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)。
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
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。
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
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
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
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。
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
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
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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