基于FPGA的高速列车振动监测系统设计.pdf

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1、西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着我国铁路事业的蒸蒸日上，铁路运输发展速度是日益加快，列车运行速度 也在不断的提高，随着速列车的出现，列车的运行速度进入了一个新纪元。列车 作为长距离运输的主要方式，其舒适度，安全性，平稳性等等指标成为了大家所 关注的对象。时至今日，铁路运输的安全性已经非常高，高速铁路的安全性也能 够得到保障，随着人们对铁路运输的依赖性的日益增强，舒适度就成了一个受到 关注比较大的课题。对于车内振动的监测，是对舒适度进行检测的一个方面，其 核心，其实就是对振动信号进行信号采集与数据处理。在以往的检测系统中，尽 管系统本身的功能非常强大，但是系统不能在实际使用中进

2、行功能的增加与升级， 即使有，也显得比较麻烦，因此如何找到一款功能强大又易升级功能的芯片就成 了这个课题的设想的原因。 在本次课题中，通过对文献的查阅，数据采集系统的理解以及对可编程片上操 作系统的认识，综合得出实验构想，系统采用以F P G A 为核心，进行数据采集，整 个系统的硬件设计用A l t i u mD e s i g n e r 进行，软件开发则是在Q u a r t u s 与N I O S I D E 下完成，在Q u a r t u s 下使用V e r i l o gH D L 对A D C 采集电路进行构建，其核心则 用S O P CB u i l d e r 进行开发

3、。系统的控制代码用C 语言完成，在N I O S I D E 下面完成 开发设计与软件调试。整套系统的特点是开发上手容易，使得用户可以按照自己 的想法进行相应的升级。 关键词：铁路；舒适度；数据采集；F P G A 望塑塑垩坠丝些墼乙塑 A b s t r a c t A l o n gw i t h o u rc o u n t r yr a i l r o a db u s i n e s s t ob e0 1 1t h e u p g r a d eo fr a i l w a v t r a n s p o r t a t i o n ，d e v e l o p m e n ts

4、p e e di sa c c e l e r a t e di n c r e a s i n g l y ，t r a i no p e r a t i o ns p e e dh a s b e e ni m p r o v e d ，w i t ht h es p e e do ft r a i n ，t h et r a i ne n t e r e da n e we r a L 0 n gd i S t a n c e 删n a st h em a i nf o r mo ft r a n s p o r t a t i o n ，i t s c o m f o r t ，s a

5、 f e t y ，s t a b i l i t ya n dS Oo nt a r g e tt o b e c o m ee v e r y b o d ya t t e n t i o no b j e e t T o d a y ，t h e r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ns a l e t vh 弱b e e n V e r yh i g h ，h i g hs p e e dr a i l w a ys a f e t yc a r lb eg u a r a n t e e d ，w i t ht h er a i l w a

6、y t r a n s p o n d e p e n d e n tI n c r e a s e si n c r e a s i n g l y , c o m f o r tb e c a m eac o n c e r n l a r g er e s e a r c ht o p i c T h e V e h i c l eV i b r a t i o nm o n i t o r i n g ，t h ec o m f o r tW a sd e t e c t i o no fa h 矗d ，a ti t sc o r e ，i sa c t u a l l v t 0t

7、h eV i b r a t i o ns i g n a l a c q u i s i t i o na n dd a t ap r o c e s s i n g I np r e v i o u sd e t e c t i o ns y S t e n l s a l t h o u g ht h es y s t e mi t s e l fi sv e r yp o w e r f u l ，b u tt h es y s t e mi s n o ti na c t u a lu s eo f t l l n c t l o n1 n c r e a L s ea n du p

8、 g r a d e ，i fa n y ，i sm o r et r o u b l e s o m e ，S Oh o w t of i n dap o w e m l a n de a s yt ou p g r a d et h ef u n c t i o no ft h ec h i pb e c o m e s t h et o p i ci d e ar e a s o n 1 I lu 1 1 8 p a p e r , It h r o u g ht h el i t e r a t u r e s e a r c h ，d a t aa c q u i s i t i o

9、 ns y s t 锄t h e u n d 铘t a n d i n ga sw e l l 勰o np r o g r a m m a b l ec h i po p e r a t i n gs y s t e mk n o w l e d g e ，g i v 懿a c o m p r e h e n s i V ee x p e r i m e n t a lc o n c e p t ，s y s t e mu s eF P G A 勰c o r e ，d a 协c o i l e c t i o n t h e h 删w a r ed e s i g no ft h es y s

10、 t e mw i t hA l t i u m D e s i g n e r , s o f t w a r ed e v e l o p m e l l ti si nt h e Q u a r t u sI Ia n dN I O SI II D Ec o m p l e t i o n ，i nQ u a r t u sI I u s i n gV 甜l o gH D Lo nA D C a c q u l s l t l o nc i r c u i tf o rc o n s t r u c t i o n ，i t sg o r ei su s i n gS O P CB u

11、i l d e rd e v e l o p m e n t S V S t 锄 c o n t r o lc o d eu s i n gC l a n g u a g e ，i nN I O SI Iu n d e rI D Ec o m p l e t et h ed e s i g nd e v e l o p m e n t 锄dd e b u g g i n gs o f t w a r e T h ee n t i r es y s t e mi sc h a r a c t e r i z e db yt h e d e v e l o p m e n to fe a S v

12、t ou s e , w h 朗m u s e ，c a nb ei na c c o r d a n c ew i t ht h e i ro w n i d e a sc o r r e s p o n d i n gu p g r a d e K e y w o r d s ：R a i l w a y ；c o m f o r t ；d a t aa c q u i s i t i o n ；F P G A 西南交通大学硕士研究生学位论文第f v 页 目录 第一章绪论 第二章系统理论知识4 2 1F P G A 简介以及其发展状况4 2 1 1F P G A 简介4 2 1 2F P

13、G A 的发展趋势。4 2 2S O P C 技术。5 2 2 1S O P C 技术简介5 2 2 2S O P C 技术的应用6 2 3 数据采集6 2 3 1 数据采集简介：6 2 3 2 采样定理7 2 3 3 量化。7 2 3 4 编码。7 2 4 评价标准8 2 4 1 平稳性指标8 2 4 2 加速度计算方法9 第三章系统硬件设计1 0 3 1 系统总体介绍1 0 3 1 1 系统的总体设计1 0 3 1 2 系统所实现的技术指标1 1 3 2 前端A D C 采样电路设计”1 l 3 2 1 概述1l 3 2 2A D S 8 3 4 5 11 3 2 3A D C 采样电路设

14、计方案1 4 1 2 f J 义 一 氲况 其状务及展任 景发要背外主题内文选国本 l 2 3_Il 3 3F P G A 芯片介绍以及相关电路1 4 3 3 1F P G A 的基本结构以及器件的选择1 4 3 3 2 电源与开关电路1 7 3 3 3 复位电路18 3 3 4 时钟电路18 3 3 5 下载电路1 9 3 3 6 扩展S D R A M 存储模块2 0 3 4U S B 电路设计。2 2 3 4 1 概述2 2 3 4 2C H 3 7 6 2 2 3 4 3U S B 电路2 4 第四章系统软件设计2 7 4 1 概述2 7 4 2V E R I L O G H D L

15、语言2 7 4 2 1 硬件描述语言2 7 4 2 2V e r i l o gH D L 简介“2 8 4 2 3 V e r i l o gH D L 的发展2 8 4 3Q U A R T U S I I 开发平台”2 9 4 3 1Q u a r t u sI I 概j 丕”2 9 4 3 2Q u a r m sI I 的优点3 0 4 4N I O S I I 3 0 4 4 1 概j 苤3 0 4 4 2N I O S I I 的特性3 l 4 5 系统软件的构建3 6 4 5 1 概j 苤3 6 4 5 2 系统软核的构建3 8 4 5 3 锁相环( P L L ) 4 4 4

16、 5 4A D C 同步时钟与采样4 7 4 5 5U S B 接口软件设计5 0 4 5 6 上位机程序设计5 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第VI 页 第五章系统调试m “5 3 5 1 概述5 3 5 2 系统调试5 3 第六章总结 致谢 5 7 参考文献0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 附录 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果 0 0 0 0 0 0 0 0 0 05 9 B Q 0 0 0 0 0 0 0 06 0 “ 6 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 选题背景及其意义 第一章绪论 列车的振动监测，是指在列车行驶过程中，对其以均匀速度行驶时的横向，

17、纵向以及垂向三个方向的振动参数进行采集与分析，以此对列车的行驶状态进行 监测，从而达到确保列车安全行驶的目的。 中国的铁路运输一直是国内最主要的运输方式，不论是货运还是客运，在国 内的所有运输方式中都占有绝对第一的地位。因为铁路运输不论从成本，安全系 数，以及一次性运输量来看，都要优于其他的运输方式。但是铁路运输，一直被 一个问题制约着发展，那就是速度。铁路运输比起公路运输与航空运输而言，慢 了许多。所以，高速铁路的发展，成为了一个必然的趋势。在1 9 6 4 年，日本便已 经建成第一条高速铁路，之后的几十年内，法，英，德，西，意，美等国也相继 修建出了属于自己的高铁。其中最高的高速列车的时速

18、已经超过了5 0 0 公里。中 国的高速铁路的发展，相对于国际而言就落后了。因为国内的技术与经济的发展 缓慢，我国直到上个世纪9 0 年代初，才开始高速铁路的研究，直到1 9 9 9 年，我 过才完成第一条属于自己的高铁秦沈客运专线。但是这看似落后的情况却在 之后的十年内有了天翻地覆的变化，2 1 世纪初，仅仅十年的时间，我国的高铁发 展异常迅速，仅仅十年，我国所拥有的高铁网络规模，已经是世界第一，如果我 们将时速在2 0 0 公里以上的铁路定义为高铁的话，那么在2 0 1 0 年底，我国的高铁 里程数已经超过1 0 0 0 0 公里，其中时速在2 5 0 公里以上的铁路在我国共计有8 4 6

19、 公里。在未来的十年里，我国将继续扩大高铁网络，预计在2 0 2 0 年，我过将至少 拥有5 0 0 0 0 公里的高铁线路。 随着高速铁路的发展，动车的出现，列车的运行速度也越来越快，大大缩短 了列车运行的时间，但是由于速度的大大提高，也带来了一系列的问题，首先， 如何让列车在高速运行的时候不翻车，不脱轨，在列车低速运行的时候，这样的 安全要求并不难做到，可是当速度达到一个另一个层次的时候，这就变得很困难。 而即便是列车的安全运行没有任何问题，那么另一个问题又出现了。列车高速运 行，车内乘客在坐车的时候是否觉得舒适，车辆的运行是否让乘客感觉平稳，车 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 内

20、的噪音是否能让人接受。如果列车的特点单单是快，而其他的条件让人觉得很 受折磨的话，那么这样的列车是没人会乘坐的，至少大家不能在乘坐的过程中有 一个好的心情，以至于会损害自己的健康，而就算是列车提速，行驶时间缩短， 但是毕竟铁路运输的距离肯定要远远的大于公交，所以，如何让车内的乘客在乘 坐的时候有一个舒适的感觉，这将是高铁研究中重要的一个部分瞪1 。 1 2 国内外发展状况 列车的振动监测，究其根本，其实就是对其车内振动信号的采集与处理。而 信号的采集技术与处理技术也因为计算机技术的飞速发展而不断的提高。而现今 关于信号采集与处理的技术，主要有这几种： ( 1 ) 基于P C 机得信号采集与处理

21、：在这种方式下，只需要对所需的模拟信 号进行采集，然后对其进行模数转换后便输入P c 机。 ( 2 ) 以单片机为核心的信号的采集与处理：这种系统的数据的采集与处理都 在以单片机为核心的电路来实现，这种系统的实时性不强，因此如果应用时对实 时性的需求不高的话，可以采用。 ( 3 ) 基于D S P 的信号采集与处理：运用D S P 芯片的超强运算能力，来进行信 号的采集与处理，因为D S P 的强大功能，所以这种方法不论从功能还是精度都非 常的强，因为处理速度非常快，所以可以完成实时的数据采集与处理。 ( 4 ) D S P + F P G A ：这种系统结合了F P G A 与D S P 的

22、优点，外围电路的控制有F P G A 完成，信号的处理则由拥有强大功能的D S P 芯片完成。 以上的几种方法各有优劣，D S P 拥有强大的处理能力，能够对大量的数据进行 处理而且速度非常快，但是由于其外围的逻辑器件的控制过于复杂，使开发难度 大大增加。单片机虽说简单一些，但是由于它的始终频率不高，而且主要是考软 件来实现我们所需的功能，所以效率比较低，在高速采集的时候不能完成任务。 而D S P 和F P G A 结合，虽说有二者的优点的结合，但是其外围硬件的复杂程度又增 加了钔。 在这里，推崇单用F P G A 进行信号的采集与处理。作为一种可编程的逻辑器件， F P G A 可以为用户

23、提供很多功能，如各种逻辑能力，各种电压特性等等。由于F P G A 可以反复的编程，擦写，所以用户可以在任何时候对其进行修改已完成很多种不 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 同的功能。设计人员可以用F P G A 的相关软件进行很快速的开发，测试，修改，仿 真，一切做完后下载到编译器里面，这时就可以在实际的电路中进行测试。根据 用户需求可以不断的修改电路是F P G A 的另一个优点。用户可以随意的修改，直到 自己满意，因为F P G A 结构的存储技术是可重写的，修改，只是一个重新编程的过 程。 极好的高速性能，这是F P G A 在信号处理领域里面的另一个特点。这也是选择 F P G

24、 A 的原因之一。当D S P 在以比较高的速度进行数字信号处理的时候，往往会受 到一些限制，与之相对应的F P G A 大多都有内嵌一定数量的硬件乘法器，对于数字 信号处理而言，这是非常适合的。一个F P G A 芯片内嵌了一定数量的硬件乘法器， 我们可以将此视作由数个D S P 组成的列阵，由此来完成我们要求的相应的任务。 所以，当我们在进行信号采集与处理的时候，D S P 的运算能力就不如内嵌了硬件乘 法器的F P G A ，这便是F P G A 的优势1 。 1 3 本文主要任务 对车体内的振动监测的目的就是在列车运行的时候对车体内部的监测点的振 动加速度进行监测，以达到监控列车运行状

25、态的目的。舒适度以及平稳性可以由 采集到的部分振动参数进行运算以及处理而得到。以下是主要任务： 1 ) 研究列车与列车平稳性相关的一些资料，如评价方法以及标准，以及振动 测试的相关要求，确定系统的功能以及技术指标，以完成设计总体方案； 2 ) 以F P G A 芯片E P 2 C 8 Q 2 0 8 C 为核心，设计数据采集电路，并且应用要求完 成采集代码的编写； 3 ) 研究U S B 通信方案，完成通信协议的编写，以及P C 端面板的设计； 4 ) 对系统的各个部分进行分别调试，之后再整体测试。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第二章系统理论知识 2 1F P G A 简介以及其发

26、展状况 2 1 1F P G A 简介 由于电子产业的迅速发展，嵌入式产品以及开发技术也得到了迅速的发展与 广泛的应用，其中涉及到通讯，网络，家用电器，以及交通等等行业。嵌入式也 因此成为了经济发展一个全新的不可或缺的支柱，而其产品的智能化，数字化， 更新换代速度快与功能强大已然成为了其独特的特点。 F P G A 是现场可编程门列阵的英文缩写晦1 ，其英文全名为F i e l dP r o g r a m m a b l e G a t eA r r a y ，它是在一系列逻辑器件( 诸如P A L 、C P L D 、G A L ) 上发展起来的。F P G A 拥有完整的结构体系，灵活的

27、逻辑单元，广泛的应用范围以及相当高的集成度。 与G A L ，P A L 等可编程器件相比较，F P G A 有另外的一系列有点：1 R A M 和E P R O M 的 编程可以实时的内置或者外加；2 F P G A 的特性更加丰富，性能更高，逻辑密度更 高，非常适用于新产品的开发，样品的实验，以及少量产品的生产。F P G A 器件可 以提供大量的逻辑门电路，最新的可提供百万门以上。除此以外，还拥有各种新 特性，比如时钟管理系统等。F P G A 应用范围非常之广泛，涉及了工业、医疗、通 信、国防、宇航以及科研。F P G A 能非常灵活的使用，要想让一片F P G A 芯片实现 不同的功

28、能，只需要设置不同的配置再加上相关的编程即可。 2 1 2F P G A 的发展趋势 F P G A 整处于一个高速发展的阶段，随着芯片的成本逐步降低，传统的数字元 件已经可以被F P G A 的低端产品所代替，而由于F P G A 的生产已经开始使用A S I C 的 生产工艺，一片F P G A 芯片中将会被嵌入更多的处理器内核。A S I C 的市场份额也会 因为F P G A 不断降低的制造成本而被抢占。F P G A 芯片将有以下几个发展方向： ( 1 ) 大容量，低功耗，低电压； F P G A 超大容量的竞争，A l t e r a 和X i l i n x 两家大公司已经在2

29、0 0 7 年开始，6 5 n m 的工艺的芯片，X i l i n x 公司推出了V i t e x V I 系列，其容量为3 3 7 9 2 S l i c e s ；A l t e r a 公司 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 则推出S t r a t i x l l l 系列，容量为6 7 2 0 0 个LE ( 2 L E = 1S l i c e ) 。由于手机，导航系统， 等便携式高科技电子产品的飞速发展，F P G A 的低压，低功率也变得越发的必要呻3 。 所以，各大厂家均在为此而努力。 ( 2 ) 动态可重构； 除了重置电路的功能特性，在一定的条件下F P G A

30、还拥有在系统中重构电路逻 辑这一重要功能。这样，可对F P G A 芯片进行逻辑动态重构而实现时序逻辑的发生。 动态可重构F P G A 内部的连线与逻辑块都可以改变，编程结构也有其专门的特点， 实现这样的逻辑重构可以通过读取不同的S D R A M 来实现。 ( 3 ) 与A S I C 相互融合入： 与标准逻辑A S I C 芯片比较，F P G A 可以现场编程，非常灵活，而且成本低，但 是功能不多，而且能耗与体积都大，而A S I C 刚好与之互补，不论是体积，能耗都 要低得多，而且功能较F P G A 强大，缺点在于设计比较复杂，所以二者互补，则可 以取长补短。 ( 4 ) 系统级的

31、高密度。 F P G A 随着不断的发展，生产规模大大提高，生产工艺大大优化，与之相对应 的就是产品成本的不断降低。在这种形势下，F P G A 便被的应用在系统级设计中， 其中也包括核心功能芯片。F P G A 的I P 硬核与l P 软核成为技术发展的两个重要方 面。而I P 硬核的内嵌与软核的扩充优化则是具有I P 内核的F P G A 开发的主要方向。 2 2S O P C 技术 2 2 1S O P C 技术简介 S O P C ，是S y s t e mO naP r o g r a m m a b l eC h i p 的缩写n 1 ，译成中文是可编程片上 系统。这个系统主要的逻

32、辑功能是由单个的芯片完成，S O P C 是嵌入式系统中比较 特殊的一种。S O P C 的设计方式非常的灵活，因为它是一个可编程系统，不仅仅具 备软件和硬件的可编程系统设计功能，可以对这些功能进行升级，增加和减少。 S O P C 技术则是在F P G A 中实现一个进可能大和完整的系统。这个系统要包括电子 系统的各个部分，其中包括嵌入式处理器，硬件处理，D S P ，接口，加速，数字通 信等系统以及存储电路。在一个S O P C 系统中，有充足的l P 核资源，有片内R A M ， 至少一个嵌入式处理器的内核，以及充足的片上可编程逻辑资源。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 2

33、2S O P C 技术的应用 S O P C 的开发手段主要是硬件描述语言陋3 ，以E D A 技术为辅助，计算机为平台， l P 为基础来进行开发和设计。而S O P C 系统的设计技术主要有下面三个方向： ( 1 ) 基于F P G A 嵌入I P 硬核的设计：这种系统的前提，是在F P G A 中已经预 先放置了处理器，然后通过应用对处理器，将里处理器面的里面软件的强大功能 与F P G A 的硬件设计想结合，便能有效的实现S O P C 的系统设计。当然，其中也存 在问题。其一，硬核并非F P G A 芯片公司自己生产，而是由其他公司提供，所以导 致成本很高，价格昂贵。其二，由于硬核是

34、已经植入芯片内的，这是无法改变的， 所以使用者不能在实际应用中作出改变，这也是S O P C 系统开发的灵活性受到了限 制。 ( 2 ) 基于F P G A 嵌入l P 软核的设计：这种系统是预先在F P G A 中放入软核的 处理器，比较常用的是A l t e r a 公司的N I O SI I 。用户可以根据实际的设计开发要求， 用E D A 开发工具，对N I O S 以及其外围相关设备进行设计，这样便是设计变得多样 化，更加灵活，可以满足不同用户的设计需求，这也可以弥补第一种系统的不足。 ( 3 ) 基于H a r d C o p y 技术的设计：这方面的设计，其主要目的是用一些特别

35、的技术将F P G A 上的S O P C 系统转化到A S I C 上，使的F P G A 灵活性的优势与A S I C 的 市场的优越性完美的结合，从而达到降低成本的目的，也克服了一些A S I C 中存在 的以前一直无法解决的问题。 2 3 数据采集 2 3 1 数据采集简介 数据采集，究其根本，就是将外接传感器采集到的模拟量转换成数字量，其 中注入压力，流量，温度，位移等等，之后再输入电脑，进行储存，运算，处理， 打印，显示等过程。完成对所需要的模拟量进行采集。数据采集系统则是完成这 一系列过程的系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 3 2 采样定理 设有连续信号x O

36、) ，其频谱为x ( 厂) ，以采样周期t 采得的采样信号为 正) 。 如果频谱X ( f ) 和采样周期满足下列条件： ( 1 ) 频谱X ( f ) 为有限频谱，即当lf | 无时，X ( f ) = o ； ( 2 ) t 去或2 正专= 正 伸s i n n 手( t n l 瓦) S I 一1 伸下、 J 则连续信号主( f ) = o 正) L 一唯一确定。式中刀= o ，1 ，y _ 2 ，。 ”。 詈O - n r , ) 正就是在采样时间间隔内能辨认的信号最高频率，称为截止频率，又称为奈奎斯 特频率钔。 2 3 3 量化 模拟信号是连续的，经过采样后的离散信号，虽说离散了，但

37、是其幅值依旧 连续。抽样值可以取的尽可能多，但是其依旧是模拟信号，所以必须进行离散化 的处理。而量化，就是这个过程。我们可以取一个最小数量单位，以这个数量单 位的整数倍与采样信号的幅值进行比较，用最接近采样信号的整数倍数量单位来 代替这个幅值。在量化过程中，有“只舍不入“ 的量化和“有舍有入“ 的量化两 种方法n 们。 2 3 4 编码 用数字代码来表示量化后信号的电平，这是模数转换过程的最后一个环节。 编码的形式多种多样，最常用的就是二进制编码了。二进制的数码，跟十进制数 一样，是由多个数位组成。最高有效位( 也称作最高位) 是数码最左端的位，通 常都用符号“M S B “ 来表示。最低有效

38、位( 也称作最低位) 是数码的最右端的位， 用“L S B “ 表示。二进制码得每一位都有0 ，1 两个可能的状态，当其中一位没有贡 献的时候，这时候用“0 “ 表示，而有贡献的时候则表示为“l “ 。 二进制码的计算方式与二进制数相同，每一位的贡献是右边一位的2 倍。作 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 为一个数，数码代表一个量化了的信号量值1 。所以码制与码制间的相互关系必 须被定以后，数码才能代表一个具体量化信号的量值。所以，二进制码，总体来 讲，就是0 和1 组成的n 位数码，用来表示量化后的电平。 2 4 评价标准 测试列车的振动性能参数包括了舒适度与平稳性的评价和监测，因为铁

39、路在 世界上的重要性，以及各方面的不断努力与发展，颁布了U I C 5 1 3 铁路车辆内旅 客振动舒适性评价标准，欧美发达国家以及日本分别以这个标准为基础，定出了 适用于本国的方案，而我国通过大量的实验与研究，拥有了属于自己的平稳性评 价标准，我过对机车以及车辆的标准为C B 5 5 9 9 8 5 铁道车辆动力学性能评定和试 验鉴定规范和T B T 2 3 6 0 9 3 铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准。 2 4 1 平稳性指标 由规范G B 5 5 9 9 - 8 5 可知车辆平稳性指标计算公式： 形= 7 0 8 叫A 3 F ( f ) f ( 2 1 ) A ：振动加速度

40、最大值 单位：g f ：振动频率单位：H z ，( 力：与f 对应的修正系数( 如表2 1 ) 表2 - 1 频率修正系数 垂向振动横向振动 0 5 。5 9 H z ，( 门= o 3 2 5 f 2 0 5 ”5 4 H z F U ) = 0 s f 2 5 9 “2 0 H z F ( f ) = 4 0 0 f 2 5 4 ”2 6 H z F ( f ) = 6 5 0 f 2 2 0 H z ，( 厂) = 1 2 6 H z F ( f ) = 1 在实际情况下，车辆的振动频率不单一，其振动加速度也是变化的，所以， 就需要从已测的加速度记录里面分出数个频率不同的组，每组算出平均

41、加速度， 令形为第i 组由公式2 - 1 求得的平稳性指标，可以用以下公式计算合成的平稳性指 标： 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 r ? 一 形= 1 呵暇m + 叫o + + 叫o = 将( 2 - 1 ) 代入( 2 - 2 ) 可得： 彬= 7 0 8 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 彳，表示车体加速度在经过频谱分析之后振动加速度在频率为Z 时的幅值。 由T B T 2 3 6 0 9 3 规范可知机车运行时的平稳性计算公式： r 一 形= o 8 9 6 吲彳F ( 彳) 石 ( 2 - 4 ) Yi = 1 G B5 5 9 9 8 5 推荐平稳性指标的计算按照以下步骤：

42、1 将2 0 秒信号作为一个分析段，并均分成十个小段，其中每段为两秒： 2 对每一个小段都进行快速F F T 变换，这样便得到小段信号的频谱，这样十 个小段的频谱的平均值就成为最终频谱； 3 由得到的最终频谱，可以知道Z 以及4 ，并可以由公式( 2 - 3 ) 和( 2 - 4 ) 算出平稳性指标，其中，所记的频谱的范围是0 5 “4 0 H z ； 2 4 2 加速度计算方法 振动加速度最大推断值A 可以由以下公式计算得出： 彳= 孑+ 3 盯( 2 5 ) j 表示实验加速度样本里面全部峰值的绝对值的统计平均值，其计算公式如 下： 孑= 专喜4 ( 2 - 6 ) 方差： N 表示每一个

43、速度级别中各个分析段里面的采样点总数。 ( 2 7 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第三章系统硬件设计 3 1 系统总体介绍 3 1 1 系统的总体设计 本文的研究目的是设计一种基于F P G A 为核心的车内振动监测系统，其本质上 是一款以F P G A 为核心的高精度，高速度的数据采集系统。其作用就是将采集到的 模拟信号储存到计算机上，使其可以在P C 上显示与处理。本设计的大体思路，是 通过振动传感器将车内的振动以模拟信号的形式输入到进来，先进行前端放大， 再进行模数转换，这时候就得到数字信号。之后再将此数字信号输入到F P G A 的控 制系统中，其中扩展电路中的S D R A M 存储电路与F P G A 的配置电路可以完成对输 出数据的储存，而与P C 端的通信我选择U S B ，将U S B 的数据传输接口与P C 机相 连，这样计算机便能与整个系统进行数据通信了 1 2 o 系统的结构如图3 1 所示。 图3 1 系统结构图 由系统结构图可以看出，本系统的硬件部分主要是由前端A D C 采样电路，F P G A 控制电路以及U S B 接口三部分完成，前端A D C 采样电路主要用于模数转换，使模 拟信号转化为可以被储存与处理的数字信号，模数转换芯片我使用A D S 8 3 4 5 。而中 间的F P G A 控制系统就是