專利名稱：平輪檢測數據采集與信號處理系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種用于鐵路系統(tǒng)的平輪檢測數據采集和信號處理技術。
(二)
背景技術：
平輪檢測數據采集與信號處理系統(tǒng)是鐵路系統(tǒng)平輪檢測系統(tǒng)的重要組成部 分，在平輪檢測設備的穩(wěn)定性、高效性、智能性、精準性方面起著重要的作用。 其主要作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面(1)對平輪檢測系統(tǒng)前端輸出的模擬電信 號進行采集，為平輪檢測系統(tǒng)檢測算法提供可信賴的有效的精準數字數據來源。 (2)為計輛、計軸、檢測算法的運行實現(xiàn)提供高效穩(wěn)定的硬件載體。(3)完成 與平輪檢測系統(tǒng)中檢測控制系統(tǒng)的實時通信及數據傳輸。(4)其穩(wěn)定性、高效性、
智能性、精準性決定了評論檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性、高效性、智能性和精準性。隨著
我國國民經濟的持續(xù)發(fā)展，對鐵路運輸也提出更高的要求。隨著我國鐵路第六次
大提速的完美成功，對鐵路平輪檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性、高效性、智能性和精準性提
出越來越高的要求。這也就對平輪檢測數據采集與信號處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性、高效
性、智能性、精準性提出了更高的要求。
數十年來，國內外為實現(xiàn)鐵路平輪的動態(tài)檢測作了不懈的努力，研究了各種
檢測方法。然而至今仍然沒有一種檢測方法成功的實現(xiàn)對平輪的準確穩(wěn)定計輛、
計軸、定量檢測。分析原因，平輪檢測數據采集與信號處理系統(tǒng)及工作方法的成
敗是一個主要因素。目前國內外存有的平輪檢測系統(tǒng)的工作方法都是通過單片機
或者低速DSP芯片控制AD采用串行通信方式將數據采集到單片機或者低速 DSP的外圍存儲器中，然后通過低速的串口或者PCI或者HPI 口傳送到PC機中 然后再進行處理得出檢測結果。隨著鐵路運輸速度的不斷提高，前端數據量也顯 著增大、對數據采集系統(tǒng)提出更高的要求，單片機、低速DSP的低精度、低速 度以及低速的通信方式已經無法滿足鐵路系統(tǒng)提出的新要求。研究新型的平輪檢 測數據采集與信號處理系統(tǒng)及工作方法已經成為鐵路平輪檢測系統(tǒng)中的重要研 究課題。
(三)

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠提高平輪檢測數據采集和數據處理的速度、
精度及穩(wěn)定性，從而提高整個平輪檢測系統(tǒng)的性能指標的平輪檢測數據采集與信 號處理系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的
它由電源模塊、AD采樣輸入前端調理模塊、AD采樣轉換模塊、數據及程序 存儲模塊、中斷管理模塊、高速通信模塊和復位模塊七部分組成。電源模塊為其 它六個模塊提供所需的數字或模擬電壓供給；在AD采樣轉換模塊之前加AD采樣 輸入前端調理模塊；AD釆樣轉換模塊將AD采樣輸入前端調理模塊輸出的模擬信 號轉換成可供DSP處理的數字信號，并通過數據線由DSP控制將轉換后的數字信 號存儲在數據及存儲模塊中的SDRAM里，數據及存儲模塊中的flash與SDRAM的 信號線、地址線、控制線分別與DSP上對應的信號線、地址線、控制線連接，以 實現(xiàn)DSP與數據及存儲模塊的數據傳輸；中斷管理模塊主要與DSP的外部中斷管 腳相連，實現(xiàn)對DSP外部中斷資源的擴展解決外部中斷輸入管腳過少的缺陷；高 速通信模塊中的雙口RAM的數據線與地址線分別與DSP上的數據線與地址線對應 連接，以實現(xiàn)DSP系統(tǒng)與ARM系統(tǒng)的數據傳輸；復位模塊與其他各模塊的復位管 腳相連，為各芯片提供復位信號并實時檢測整個系統(tǒng)工作狀態(tài)。AD采樣轉換模 塊、中斷管理模塊和高速通信模塊相應的控制信號和控制寄存器都是在CPLD中 通過VHDL硬件描述語言對DSP上相應的控制信號、地址線和數據線譯碼實現(xiàn)的。
所述的電源模塊包括數字電源和模擬電源兩大部分；數字電源由輸入濾波網 絡、低壓降穩(wěn)壓電源轉換芯片、輸出濾波網絡構成，板外電源輸入作為輸入濾波 網絡的輸入，輸入濾波網絡的輸出作為低壓降穩(wěn)壓電源轉換芯片的輸入，低壓降 穩(wěn)壓電源轉換芯片的輸出，再連接到輸出濾波網絡的輸入端，最后輸出濾波網絡 的輸出電壓為系統(tǒng)數字電路部分提供電壓供給；模擬電源由輸入濾波網絡、穩(wěn)壓 模塊、輸出濾波網絡構成，板外電源輸入作為輸入濾波網絡的輸入，輸入濾波網 絡的輸出作為穩(wěn)壓模塊的輸入，穩(wěn)壓模塊輸出端連接到輸出濾波網絡的輸入端， 最后輸出濾波網絡的輸出電壓為系統(tǒng)模擬電路部分提供電壓供給。
所述的AD采樣輸入前端調理模塊主要由晶體二極管保護電路和模擬運算放 大器電路組成；晶體二極管保護電路的輸入為平輪檢測系統(tǒng)前端電荷放大器的輸 出，晶體二極管保護電路的輸出作為模擬運算放大器電路的輸入，模擬運算放大 器電路的輸出作為AD采樣轉換模塊的輸入。
所述的AD采樣轉換模塊主要由高速浮點DSP芯片、高速并行ADC芯片、譯 碼電路和ADC轉換控制電路組成；DSP芯片的高4位地址和DSP的地址空間選擇信號作為譯碼電路的輸入，譯碼電路的輸出連接到ADC芯片的片選腳作為ADC的 片選信號；DSP芯片的低3位地址線與ADC的地址線依次相連，DSP的16位數據 線與ADC的數據線相連進行數據傳輸；DSP芯片的讀寫信號及低8位數據線作為 ADC轉換控制電路的輸入，ADC轉換控制電路的輸出端與ADC芯片的轉換控制信 號直接相連作為控制信號的輸入；DSP芯片的讀使能信號直接與ADC的讀使能管 腳相連。
所述的數據及程序存儲模塊由DSP芯片TMS320c67xx、 Flash芯片和SDRAM 芯片組成；DSP的數據線與Flash和SDRAM芯片的數據線相連，DSP芯片的地址 線與Flash和SDRAM的地址線相連，F(xiàn)lash的讀信號腳、輸出使能腳和DSP的讀 使能、輸出使能管腳相連；SDRAM的讀寫使能管腳與DSP的讀寫使能管腳直接相 連；DSP的不同地址空間選擇管腳分別和SDRAM和Flash的片選管腳相連，作為
它們各自的片選信號。
所述的中斷管理模塊由DSP芯片、譯碼器、中斷標識字寄存器和中斷復用器 組成；其中譯碼器、中斷標識字寄存器和中斷復用器在復雜可編程邏輯器件CPLD 內部由硬件設計語言VHDL編程實現(xiàn)其功能；外部中斷作為中斷復用器和中斷標 識字寄存器的輸入中斷復用器的輸入直接與DSP的外部中斷管腳相連作為DSP的 外部中斷輸入；中斷標識字寄存器根據其輸入信號為每種不同的中斷產生一個唯 一的標識字用于DSP區(qū)分每一種不同的中斷；中斷標識字通過DSP的低8位數據 線傳輸給DSP; DSP的第1位地址空間選擇管腳和高4位地址線作為譯碼器的輸 入，譯碼器的輸出與中斷標識字寄存器的片選相連作為中斷標識字寄存器的片選 信號；DSP的讀寫信號與中斷標識字寄存器的讀寫管腳相連接，控制中斷標識字 寄存器的讀寫使能。
所述的高速通信模塊由DSP、雙口RAM、和CPLD控制模塊組成；雙口RAM左 端口的數據線、地址線與與DSP直接相連進行數據傳輸；雙口 RAM左端口的控制 線直接與CPLD的輸出相連，DSP的讀寫控制和地址空間選擇線作為CPLD控制模 塊的輸入；雙口 RAM左端口的地址線、數據線和控制線分別和平輪檢測系統(tǒng)的檢 測系統(tǒng)的地址線、數據線及控制線相連接。
所述的復位模塊由帶有看門狗功能的復位芯片、RC電路和喂狗脈沖發(fā)生器 組成；復位信號作為RC電路的輸入RC電路對復位信號適當延遲后其輸出作為復 位芯片的復位輸入，復位芯片的輸出經上拉后連接到各芯片的復位引腳；喂狗脈 沖由CPLD內部將CPLD時鐘分頻產生；作為喂狗脈沖發(fā)生器的輸出，其與復位芯
片的喂狗脈沖檢測端口相連；復位芯片的看門狗復位腳經上拉與DSP的NMI腳相 連。
此外上述基于DSP的平輪檢測數據采集與處理系統(tǒng)還留有豐富的擴展接口， 可以擴展串口、 LCD、鍵盤、EPROM和定時發(fā)生器等，為將來系統(tǒng)功能升級擴 展做了充分的準備。
本發(fā)明中的電源模塊的主要作用是提供+5.0V、 +3.3V、 1.2V數字電壓供給 和+5.0V、 -5.0V模擬電壓供給；AD采樣輸入前端調理模塊主要有兩個作用。一 是把平輪檢測系統(tǒng)前端電荷放大器傳輸過來的模擬信號作為輸入，然后經過模擬 運算放大器電路對輸入信號進行幅值調整，調整到AD允許的輸入范圍內。二是 電路保護作用。在模擬運算放大器電路輸入前端先讓輸入信號經過晶體二極管保 護電路，將電壓嚴格限制在輸入允許范圍內(本系統(tǒng)為+5 V到-5V)，然后在輸 入到模擬運算放大器，以防止由于意外干擾使運放輸入電壓超過其允許范圍而損 傷器件。從而增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，安全性；AD采樣轉換控制模塊的主要作用是 根據系統(tǒng)要求按照一定的采樣率將AD采樣輸入前端調理模塊輸入進來的模擬信 號精確、實時的轉化成為DSP能夠處理的數字信號；數據及存儲模塊的主要作用 有(1) Flash存儲器存儲程序代碼實現(xiàn)開機自啟動；(2) SDRAM作為ADC輸出 的數字信號的存儲空間；(3) SDRAM為程序運行提供必要的臨時存儲空間。中斷 管理模塊的主要作用是實現(xiàn)對DSP外部中斷資源的擴展解決外部中斷輸入管腳 過少的缺陷；高速通信模塊的主要作用是實現(xiàn)平輪檢測數據采集與信號處理系統(tǒng) 與平輪檢測系統(tǒng)的實時高速通信和互訪。復位模塊的主要作用是(1)為各芯片 提供復位信號；(2)看門狗電路實時檢測系統(tǒng)是否工作正常，不正常的時候自動 復位系統(tǒng)使系統(tǒng)恢復正常工作，從而保證了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性、安全性。
基于DSP的平輪檢測數據采集與處理系統(tǒng)的工作方法主要包括以下幾個步
驟
(1) 系統(tǒng)上電復位，F(xiàn)lash自舉加載程序，跳轉到主程序入口，在主程序中對 DSP主控制器和外圍擴展電路進行初始化，然后進行系統(tǒng)自檢，如果系統(tǒng)無軟硬 件故障則系統(tǒng)進入省電等待模式，等待外部開機中斷信號。如果系統(tǒng)有軟硬件故 障則根據不同的故障產生相應的標識字，存放入雙口 RAM的自檢結果寄存器中， 并通過雙口 RAM給平輪檢測系統(tǒng)的檢測系統(tǒng)發(fā)送中斷信號讓其來讀取系統(tǒng)錯誤 標識字，以采取應急維護措施使系統(tǒng)在最短時間內恢復正常工作。
(2) 步驟(1)的同時由平輪檢測系統(tǒng)前端電荷放大器輸出的模擬信號輸入到AD采樣輸入前端調理模塊中，模擬信號經過幅值調整后輸入到AD采樣轉換模塊， 進入到等待狀態(tài)，等待DSP的采樣轉換命令。
(3) 當DSP的外部中斷檢測到開機磁鋼信號后系統(tǒng)從省電模式進入正常工作模 式，繼續(xù)等待，等待AD采樣開啟磁鋼信號。
(4) 當DSP的外部中斷檢測到AD采樣開啟磁鋼信號后DSP主程序啟動內部定時 器中斷，設定ADC的采樣頻率，并依照采樣頻率給ADC芯片發(fā)出采樣轉化信號。 并實時的將ADC輸出的數字信號轉存到數據存儲模塊中。
(5) 在DSP中根據平輪檢測算法對ADC采樣輸出的數字數據以輪對的形式實現(xiàn) 信號處理。得到平輪信號產生所在的車箱號、輪對號、左右信息以及對應的平輪 信號波形存儲到雙口 RAM中，并通知平輪檢測系統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)來讀取數據。然后 進入等待狀態(tài)，直到監(jiān)測系統(tǒng)來讀數據，并給出數據已讀取完畢響應信號后，DSP 繼續(xù)進行下一組輪對數據的處理。
本發(fā)明的工作原理平輪檢測系統(tǒng)前端電荷放大器輸出的模擬信號輸入到 AD采樣輸入前端調理模塊中，模擬信號經過幅值調整后輸入到AD采樣轉換模塊， 然后由DSP采用中斷工作方式確定精確的采樣率(20KHz)，對AD的輸入信號進 行采樣，并轉存儲到數據存儲模塊中。然后由DSP運行平輪檢測算法找到平輪的 信號及對應的車速。然后根據動力學理論推出的震動能量與扁疤深度的定量關系 得出扁疤的精確大小。同時根據磁鋼信號技術得出平輪信號對應的具體車箱號、 輪對號及左右位置。并通過雙口 RAM實時的傳輸到檢測系統(tǒng)最終將檢測結果顯示 在PC端人機界面上。
本發(fā)明的優(yōu)越性和技術效果(1)系統(tǒng)核心處理芯片TMS320c67xx采用高 精度、高速度浮點DSP芯片代替以往的低速單片機或者低速DSP芯片，最高頻率 可達200MHz，運算速度可達1600MIPS/s和1200MFLOPS/s。提高了數據采集和檢 測算法的速度，從而提高了平輪檢測的精度和效率。(2)首次采用兩片高精度， 多路并行輸入AD轉換器，并將其直接擴展到DSP的CE1空間上，以外部存儲器 方式直接訪問其數據的方式代替了以往的采用多路串行輸入AD轉換器，通過多 路緩沖串口訪問其數據的方案。進一步提高了平輪檢測的精度和效率。(3)將 DSP的特性與ADC采樣相結合通過軟件程序成功由DSP的內部定時器設定采樣率， 產生轉換脈沖信號，與以往的由外部硬件電路時鐘發(fā)生器控制采樣率的方法相比 更加精確、靈活。(4)優(yōu)化電源模塊設計，采用專門的低壓降穩(wěn)壓電源調節(jié)芯片 和濾波網絡。這和現(xiàn)存的以1117A、 7805等普通電源轉換芯片為核心設計的電源相比，在復雜環(huán)境下更能為系統(tǒng)提供穩(wěn)定地I/O電壓和核電壓。(5)使用雙口 RAM芯片作為通信的接口。解決了現(xiàn)有系統(tǒng)使用并口、串口或者HPI通信時在大 數據量時出現(xiàn)傳輸堵塞的問題，與系統(tǒng)采用高速浮點處理器進行高速算法的設計 相統(tǒng)一。(6)在可編程邏輯器件CPLD內部用VHDL語言實現(xiàn)中斷標識字寄存器、 多路中斷復用器、譯碼電路、AD轉換控制器、以及喂狗脈沖發(fā)生器，而沒有使 用外圍器件或者專用芯片來實現(xiàn)。降低了設計成本、簡化了硬件電路，提高了設 計的靈活性。(7)晶體二級管保護電路、AD采樣輸入前端調理電路和看門狗復 位電路的應用保證了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。(8)電路板采用抗干擾設計理念。采用了 3W原則來消除信號間串擾；采用了 20H原則來減小電路板邊緣效應，進一步保 證了電路工作的穩(wěn)定性。
(四)


圖1本發(fā)明所涉及的基于DSP的平輪檢測數據采集與信號處理系統(tǒng)的總 體框圖。
圖2本發(fā)明所涉及的電源模塊的設計原理框圖。
圖3本發(fā)明所涉及的AD采樣轉換模塊的設計原理框圖。
圖4本發(fā)明所涉及的AD采樣輸入前端調理模塊的設計原理框圖。
圖5本發(fā)明所涉及的中斷管理模塊的設計原理框圖。
圖6本發(fā)明所涉及的高速通信模塊的設計原理框圖。
圖7本發(fā)明所涉及的數據及程序存儲模塊的設計原理框圖。
圖8本發(fā)明所涉及的系統(tǒng)復位模塊的設計原理框圖。
圖9本發(fā)明所涉及的工作方法的流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述
本發(fā)明的基于DSP的平輪檢測數據采集與信號處理系統(tǒng)及工作方法，其系 統(tǒng)的總體框圖如附圖l所示。結合圖l，系統(tǒng)以高速浮點DSP TMS320c67xx為 主處理芯片，以復雜可編程邏輯器件EPM7xxxS為輔助控制、處理芯片，控制兩 片模數轉換器ADS78xx對12路前端模擬數據進行實時采集轉換，并用雙口 RAM 芯片IDT70Vxx作為和平輪檢測系統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)的接口實現(xiàn)本系統(tǒng)與監(jiān)測系統(tǒng) 的互訪以及數據的實時高速傳輸。TMS320c67xx外擴一片8M bit FLASH am291vxxxb和兩片16M*8bit的SDRAM HY57V2816xxHC分別用于對程序和數 據的存儲。系統(tǒng)按照模塊劃分可以分為電源模塊、AD采樣輸入前端調理模塊、AD采樣轉換模塊、數據及程序存儲模塊、中斷管理模塊、高速通信模塊和復位 模塊七部分組成。各部分的具體實現(xiàn)如下所述。
系統(tǒng)的電源模塊包括模擬和數字兩大部分。能夠提供+5.0V、 +3.3V、 +1.2V 數字電壓供電和+5.OV、 -5.0V模擬電壓供電。附圖2是電源模塊設計的原理框圖。 結合圖2，數字供電部分主要通過TPS759xx和TPS543xx兩個芯片和輸入、輸 出濾波網絡構成。它們都是美國德州儀器公司專門為DSP、 FPGA/CPLD等芯片 設計的低壓降穩(wěn)壓器，具有電壓調節(jié)作用。TPS759xx實現(xiàn)+5.0V數字電壓到+3.3V 數字電壓的轉換，瞬態(tài)響快速應而且具有熱關斷保護和電源狀態(tài)檢測功能，并能 夠通過軟件開啟或中斷其工作。TPS543xx實現(xiàn)+5.0V數字電壓到+1.2V數字電壓 的轉換，瞬態(tài)響應快速，具有熱關斷保護功能，而且還可以通過調整其i r腳的 下拉阻值/ 可以設置其轉換效率，關系式為
及=5陽贏Q
模擬供電部分直接由外部電源提供，通過輸入濾波網絡、穩(wěn)壓模塊和輸出濾 波網絡后輸出給模擬器件。
需要強調的一點是TMS320c67xx芯片要求+3.3V和+1.2V數字電壓同時供 電。如果無法保證同步必須保證+1.2丫的核電壓先供電，+3.3V的I/O電壓后供 電。本設計中在+3.3V電壓供電處并聯(lián)一個較大的電解電容，在+L2V電壓供電 處并聯(lián)一個較小的電解電容，這樣很好的解決了供電先后次序的問題。
因為根據需要系統(tǒng)要實現(xiàn)對12路輪軌振動信號的采集處理。所以要求AD采 樣轉換模塊要有12個采集通道，進行同時采樣。德州儀器(TI)公司生產的 ADS78xx是快速六通道全差分輸入的雙12位A/D轉換器，它能以500kHz的采 樣率同時進行六通道信號采樣，其內部6只FIFO寄存器用于保存6個通道的 A/D轉換結果，有利于更快的捕捉數據。本設計在TMS320c67xx的EMIF外部 擴展空間CE1上外擴兩片ADS78xx，用EMP71xxS輔助控制來實現(xiàn)AD采樣轉 換模塊。AD采樣轉換模塊的設計原理框圖如附圖3所示。通過譯碼器的不同譯 碼輸出DSP可以選通不同的ADS78xx芯片，從而TMS320c67xx可以象訪問其 外部靜態(tài)存儲器一樣隨意訪問任一片ADS78xx。
AD采樣轉換模塊的工作流程如下 (1)首先TMS320c67xx通過其內部定時器設定好采樣率(20KHz)，然后 依據這個采樣率控制ADCTR發(fā)出啟動轉換命令，該命令啟動ADS78xx的指定
通道完成轉換工作。ADS78xx—共有3根命令線，即HA、 HB、 HC。它們分別 對應A0、 Al; B0、 Bl; C0、 Cl三組采集通道。當所有3根命令線由高電平變 為低電平的時3組采集通道實現(xiàn)轉換。本系統(tǒng)中因為采用了兩片ADS78xx所以 共有6根命令線，用來控制6組，共12路采集通道進行模數轉換。
(2)當命令信號線被抬高后，經過一段時間所有通道轉換完畢。此時可以 通過譯碼器選通相應的ADS78xx并在讀允許信號控制下讀取數據。其中譯碼器 和ADC控制寄存器ADCTR是在CPLD內部用VHDL語言編程實現(xiàn)。
ADS78xx的輸入方式可采用單端輸入或差分輸入，要求+/^端和-/^端之間 的電壓波動范圍為f W 五F。由于平輪檢測系統(tǒng)前端電荷放大器傳輸過來的信號 是單端雙極性信號。為了降低電路的復雜程度設計中ADS78xx采用了單端輸入 方式。其+/^端接信號輸入，-/^端直接與八0878狀內部2.5丫參考相連。此時 ADS78xx允許的電壓輸入范圍為0~5.0V。
因為實際的模擬輸入信號不滿足這個電平要求，所以設計了 AD采樣輸入前 端調理模塊。其設計原理框圖如附圖4所示。附圖4中根據模擬放大器的理論有 如下等式關系成立
<formula>formula see original document page 12</formula>于是當ADS78xx允許的電壓輸入范圍為0 5.0V時，取R1 = 2K， R2 = 10K 則AD采樣輸入前端調理模塊的輸入范圍為-5V +5V。從而滿足了系統(tǒng)要求。另 外晶體二極管保護電路用BATxxS芯片實現(xiàn)。保證了由于意外產生的大幅值干擾 不會對系統(tǒng)器件造成損傷。
基于DSP的平輪檢測數據采集與信號處理系統(tǒng)中共有8個外部中斷源。其中 有兩個分別由兩片ADS78xx產生，通知TMS320c67xx數據轉換完成；有4個由外 部4路磁鋼信號產生(分別為開機磁鋼、ADC轉換啟動磁鋼、采集區(qū)起點標記 磁鋼、采集區(qū)結束標記磁鋼)；1個由雙口 RAM芯片IDT70Vxx產生，通知 TMS320c67xx檢測系統(tǒng)己經讀數完畢；還有一個是系統(tǒng)預留中斷輸入口，作為系 統(tǒng)后期升級擴展用。而TMS320c67xx芯片只有四個可用外部中斷輸入口 INT4、 INT5、 INT6和INT7。為了解決系統(tǒng)外部中斷資源短缺的弊端，作者設計了中斷 管理模塊其原理設計框圖如附圖5所示。當某一個或幾個中斷發(fā)出中斷請求后， 有中斷請求發(fā)生的中斷復用器也將有中斷請求輸出給DSP的外部中斷輸入口。同 時，中斷請求標識寄存器中產生相應的中斷請求標識字，用來表示發(fā)出中斷請求的是何種外部中斷，并一直保存到有清零操作執(zhí)行。當TMS320c67xx響應中斷后 首先到中斷請求標識寄存器中讀取中斷請求標識字，然后將中斷請求標識寄存器 清零，并執(zhí)行相應中斷請求標識字對應的中斷功能子程序中斷請求響應結束后， 執(zhí)行中斷返回等待響應下次中斷請求。
高速通信模塊用于基于DSP的數據采集與處理系統(tǒng)向平輪檢測系統(tǒng)的監(jiān)測 系統(tǒng)實時高速傳輸平輪檢測結果報文和相應數據。該模塊的設計原理框圖如附圖 6所示。IDT70Vxx的核心部分是雙端口存儲陣列，左右兩個端口可以共用該存儲 陣列，并且擁有各自的控制線，在單獨存取數據時，和普通RAM相同。同時讀取 不同存儲空間的數據或同時讀取相同數據空間的數據時，左右端口可以同時進 行。此時，左右端口的BUSY信號同時置高。若對同一存儲空間同時進行存儲操 作時，哪一端的存儲請求信號先出現(xiàn)，則該端的BUSY信號置高，允許存儲。哪 一端的存儲信號后出現(xiàn)，則這一端BUSY信號置低，禁止存儲。值得注意的是， 左右兩端存取請求信號出現(xiàn)的時間差必須大于5ns，不然仲裁邏輯無法判斷哪一 邊的存取請求信號出現(xiàn)在前。如果出現(xiàn)兩端存取請求信號出現(xiàn)的時間差小于5ns 的情況，仲裁邏輯將一邊的BUSY信號置高，將另一邊的BUSY信號置低，從而保 證兩個端口一個執(zhí)行數據存儲，另一端口進行數據讀取，避免了沖突。保證了數 據的高速實時傳輸。
數據及程序存儲模塊由數據存儲單元和程序存儲單元組成。數據存儲單元主 要用于存儲ADC輸出的數字數據，以及為程序運行提供必要的空間。設計中采用 了兩片HY57V2816xx芯片分別擴展到DSP EMIF的CEO和CE2上面， 一共提供了 16M承8Byte的存儲空間，這個空間是根據平輪信號采樣后的數據量決定的。程序 存儲單元主要用于存儲程序代碼。設計中采樣8Mbit的Flash芯片am291vxxxb。 該模塊的設計原理框圖如附圖7所示。
復位模塊設計原理框圖如附圖8所示。主要由復位芯片MAX7xxS、 RC電路、
按鍵和喂狗脈沖發(fā)生器組成。當系統(tǒng)正常工作時喂狗脈沖正常按下按鍵時低平復 位信號輸入RC電路并進行適當延遲后其輸出給復位芯片的復位輸入端，復位芯 片的輸出經上拉后連接到各芯片的復位引腳，從而使系統(tǒng)各芯片復位。當系統(tǒng)工 作不正常時復位芯片得不到正常得喂狗脈沖，復位芯片得WDO腳輸出的電平復位 信號，因復位芯片的看門狗復位腳經上拉與DSP的NMI腳相連，所以導致DSP復 位重起系統(tǒng)。從而保證了系統(tǒng)的安全性。
基于DSP的平輪檢測數據采集與處理系統(tǒng)的工作方法如附圖9所示，主要
包括以下幾個步驟
(1) 系統(tǒng)上電復位，am291v8xxb自舉加載程序，跳轉到主程序入口，在主程序 中對TMS320C67xx主控制器和外圍擴展電路進行初始化，然后進行系統(tǒng)自檢，如 果系統(tǒng)無軟硬件故障則系統(tǒng)進入省電等待模式，等待外部開機中斷信號。如果系 統(tǒng)有軟硬件故障則根據不同的故障產生相應的標識字，存放入雙口 RAM IDT70Vxxx的前8字節(jié)的報文命令字中，并通過雙口 RAM給平輪檢測系統(tǒng)的檢測 系統(tǒng)發(fā)送中斷信號讓其來讀取系統(tǒng)錯誤標識字，已采取急時的維護措施使系統(tǒng)在 最短時間內恢復正常工作。
(2) 步驟(1)的同時由平輪檢測系統(tǒng)前端電荷放大器輸出的模擬信號輸入到 AD采樣輸入前端調理模塊中，模擬信號經過調理幅值調整到0 5V，然后輸入到 ADS78xx的輸入采樣端口，之后ADS78xx進入到等待狀態(tài)，等待DSP的采樣轉換 脈沖。
(3) 當TMS320C67xx的外部中斷檢測到開機磁鋼信號后系統(tǒng)從省電模式進入正 常工作模式，繼續(xù)等待，等待ADS7864采樣轉換開啟磁鋼信號。
(4) 當TMS320C67xx的外部中斷檢測到ADS78xx采樣轉換開啟磁鋼信號后算法 主程序啟動TMS320C67xx內部定時器中斷，設定ADS78xx的釆樣頻率，并依照采 樣頻率給ADS78xx發(fā)出采樣轉化信號。并實時的將ADS78xx輸出的數字信號轉存 到數據存儲模塊的HY57V2816xxH中。
(5) 在TMS320C67xx中根據平輪檢測算法對數據存儲模塊中的數據進行處理， 得到平輪信號產生所在的車箱號、輪對號、左右位置信息、平輪尺寸以及對應的 平輪信號波形存儲到雙口 RAM IDT70Vxx中，并通知平輪檢測系統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)來 讀取數據。然后進入等待狀態(tài)，直到監(jiān)測系統(tǒng)來讀數據，并給出數據已讀取完畢 響應信號后，TMS320C67xx繼續(xù)進行下一組輪對數據的處理。
上述過程(5)中所說的平輪檢測算法包括下面8個步驟
(1) 濾波去除2000Hz以上輪震動波。
(2) 判幅值確定可能的平輪的起震點。
(3) 運用小波分解的方法求起震點的時間，從起震點的時間來判斷平輪落在哪 個傳感器上方。
(4) 比較此傳感器在此區(qū)段幅值是否很大，若大對其進行補償，否則不是平輪。
(5) 運用求此區(qū)段方差的辦法去掉一部分輪震動波，此部分輪震動波的絕對值 方差小。 (6) 接著運用判斷信號的絕對值的極大值超過700 (本程序依據經驗值暫定為 700，此值可變)的數量判斷此信號是否為平輪。
(7) 若是平輪運用插值法求出應補償的系數，對此區(qū)段數據進行補償，然后求 能量判斷平輪大小。
(8) 最后顯示平輪出現(xiàn)的具體位置(包括左右、車箱號、輪對號)以及大小和 其對應的波形圖。
權利要求
1、一種平輪檢測數據采集與信號處理系統(tǒng)，其特征是它由電源模塊、AD采樣輸入前端調理模塊、AD采樣轉換模塊、數據及程序存儲模塊、中斷管理模塊、高速通信模塊和復位模塊七部分組成；電源模塊為其它六個模塊提供所需的數字或模擬電壓供給；在AD采樣轉換模塊之前加AD采樣輸入前端調理模塊；AD采樣轉換模塊將AD采樣輸入前端調理模塊輸出的模擬信號轉換成可供DSP處理的數字信號，并通過數據線由DSP控制將轉換后的數字信號存儲在數據及存儲模塊中的SDRAM里，數據及存儲模塊中的flash與SDRAM的信號線、地址線、控制線分別與DSP上對應的信號線、地址線、控制線連接，以實現(xiàn)DSP與數據及存儲模塊的數據傳輸；中斷管理模塊主要與DSP的外部中斷管腳相連，實現(xiàn)對DSP外部中斷資源的擴展解決外部中斷輸入管腳過少的缺陷；高速通信模塊中的雙口RAM的數據線與地址線分別與DSP上的數據線與地址線對應連接，以實現(xiàn)DSP系統(tǒng)與ARM系統(tǒng)的數據傳輸；復位模塊與其他各模塊的復位管腳相連，為各芯片提供復位信號并實時檢測整個系統(tǒng)工作狀態(tài)。AD采樣轉換模塊、中斷管理模塊和高速通信模塊相應的控制信號和控制寄存器都是在CPLD中通過VHDL硬件描述語言對DSP上相應的控制信號、地址線和數據線譯碼實現(xiàn)的。
2、 根據權利要求1所述的平輪檢測數據采集與信號處理系統(tǒng)，其特征是 所述的電源模塊包括數字電源和模擬電源兩大部分；數字電源由輸入濾波網絡、 低壓降穩(wěn)壓電源轉換芯片、輸出濾波網絡構成，板外電源輸入作為輸入濾波網 絡的輸入，輸入濾波網絡的輸出作為低壓降穩(wěn)壓電源轉換芯片的輸入，低壓降 穩(wěn)壓電源轉換芯片的輸出，再連接到輸出濾波網絡的輸入端，最后輸出濾波網 絡的輸出電壓為系統(tǒng)數字電路部分提供電壓供給；模擬電源由輸入濾波網絡、 穩(wěn)壓模塊、輸出濾波網絡構成，板外電源輸入作為輸入濾波網絡的輸入，輸入 濾波網絡的輸出作為穩(wěn)壓模塊的輸入，穩(wěn)壓模塊輸出端連接到輸出濾波網絡的 輸入端，最后輸出濾波網絡的輸出電壓為系統(tǒng)模擬電路部分提供電壓供給。。
3、 根據權利要求2所述的平輪檢測數據采集與信號處理系統(tǒng)，其特征是 所述的AD采樣輸入前端調理模塊主要由晶體二極管保護電路和模擬運算放大 器電路組成；晶體二極管保護電路的輸入為平輪檢測系統(tǒng)前端電荷放大器的輸 出，晶體二極管保護電路的輸出作為模擬運算放大器電路的輸入，模擬運算放大器電路的輸出作為AD采樣轉換模塊的輸入。
4、 根據權利要求3所述的平輪檢測數據采集與信號處理系統(tǒng)，其特征是 所述的AD采樣轉換模塊主要由高速浮點DSP芯片、高速并行ADC芯片、譯碼電 路和ADC轉換控制電路組成；DSP芯片的高4位地址和DSP的地址空間選擇信 號作為譯碼電路的輸入，譯碼電路的輸出連接到ADC芯片的片選腳作為ADC的 片選信號；DSP芯片的低3位地址線與ADC的地址線依次相連，DSP的16位數 據線與ADC的數據線相連進行數據傳輸；DSP芯片的讀寫信號及低8位數據線 作為ADC轉換控制電路的輸入，ADC轉換控制電路的輸出端與ADC芯片的轉換 控制信號直接相連作為控制信號的輸入；DSP芯片的讀使能信號直接與ADC的 讀使能管腳相連。
5、 根據權利要求4所述的平輪檢測數據采集與信號處理系統(tǒng)，其特征是 所述的數據及程序存儲模塊由DSP芯片TMS320c67xx、 Flash芯片和SDRAM芯 片組成；DSP的數據線與Flash和SDRAM芯片的數據線相連，DSP芯片的地址線 與Flash和SDRAM的地址線相連，F(xiàn)lash的讀信號腳、輸出使能腳和DSP的讀 使能、輸出使能管腳相連；SDRAM的讀寫使能管腳與DSP的讀寫使能管腳直接 相連；DSP的不同地址空間選擇管腳分別和SDRAM和Flash的片選管腳相連， 作為它們各自的片選信號。
6、 根據權利要求5所述的平輪檢測數據采集與信號處理系統(tǒng)，其特征是 所述的中斷管理模塊由DSP芯片、譯碼器、中斷標識字寄存器和中斷復用器組 成；其中譯碼器、中斷標識字寄存器和中斷復用器在復雜可編程邏輯器件CPLD 內部由硬件設計語言VHDL編程實現(xiàn)其功能；外部中斷作為中斷復用器和中斷標 識字寄存器的輸入中斷復用器的輸入直接與DSP的外部中斷管腳相連作為DSP 的外部中斷輸入；中斷標識字寄存器根據其輸入信號為每種不同的中斷產生一 個唯一的標識字用于DSP區(qū)分每一種不同的中斷；中斷標識字通過DSP的低8 位數據線傳輸給DSP; DSP的第1位地址空間選擇管腳和高4位地址線作為譯碼 器的輸入，譯碼器的輸出與中斷標識字寄存器的片選相連作為中斷標識字寄存 器的片選信號；DSP的讀寫信號與中斷標識字寄存器的讀寫管腳相連接，控制 中斷標識字寄存器的讀寫使能。
7、 根據權利要求6所述的平輪檢測數據采集與信號處理系統(tǒng)，其特征是 所述的高速通信模塊由DSP、雙口RAM、和CPLD控制模塊組成；雙口RAM左端 口的數據線、地址線與與DSP直接相連進行數據傳輸；雙口RAM左端口的控制線直接與CPLD的輸出相連，DSP的讀寫控制和地址空間選擇線作為CPLD控制 模塊的輸入；雙口 RAM左端口的地址線、數據線和控制線分別和平輪檢測系統(tǒng) 的檢測系統(tǒng)的地址線、數據線及控制線相連接。
8、根據權利要求7所述的平輪檢測數據采集與信號處理系統(tǒng)，其特征是 所述的復位模塊由帶有看門狗功能的復位芯片、RC電路和喂狗脈沖發(fā)生器組成; 復位信號作為RC電路的輸入RC電路對復位信號適當延遲后其輸出作為復位芯 片的復位輸入，復位芯片的輸出經上拉后連接到各芯片的復位引腳；喂狗脈沖 由CPLD內部將CPLD時鐘分頻產生；作為喂狗脈沖發(fā)生器的輸出，其與復位芯 片的喂狗脈沖檢測端口相連；復位芯片的看門狗復位腳經上拉與DSP的NMI腳 相連。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種平輪檢測數據采集與信號處理系統(tǒng)。它由電源模塊、AD采樣輸入前端調理模塊、AD采樣轉換模塊、數據及程序存儲模塊、中斷管理模塊、高速通信模塊和復位模塊七部分組成。本發(fā)明將高速浮點DSP芯片、高速、低功耗、雙12位并行A/D轉換器，雙口RAM芯片和復雜可編程邏輯器件應用到平輪檢測數據采集與處理系統(tǒng)中，開發(fā)了以高速浮點DSP為核心處理器的數據采集與處理系統(tǒng)，提高了平輪檢測數據采集和數據處理的速度、精度及穩(wěn)定性，(系統(tǒng)的控制及通信、監(jiān)控另由ARM-VxWORK完成，通信采用網卡方式)。從而提高了整個平輪檢測系統(tǒng)的性能指標。
文檔編號G01M17/08GK101206162SQ20071014482
公開日2008年6月25日 申請日期2007年12月14日 優(yōu)先權日2007年12月14日
發(fā)明者張興周, 張博為, 戰(zhàn)永興, 楊志剛, 王鵬飛, 田金超, 胡文飛, 郜麗鵬, 亮 韓 申請人:哈爾濱工程大學