基于LabVIEW的UIC重載列車制動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與處理

羅 建， 雷 勇， 安 鴻， 蔣 勇， 黃 昊

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

基于LabVIEW的UIC重載列車制動(dòng)試驗(yàn)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(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都 610065;2.四川制動(dòng)科技股份有限公司，四川眉山 620010）

重載列車的制動(dòng)性能是保證列車安全運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)64路重載列車制動(dòng)試驗(yàn)的實(shí)時(shí)檢測(cè)及處理，利用圖形化編程軟件LabVIEW和數(shù)據(jù)采集卡，設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)時(shí)壓力數(shù)據(jù)檢測(cè)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(duì)變送器進(jìn)行自我校正、數(shù)據(jù)分析比較、報(bào)表生成和打印等功能。利用LabVIEW進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)具有很強(qiáng)的靈活性，能較容易地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，并使系統(tǒng)具有很強(qiáng)擴(kuò)展性。

重載列車;LabVIEW;數(shù)據(jù)采集;制動(dòng)試驗(yàn)

0 引言

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

針對(duì)國(guó)際鐵路聯(lián)盟(UIC)重載列車制動(dòng)試驗(yàn)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(guò)USB接口將數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)，在LabVIEW開發(fā)平臺(tái)下，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、分析處理和保存，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)64路UIC重載列車制動(dòng)壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和分析。

1 系統(tǒng)平臺(tái)組成及設(shè)計(jì)

整個(gè)壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)

由于制動(dòng)缸壓力通過(guò)變送器轉(zhuǎn)換以后變?yōu)?～20 mA的電流信號(hào)，所以需要有相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集卡對(duì)變送器的輸出電流進(jìn)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(yīng)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(shí)該卡具有通道至地面的接地雙重隔離屏障(250 Vrms隔離)，實(shí)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(shí)現(xiàn)高達(dá)64個(gè)通道的測(cè)試，極大地節(jié)省了系統(tǒng)的測(cè)試空間。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)主要包括信號(hào)的實(shí)時(shí)采集顯示，數(shù)據(jù)處理和信號(hào)的回放等功能。每部分都包括用戶界面和程序功能的設(shè)計(jì)。由于系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能較多，而功能又相互獨(dú)立，為方便程序設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)前面板主要將各模塊集成，便于調(diào)用。主界面包括采樣參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)曲線顯示部分、數(shù)據(jù)分析處理。參數(shù)設(shè)置用于上位機(jī)和數(shù)據(jù)采集箱之間的通信設(shè)置，通過(guò)它可對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率和通道選取進(jìn)行設(shè)置。實(shí)時(shí)曲線顯示可對(duì)采樣曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，方便試驗(yàn)操作員了解實(shí)時(shí)信息。數(shù)據(jù)分析處理可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回顯、濾波、打印和報(bào)表生成等，方便操作員對(duì)試驗(yàn)曲線進(jìn)行進(jìn)一步的分析查看。

(1)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置主界面(前面板)。如圖3所示。

圖3 參數(shù)設(shè)置主界面

(2)系統(tǒng)自調(diào)零。由于變送器的有時(shí)會(huì)出現(xiàn)零點(diǎn)漂移，所以必須經(jīng)過(guò)校正才能夠得到與實(shí)際相符合的數(shù)據(jù)。變送器調(diào)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(guò)參數(shù)設(shè)置可對(duì)變送器進(jìn)行簡(jiǎn)單的兩點(diǎn)一線調(diào)零。首先讓系統(tǒng)進(jìn)行空采即制動(dòng)缸壓力為零時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)的電流值即為零點(diǎn)壓力值，然后讓變送器接入一固定壓力值通道，保存此時(shí)采集到的電流值。根據(jù)壓力電流變換公式可以計(jì)算出該變送器的變換參數(shù)并進(jìn)行保存。

3.2 實(shí)時(shí)曲線采集與顯示

在參數(shù)設(shè)置完畢后，系統(tǒng)通過(guò)全局變量將參數(shù)設(shè)置中的采樣頻率、通道選取，調(diào)零參數(shù)等參數(shù)傳送到曲線實(shí)時(shí)顯示模塊，可對(duì)采樣通道和采樣頻率進(jìn)行后臺(tái)設(shè)置，通過(guò)連續(xù)電流采集程序即可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。在采樣結(jié)束后可對(duì)曲線進(jìn)行保存，以便進(jìn)行曲線分析［7-8］。圖4為數(shù)據(jù)采集顯示與存儲(chǔ)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(guò)加載兩組不同的文件就能夠?qū)Σ煌瑫r(shí)間內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(chǔ)程序流程圖

系統(tǒng)還引入了報(bào)表生成功能。LabVIEW報(bào)告生成工具包是LabVIEW中的一個(gè)專用的功能模塊，它實(shí)現(xiàn)了利用Word文檔生成檢測(cè)報(bào)告的方法［9-10］。通過(guò)在指定路徑以“試驗(yàn)報(bào)告”名稱創(chuàng)建并設(shè)計(jì)一個(gè)“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(shè)計(jì)一個(gè)檢測(cè)報(bào)告生成VI程序，利用該程序便可方便快速自動(dòng)生成固定格式的專業(yè)試驗(yàn)報(bào)告節(jié)省了大量的試驗(yàn)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(shè)計(jì)專門的硬件濾波電路，軟件濾波對(duì)于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性顯得格外重要，系統(tǒng)采用了一種通過(guò)移動(dòng)窗口利用最小二乘法進(jìn)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(shí)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(shí)域內(nèi)的低通濾波器，后來(lái)被廣泛地運(yùn)用于數(shù)據(jù)流平滑除噪，它是一種在時(shí)域內(nèi)基于多項(xiàng)式，通過(guò)移動(dòng)窗口利用最小二乘法進(jìn)行最佳擬合的方法。這是一種直接處理來(lái)自時(shí)間域內(nèi)數(shù)據(jù)平滑問(wèn)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(zhuǎn)換到時(shí)域［14-15］。

圖6 在信號(hào)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(shí)際現(xiàn)場(chǎng)采樣，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)際濾波效果我們可以明顯發(fā)現(xiàn)Savitzky-Golay濾波器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑且具有良好的數(shù)據(jù)平滑效果。當(dāng)然，在使用Savitzky-Golay濾波器時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際采樣數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)濾波窗口的大小和結(jié)束進(jìn)行調(diào)整。

圖7 Savitzky-Golay濾波器和巴特沃什低通濾波器瀘波特性對(duì)比圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用虛擬儀器技術(shù)與信息處理技術(shù)，能夠較小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對(duì)UIC重載列車制動(dòng)壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，最多能夠同時(shí)對(duì)64輛列車制動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)。由于系統(tǒng)開發(fā)軟件——LabVIEW具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)分析功能，因此利用LabVIEW強(qiáng)大的數(shù)學(xué)分析功能就能設(shè)計(jì)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(shí)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(duì)用戶更好地分析觀察數(shù)據(jù)是十分有利的，系統(tǒng)的報(bào)表導(dǎo)出功能可以說(shuō)是系統(tǒng)的另一大亮點(diǎn)，它為用戶節(jié)約了實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫時(shí)間，體現(xiàn)出系統(tǒng)人性化的一點(diǎn)。同時(shí)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(jié)構(gòu)程序?qū)ο到y(tǒng)的故障調(diào)試和軟件的升級(jí)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(dòng)機(jī)列車靜置試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。

羅 建(1988－)，男，四川綿陽(yáng)人，碩士生，主要從事虛擬儀器實(shí)驗(yàn)、智能監(jiān)測(cè)等方面的研究。

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

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

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