基于DSP的列車走行部故障仿真測試儀設(shè)計(jì)

李朝仕，黃采倫

（湖南科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院， 湘潭 411201）

列車走行部故障仿真測試儀可以對列車走行部故障實(shí)時(shí)監(jiān)測診斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性進(jìn)行測試，使其能確切地監(jiān)測診斷列車走行部故障信號(hào)，并保障在列車上能正常穩(wěn)定地工作。目前，對監(jiān)測診斷系統(tǒng)的一般檢測方法是利用函數(shù)波形發(fā)生器進(jìn)行檢測。然而，市場上通用的函數(shù)波形發(fā)生器輸出通道較少，模式單一，無法滿足實(shí)際采集與復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用中測試的需求。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于DSP芯片TMS320C6726的多通道列車走行部故障仿真測試儀裝置，其充分利用DSP的硬件特性，使用泰勒級數(shù)展開法得到正弦波形的采樣表，再通過不同的調(diào)制方法，合成列車故障振動(dòng)信號(hào)波形，復(fù)現(xiàn)實(shí)際環(huán)境采集的振動(dòng)信號(hào)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件框圖設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括DSP芯片TMS320C6726、擴(kuò)展內(nèi)存SDRAM、FLASH閃存、LCD觸摸顯示屏、D/A轉(zhuǎn)換電路、濾波電路和差分變換電路等。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.2 TMS320C6726簡介

主控芯片TMS320C6726是一款高性能32 bit浮點(diǎn)運(yùn)算型DSP，其CPU采用的是增強(qiáng)型C67X+CPU內(nèi)核，每個(gè)時(shí)鐘周期可并行執(zhí)行8條指令。另外，CPU包含2個(gè)數(shù)據(jù)通道，每個(gè)通道包含4個(gè)功能單元和1個(gè)寄存器組，每個(gè)寄存器組包含32個(gè)32 bit寄存器，共64個(gè)通用寄存器。減輕寄存器壓力，可以讓C編譯器優(yōu)化更復(fù)雜的代碼。其處理速度高于定點(diǎn)DSP，有利于實(shí)現(xiàn)高精度復(fù)雜算法的實(shí)時(shí)處理。

1.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換部分設(shè)計(jì)

數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片采用AD5391，它是一款12 bit，16通道的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片， 使用5 V單電源供電，可以按通道提供可編程增益與失調(diào)，便于系統(tǒng)校準(zhǔn)。各DAC通道均要經(jīng)過雙緩沖，因而通過LDAC引腳可以同時(shí)更新所有DAC輸出。每個(gè)通道均具有一個(gè)能夠以軌到軌方式工作的片內(nèi)輸出放大器。AD5391內(nèi)置2.5 V低漂移基準(zhǔn)電壓源，并含有一個(gè)30 MHz SPI接口和一個(gè)400 kHz I2C兼容接口。

AD5391與TMS320C6726通過SPI串行通信端口連接， SPI0_CLK輸出時(shí)鐘，SPI0_SCS輸出使能低電平信號(hào)，SPI0_SIMO 輸出數(shù)據(jù)，SIP0_SOMI返回?cái)?shù)據(jù)，LDAC提供寄存器數(shù)據(jù)更新低電平信號(hào)，BUSY輸出AD5391芯片是否空閑信號(hào)，SPI_ENA輸出清除寄存器的低電平信號(hào)。SPI端口與數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD5391的硬件連接電路圖如圖2所示。

圖2 數(shù)模轉(zhuǎn)換連接電路圖

1.4 觸摸顯示屏的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的列車走行部故障仿真測試儀采用LCD觸摸顯示屏作為人機(jī)交互界面，通過 LCD觸摸屏輸入列車的行駛速度與滾動(dòng)軸承型號(hào)等波形合成參數(shù)。DSP與LCD觸摸屏連接電路如圖3所示。

LCD觸摸屏采用7.0 inchTFT顯示模塊，該模塊采用的是RA8875 TFT LCD控制器，RA8875驅(qū)動(dòng)芯片是文本和液晶顯示器的雙層圖形模式控制器，可以結(jié)合文本和二維圖形應(yīng)用程序，最大支持中小規(guī)模數(shù)字板800×480的分辨率。內(nèi)置768 byte的顯示內(nèi)存給用戶提供更加靈活多變的實(shí)際需求解決方案。

圖3 觸摸屏連接電路圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 波形合成的原理

直接數(shù)字合成技術(shù)是任意波形合成技術(shù)的核心，按照模型結(jié)構(gòu)的不同，可以分為直接數(shù)字波形合成（DDWS）和直接數(shù)字頻率合成（DDFS）。DDWS技術(shù)可以方便產(chǎn)生任意復(fù)雜的波形，復(fù)現(xiàn)信號(hào)采集系統(tǒng)中的復(fù)雜環(huán)境信號(hào)和現(xiàn)場信號(hào)，并可保證信號(hào)的細(xì)節(jié)不遺漏，實(shí)現(xiàn)高保真的波形信號(hào)輸出。因此本文選擇DDWS模型，DDWS原理圖如圖4所示。

圖4 DDWS原理圖

2.2 波形合成的過程

本文選擇DSP作為系統(tǒng)的處理器，充分利用DSP的高速計(jì)算能力和實(shí)時(shí)性等特性，地址發(fā)生器與可變時(shí)鐘發(fā)生器都由DSP控制，構(gòu)建的直接數(shù)字波形合成的框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)波形合成框圖

根據(jù)LCD觸摸屏輸入的列車行駛速度以及車型參數(shù)，DSP從車型參數(shù)庫中查找匹配的車型，提取出相關(guān)車型的機(jī)械參數(shù)，根據(jù)列車走行部故障特征頻率計(jì)算公式，計(jì)算出列車走行部各部位的頻率。根據(jù)頻率大小，確定一個(gè)正弦周期的采樣點(diǎn)數(shù)，每個(gè)采樣點(diǎn)對應(yīng)一個(gè)正弦角度，利用泰勒級數(shù)展開法，計(jì)算出對應(yīng)正弦角度的數(shù)值，分別存入SDRAM構(gòu)成正弦波形表，展開泰勒級數(shù)展開公式如式（1）：

再根據(jù)列車的故障振動(dòng)機(jī)理以及振動(dòng)特性，計(jì)算故障特征頻率與其他振動(dòng)頻率發(fā)生調(diào)制時(shí)，調(diào)制信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)的波形表。分別存儲(chǔ)在SDRAM波形表中，最后將波形表數(shù)據(jù)循環(huán)發(fā)送給D/A轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，先對系統(tǒng)復(fù)位檢測及初始化、配置與外圍器件通信的MCASP及SPI端口，LCD觸摸屏初始化，配置D/A轉(zhuǎn)換芯片AD5391，然后讀取觸摸屏輸入?yún)?shù)，調(diào)用波形合成子程序，計(jì)算每個(gè)通道的波形表數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在SDRAM中，計(jì)算完成后，DSP通過SPI串行通信端口將所有通道一個(gè)周期數(shù)據(jù)發(fā)送給D/A轉(zhuǎn)換器輸出波形。掃描觸摸屏是否有新參數(shù)輸入，有則返回讀取參數(shù)，重新合成新波形表，沒有則繼續(xù)輸出原來波形表數(shù)據(jù)。主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在DSP編程仿真軟件CCS3.3環(huán)境下，通過仿真器SEED-XDS510PLUS將程序下載到DSP芯片中，輸入車型和車速，用示波器測量到相應(yīng)的輸出波形，如圖7所示為4通道示波器測得的故障仿真波形，其中，通道1為正常狀況下的正弦波形，通道2為有脈沖沖擊時(shí)的諧波波形，通道3為振幅調(diào)制波形，通道4為頻率調(diào)制波形。

圖7 故障仿真波形圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的列車走行部故障仿真測試儀充分利用DSP的特性，波形合成靈活性強(qiáng)，輸出波形穩(wěn)定可靠，反應(yīng)速度快，能產(chǎn)生復(fù)雜多通道的故障仿真振動(dòng)波形。而且系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和擴(kuò)展性較好，只需改變程序中的波形采樣參數(shù)，就可產(chǎn)生正弦波、方波、三角波等普通波形以及其他任意波形。不足之處是由于通道數(shù)增加，數(shù)據(jù)量增大，受數(shù)模轉(zhuǎn)換器速度的限制，只能產(chǎn)生低頻波形信號(hào)。

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