,它總是處在4個(gè)狀態(tài)之一。DSP/ BIOS 為每個(gè)任務(wù)對(duì)象提供了115 的優(yōu)先級(jí)。任務(wù)會(huì)按照嚴(yán)格的優(yōu)先級(jí)順序來執(zhí)行,相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)會(huì)按照“先來先服務(wù)”的原則

18、來安排執(zhí)行順序。將振動(dòng)加速度分析運(yùn)算模塊、RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、開關(guān)量類型判斷、數(shù)據(jù)發(fā)送FIFO緩沖區(qū)寫模塊設(shè)置在任務(wù)線程( TSK) 中。振動(dòng)信號(hào)分析模塊主要完成前24個(gè)數(shù)據(jù)的提取、采集計(jì)數(shù)（1000個(gè)點(diǎn)）、發(fā)送計(jì)數(shù)（1024個(gè)點(diǎn)），采集頻率調(diào)整等功能，當(dāng)發(fā)送完1024個(gè)點(diǎn)后就進(jìn)入暫停狀態(tài)，等待下次超限信號(hào)的到來。開關(guān)量類型判斷主要是根據(jù)上一次的采集值結(jié)合本次的采樣值，來判斷開關(guān)量的類型，例如是左1拉出值，左2拉出值，或者是右拉出值。數(shù)據(jù)發(fā)送FIFO線程主要是進(jìn)行異步串口復(fù)位，向異步串口SCIB的FIFO中寫入要發(fā)送的數(shù)據(jù)。最后,就是后臺(tái)線程(IDL) 。后臺(tái)線程(IDL) 的優(yōu)先級(jí)最低,一般

19、將實(shí)時(shí)分析模塊( TRA) 放在其中運(yùn)行,其可以在應(yīng)用程序執(zhí)行期間對(duì)DSP 應(yīng)用程序進(jìn)行實(shí)時(shí)交互與診斷。CCS中有CPU 負(fù)載圖、執(zhí)行圖示、主機(jī)通道控制、信息記錄、統(tǒng)計(jì)觀察、實(shí)時(shí)控制板和內(nèi)核對(duì)象觀察等實(shí)時(shí)分析工具。這一系列功能模塊都可以放置在IDL線程中,通過這些工具,整個(gè)DSP系統(tǒng)的運(yùn)行情況將一目了然。4. 優(yōu)化DSP/BIOS嵌入式操作系統(tǒng) 對(duì)DSP/BIOS的優(yōu)化一般從兩個(gè)角度來實(shí)現(xiàn):對(duì)速度的優(yōu)化和對(duì)程序大小的優(yōu)化。從速度角度來考慮，應(yīng)用程序應(yīng)在存儲(chǔ)空間安排、數(shù)值精度以及是否使用片內(nèi)存儲(chǔ)器等方面仔細(xì)選擇。下面是一些提高使用DSP/BIOS應(yīng)用程序執(zhí)行性能的建議:使用不同的程序函數(shù)要仔細(xì)選

20、擇線程的類型；把系統(tǒng)堆棧安置在片內(nèi)內(nèi)存中;減小時(shí)鐘中斷頻率;增加流式輸入輸出緩沖器的大小。DSP/BIOS是一個(gè)可以伸縮的內(nèi)核，因此在最終的目標(biāo)應(yīng)用程序中可以只包括那些必要使用的DSP/BIOS函數(shù)。此外，可以使用DSP/BIOS的配置工具靜態(tài)創(chuàng)建所使用的對(duì)象來縮短程序代碼的長度，如靜態(tài)配置內(nèi)存空間、靜態(tài)創(chuàng)建任務(wù)、靜態(tài)配置堆棧等。其次要關(guān)閉不使用的內(nèi)核模塊，如關(guān)閉CPU使用率分析、關(guān)閉實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換等。5. 在線振動(dòng)檢測(cè)的信號(hào)分析加速度檢測(cè)系統(tǒng)于2007年在成都局試運(yùn)行3個(gè)月，基于DSP的硬件系統(tǒng)和DSP/BIOS的實(shí)時(shí)嵌入式軟件系統(tǒng)能夠在27.5KV的高壓環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，圖3（a）為運(yùn)營機(jī)車在運(yùn)行途中受電弓與接觸網(wǎng)碰