0 引 言
列車的振動性能,，包括舒適性,、平穩(wěn)性的檢測與*價是新型列車研究,、檢驗過程中的一項重要工作,。隨著我國鐵路新型高速列車研究,、研制及實驗運行工作的大面積展開，十分需要一種方便,、快捷的便攜式列車振動測試儀,。
國內(nèi)有多家單位開展了研制工作,，例如，北京化工大學(xué)開發(fā)的基于DSP的便攜式測振儀，河北工業(yè)大學(xué)研制的便攜式車輛振動測試分析系統(tǒng),，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的便攜式測振儀等。這些專用儀器對常規(guī)速度列車的振動檢測是比較有效的,，信號控制與數(shù)據(jù)采集也比較方便,。但這些設(shè)計多采用有線傳輸方式，對于高速列車,，檢測人員在密閉的車箱內(nèi),，而振動檢測包括車體下方的轉(zhuǎn)向架,、軸箱多處測點,，車下到車上的電纜布線就成了很大的問題,。而且，對已經(jīng)投入運營的高速列車,，檢測布線因為會嚴(yán)重影響車體的氣密性，所以幾乎是不可能的,，即便可以也是非常不便的。
北方交通大學(xué)機電學(xué)院研制的無線便攜式列車測振儀,，雖采用了無線傳輸,，但記錄的數(shù)據(jù)通過最終IC卡下載至地面PC,，由地面分析軟件對原始數(shù)據(jù)進行處理，無法實現(xiàn)實時監(jiān)測,。
因此針對高速列車振動性能檢測的特點及要求,，有必要將測振系統(tǒng)分為車內(nèi)接收端+車下數(shù)據(jù)采集器兩部分，二者之間采用無線連接,，解決布線難的問題,。本文對測振儀關(guān)鍵技術(shù)進行了研究,，研制了以DSP,、藍牙,、GPS為基礎(chǔ)的便攜式列車測振儀,，介紹了在高速列車線路實驗中的試用情況,。
1 系統(tǒng)方案
按照GB 5599-85，列車測振儀主要測試參數(shù)是車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架,、軸箱的振動加速度以及車體和構(gòu)架之間,、構(gòu)架和軸箱間的相對位移,。
列車測振儀分為傳感器,、數(shù)據(jù)采集,、數(shù)據(jù)發(fā)送,、數(shù)據(jù)接收存儲4部分,，該系統(tǒng)一方面是一個相對獨立的系統(tǒng),，它可以可通過藍牙模塊實現(xiàn)與PC／PDA的無線連接，進行信號的采集,、處理,、顯示提供了與PC之間進行有線數(shù)據(jù)通信的接口，在沒有藍牙設(shè)備的情況下,，也可以把系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)送到微機進行二次處理,，既實現(xiàn)硬件冗余性設(shè)計，又方便了系統(tǒng)調(diào)試,。檢測參數(shù)振動加速度位移軸箱轉(zhuǎn)向架構(gòu)架車體二系一系通道,。
此外系統(tǒng)還采用了GPS手持定位儀(如圖1)，獲取*價列車振動性能必需的運行速度信號,。
為確保列車測振儀能正常穩(wěn)定的工作以下問題必須解決：
(1)不能犧牲數(shù)據(jù)采集的精度來換取便攜性,；
(2)數(shù)采盒在車底只能采用電池供電，因此系統(tǒng)功耗必須低,；
(3)系統(tǒng)要能適應(yīng)復(fù)雜的實地檢測環(huán)境,；
(4)為確保數(shù)據(jù)有效傳輸，無線傳輸必須有強抗干擾能力,；
(5)無線傳輸速率要滿足系統(tǒng)基本要求,。
2系統(tǒng)實現(xiàn)
2.1系統(tǒng)硬件
在列車測振儀的數(shù)據(jù)采集過程中，不可避免地會有電氣化鐵路高壓電力線,、動車大功率脈沖電壓和脈動電流對有用信號造成干擾,。為了最大程度地抑制或消除混疊現(xiàn)象對動態(tài)測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的影響，需要設(shè)置抗混疊濾波器,。常用的模擬低通濾波器有3種：
(1)巴特沃思濾波器：通帶平坦,，相位特性最好；7階以上的截止特性和阻帶衰減率滿足本系統(tǒng)抗混疊濾波器要求,。
(2)切比雪夫濾波器：過渡帶陡,，但通帶內(nèi)有一定偏差，且相位特性差,。
(3)濾波器：通帶邊緣過渡帶最陡,，但相位特性也最差。
故本系統(tǒng)選用MAX7480作為抗混疊濾波器,。MAX7480是低功耗8階巴特沃思低通濾波器,，中心頻率1 Hz～2 kHz,，單+5 V供電，工作電流2.9 mA,。
根據(jù)通道數(shù)及精度,、輸入量程、轉(zhuǎn)換速率,、功耗,、工作電壓等指標(biāo)我們選擇了ADS8381,，18位500k逐次逼近(SAR)模數(shù)轉(zhuǎn)換器,。其高動態(tài)范圍改善了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的效能。ADS8381在前8位輸人范圍內(nèi)的非線性小于+／-9.5×10-6,，在頻率為500 kHz時功耗為100 mW,。ADS8381使用一個單獨+5 V電源，溫度范圍為：-40℃到+85℃,。
TMS320F2812 DSP芯片為數(shù)據(jù)采集的核心,，主頻150 MHz，可解決數(shù)據(jù)流量大,、實時性高等問題,。它一方面控制多種信號的采集、緩存以及處理,，另一方面負(fù)責(zé)系統(tǒng)與PDA或PC之間的通信,。數(shù)據(jù)采集器硬件電路主要包括：DSP最小系統(tǒng)、外擴存儲器的接口,、SCI串口通信,。其系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。
2.2數(shù)據(jù)傳輸
列車測振儀借助藍牙通信相連進行無線連接,。藍牙通信具有連線簡單,，無須電平轉(zhuǎn)換；可組網(wǎng),，多機共享,；傳輸速率高接口廣泛，和多數(shù)手持設(shè)備／筆記本電腦連接方便等特點,。藍牙采用跳頻機制進行數(shù)據(jù)傳送,，故能極大提高數(shù)據(jù)傳送的抗干擾性能。由表1,，系統(tǒng)需要的理論帶寬為163.84 kbps,。本設(shè)備無線傳輸速率可達400 kbps以上，充分保證了系統(tǒng)性能,。視距傳輸可達100 m,，完全能夠勝任大部分測試場合。
2.3系統(tǒng)軟件
根據(jù)總體方案設(shè)計，振列車測振儀軟件設(shè)計主要包括DSP數(shù)據(jù)采集發(fā)送程序設(shè)計,、Notebook人機界面程序設(shè)計兩大部分,。DSP采集加速度／位移信號，通過藍牙傳送到Notebook,；Notebook接收,、存儲所有傳送的數(shù)據(jù)，同時繪制變化曲線,。根據(jù)上述要求我們設(shè)計的列車測振儀實物如圖3所示,。
DSP數(shù)據(jù)采集發(fā)送程序?qū)崿F(xiàn)的功能如下：
(1)通過ADC模塊采集傳感器數(shù)據(jù)；
(2)將采集數(shù)據(jù)進行打包,；
(3)查詢藍牙模塊狀態(tài)和寫數(shù)據(jù),。
列車測振儀優(yōu)于其他測振系統(tǒng)的地方不僅在于高精度、高速率,、小體積,、輕重量，還在于它有基于Notebook良好的人機界面(如圖4),。進一步我們擬采用帶藍牙的PDA／智能手機作為接收平臺,。
Notebook人機界面程序主要實現(xiàn)功能如下：
(1)接收、存儲所有列車測振儀發(fā)送的數(shù)據(jù),；
(2)實時分析數(shù)據(jù),，計算、顯示,、保存平穩(wěn)性和舒適性指標(biāo),；
(3)動態(tài)繪制變化曲線。
3列車測振儀試用情況
在我國某高速列車實驗的振動參數(shù)測試中,，對列車測振儀進行了試用,，通過了最高280 km／h動車組實際運行檢驗。圖5為實驗中測得的部分?jǐn)?shù)據(jù),，我們可以看出,，運行中車體的橫垂向振動加速度均在0.1 g左右，而軸箱處則高達數(shù)10 g,。
在高速列車高速運行中,，在受電氣化鐵路高壓電力線(27.5 kV)、動車大功率脈動電壓(±2 000 V)和脈動電流干擾及經(jīng)過橋梁隧道等復(fù)雜路況時均能保持良好的通信,。經(jīng)過了包括-20℃低溫,、雨雪、長時間工作等一系列惡劣條件下的試用,，表現(xiàn)出良好的可操控性和穩(wěn)定性,。民品級GPS在250 km以上時速時初始化困難,，但一旦初始化成功，可充分實現(xiàn)其功能,。
4結(jié) 論
以DSP,、Notebook為基礎(chǔ)，綜合運用藍牙,、GPS等技術(shù)的列車測振儀對于高速列車的振動性檢測具有可靠性,。且本測振儀不僅能用于檢測列車振動性能，在接收端虛擬儀器進行外擴后能很方便的實現(xiàn)頻譜分析,，故障診斷及其他振動測試