柳曉靜，王培培，林建輝

（1.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031；2.常州西南交通大學(xué)軌道交通研究院，江蘇 常州 213100）

0 引 言

國內(nèi)高校和科研院所在舒適度與平穩(wěn)性測試儀的研制方面取得了突出的成績。西南交通大學(xué)[1-5]從虛擬儀器、單片機、DSP處理器和基于軟核的SOPC處理器的角度，對測試儀進行了研究；北方交通大學(xué)[6-7]以ARM處理器為平臺，通過嵌入式Linux操作系統(tǒng)，對測試儀進行了探討；鐵道科學(xué)研究院[8]的三維加速度及平穩(wěn)性指標(biāo)儀，采用DSP技術(shù)實時計算平穩(wěn)性指標(biāo)，通過內(nèi)置計數(shù)器及GPS提供準(zhǔn)確速度信息；另外，武漢理工大學(xué)[9-11]、浙江理工大學(xué)[12]等高校也對此進行了深入的研究。通過國內(nèi)的研究可以發(fā)現(xiàn)，早期的舒適度與平穩(wěn)性測試儀多以虛擬儀器技術(shù)為核心，以個人計算機為載體，可以滿足數(shù)據(jù)分析與處理的要求，但靈活性不足，體積稍顯龐大。隨著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，以DSP處理器和ARM處理器為核心的解決方案開始出現(xiàn)，DSP處理器以其強大的數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，可以做到數(shù)據(jù)的實時處理，但在人機接口和控制方面略顯不足；而ARM處理器則與之相反，人機接口豐富但數(shù)據(jù)處理能力不足。為了克服以上缺點，該檢測儀采用基于EPC-8000系列工控機主板的嵌入式SoC智能平臺，利用其資源豐富、接口齊全、功耗低、可靠性高等優(yōu)點，省去了一大部分的硬件設(shè)計；其軟件采用Linux操作系統(tǒng)，在保證實時性的同時，加強了人機界面的設(shè)計。

1 檢測儀的硬件結(jié)構(gòu)

檢測儀的硬件構(gòu)架如圖1所示。在檢測過程中，傳感器檢測列車車體垂、橫、縱3個方向的振動加速度，通過PCM-8208BS高速模擬量輸入卡傳入EPC-8000I-L工控機主板進行計算和分析，得到列車車體的實時舒適度與平穩(wěn)性指標(biāo)值，并根據(jù)UIC513《鐵路車輛內(nèi)旅客振動舒適性評價準(zhǔn)則》和GB5595-1985《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和實驗鑒定規(guī)范》[13]進行等級判斷，最后將加速度的實時曲線及數(shù)值、舒適度和平穩(wěn)性的指標(biāo)值及等級實時地輸出到液晶屏上。另外，測試儀還具有原始數(shù)據(jù)和實時運算結(jié)果的保存、與計算機通信等功能。

圖1 檢測儀硬件結(jié)構(gòu)

1.1 加速度傳感器

正常情況下列車車體各個方向的振動加速度值都小于1g，而且特性頻率一般都在10Hz左右，因此檢測儀采用ZW9609A-2型號的IC應(yīng)變?nèi)蚣铀俣葌鞲衅?，其頻響范圍為DC-2500Hz，量程為±2g，輸出電壓信號為0～5V。

1.2 PCM-8208BS高速模擬量輸入卡

該輸入卡具有16路單端輸入通道，能夠?qū)?路模擬信號同時進行采集，并通過PC/104總線接口傳送到主板中。輸入量程從±0.625V，±1.25V，±2.5V，±5V和±10 V可選，可以通過設(shè)置分頻系數(shù)來分配48 Hz的采樣頻率。

1.3 EPC-8000I-L嵌入式工控機主板

其CPU采用高性能的XScale處理器PXA270，工作頻率104～520MHz，具有256MB大容量NAND Flash存儲器、2MB BootLoader NOR Flash和64MB SDRAM存儲器，擁有1個CF卡接口、1路10/100M以太網(wǎng)接口、1路USB HOST接口和5個RS232串口。

1.4 EPC-8000液晶套件

該部分包括 MAA084DVC05、199.5mm×149mm×11.5 mm、8.4″的液晶屏，四線電阻式觸摸屏，逆變器和相關(guān)的線。

2 檢測儀的軟件設(shè)計

2.1 信號處理

由于在列車運行過程中進行振動檢測存在許多干擾，因此需要對振動加速度信號data[N]（N為采樣點數(shù)）進行濾波。首先利用式（1）和式（2）進行均值濾波，來減弱直流分量的干擾。

式中：mean——采樣點數(shù)為N的一組振動加速度信號data[N]的均值；

data′[i]——加速度信號data[i]均值濾波反

對應(yīng)的值，i=1，2，3，…，N。

列車車體有效的振動信號一般在10 Hz左右，因此在計算舒適度時，對高頻干擾信號采用40Hz巴特沃斯低通濾波器[14-15]分別對三路振動信號進行濾波。歸一化10階巴特沃斯濾波器系統(tǒng)函數(shù)為

式中：a1=0.313；a2=0.908；a3=1.414；a4=1.782；a5=1.795。

利用低通濾波器反歸一化關(guān)系式為

式中：νc——截止頻率。

2.2 鐵路車輛乘坐舒適度和平穩(wěn)性評價

UIC513標(biāo)準(zhǔn)中指出了鐵路車輛乘坐舒適性的評估方法：每隔5s進行加權(quán)有效值的計算，5min期限內(nèi)對這些有效值進行統(tǒng)計分析得出平均乘坐舒適性指數(shù)和等級。本檢測儀采用簡化式（5）進行平均乘坐舒適度指標(biāo)的計算，根據(jù)計算結(jié)果劃分列車綜合舒適度等級。

式中：NMV——用簡化方法計算的舒適度指標(biāo)值；——分別表示每5 s進行對地板橫、縱、垂3向加速度進行加權(quán)有效值的計算結(jié)果；

95——5 min期限內(nèi)分別對60個有效值進行

統(tǒng)計，計算95%置信概率對應(yīng)的有效值。

GB 5595-1985標(biāo)準(zhǔn)推薦在計算平穩(wěn)性指標(biāo)時，對于車體加速度的頻譜分析取20 s，以2 s為一段，對每段的采樣點進行快速傅里葉變換得頻譜，最終頻譜圖為10段頻譜圖的均值。根據(jù)該頻譜利用平穩(wěn)性計算式（6）和式（7）得出平穩(wěn)性指標(biāo)，進而劃分列車平穩(wěn)性等級。

式中：Wi——振動波形進行頻譜分析后在頻率為fi時的平穩(wěn)性指標(biāo)值；

Ai——頻率為fi時的振動加速度幅值；

F（fi）——頻率為fi時的頻率修正系數(shù)；

W——合成平穩(wěn)性指標(biāo)值；

n——選定頻率范圍內(nèi)振動波形進行頻譜分組的組數(shù)。

2.3 檢測儀人機界面的設(shè)計

檢測儀使用Monta Vista Real time Linux操作系統(tǒng)，基于GTK+1.2進行GUI編程。GTK（GIMP Toolkit）是一套用于創(chuàng)建圖形用戶界面的工具包，利用GTK+進行檢測儀的人機界面設(shè)計如圖2。

圖2 檢測儀的人機界面圖

人機界面包括3大部分：菜單欄、繪圖區(qū)、數(shù)值及狀態(tài)顯示區(qū)。菜單欄中有“Save”、“Setting”、“Start”、“Pause”“Help”、“Quit”6 個按鈕，分別用于保存原始數(shù)據(jù)、設(shè)置參數(shù)、啟動程序、暫停程序、顯示幫助信息、退出程序；繪圖區(qū)用于實時顯示三向加速度的曲線；數(shù)值與狀態(tài)顯示區(qū)用于實時顯示三向加速度值、舒適度和平穩(wěn)性的指標(biāo)及等級。

2.4 檢測儀的算法設(shè)計

根據(jù)UIC513標(biāo)準(zhǔn)和GB 5595-1985，每5s計算一次加速的加權(quán)有效值，每2 s計算一次頻譜，因此系統(tǒng)需要以10 s為時間間隔周期循環(huán)進行，即系統(tǒng)保存的原始采樣數(shù)據(jù)以10s為周期進行更新。另外，檢測儀采樣頻率1000Hz，PCM-8208BS的輸入端采用使能半滿中斷，即工控主板的輸入緩沖區(qū)每512ms接收來自PCM-8208BS FIFO寄存器的512個加速度數(shù)據(jù)。因此主程序以512ms為周期循環(huán)運行，為了保證系統(tǒng)的實時性，把平穩(wěn)性和舒適度的運算程序拆分成20個子程序分散到每一個主循環(huán)中進行。對與每個主循環(huán)執(zhí)行以下操作：從輸入緩沖區(qū)讀取一次原始數(shù)據(jù)存入全局?jǐn)?shù)組中，繪制4次加速度曲線、進行一次數(shù)據(jù)保存和一次運算。主循環(huán)流程圖如圖3所示。

圖3 主循環(huán)流程圖

表1 檢測儀/計算機計算的舒適度值比較

表2 檢測儀/計算機計算所得的橫向平穩(wěn)性值比較

表3 檢測儀/計算機計算所得的垂向平穩(wěn)性值比較

該算法極大地提高了運算的實時性，實現(xiàn)了每5 s刷新一次舒適度的指標(biāo)和等級，每2 s刷新一次平穩(wěn)性的指標(biāo)和等級，每128ms刷新一次三向加速度曲線和數(shù)值。

3 實驗結(jié)果

為了驗證檢測儀所顯示測試值的準(zhǔn)確性，將檢測儀檢測得到的列車車體原始振動加速度信號傳輸?shù)接嬎銠C中，利用Matlab軟件計算，得到列車的舒適度和平穩(wěn)性的計算值。兩種方法計算出的列車舒適度列于表1中，橫向平穩(wěn)性列于表2中，垂向平穩(wěn)性列于表3中。

4 結(jié)束語

由表格數(shù)據(jù)比較說明，兩種方法得出的評定結(jié)果是一致的，測試儀能夠非常準(zhǔn)確地計算列車的舒適度和平穩(wěn)性，達到實時檢測的效果，其準(zhǔn)確度達到0.001；此外，設(shè)備具有豐富的人機界面和較小的體積，使得檢測更方便、快捷、直觀。該檢測儀已對其軟件設(shè)計部分申請發(fā)明專利，并收到專利申請受理通知書。

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