何　飛， 靖永志， 張昆侖

(1.磁浮技術(shù)與磁浮列車(chē)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610031; 2.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

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基于LabVIEW的磁浮車(chē)氣隙傳感器測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

何飛1,2， 靖永志1,2， 張昆侖1,2

(1.磁浮技術(shù)與磁浮列車(chē)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610031; 2.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

摘要:磁浮車(chē)氣隙檢測(cè)常采用電渦流傳感器，其在0～20 mm量程范圍內(nèi)非線性嚴(yán)重，在實(shí)際工作時(shí)需要進(jìn)行非線性校正，同時(shí)傳感器工作環(huán)境惡劣，屬于易損器件，需要經(jīng)常檢測(cè)維護(hù)。設(shè)計(jì)了一種氣隙傳感器測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)以現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)作為控制核心，使用LabVIEW編寫(xiě)人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)了磁浮車(chē)氣隙傳感器輸出特性的快速測(cè)試與在線校正。系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、人機(jī)交互友好等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)可方便監(jiān)測(cè)傳感器內(nèi)部原始特性，經(jīng)該系統(tǒng)校正后的傳感器輸出線性度良好，能滿足磁浮列車(chē)懸浮控制系統(tǒng)要求。

關(guān)鍵詞:磁浮車(chē)； 氣隙傳感器； 現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列； LabVIEW； 非線性校正

0引言

磁浮車(chē)作為一種新型的交通工具，具有能耗低、噪音小、安全、舒適、維護(hù)少等優(yōu)點(diǎn),是一種非常理想的陸路交通工具，有著廣闊的應(yīng)用前景[1]。氣隙傳感器是懸浮控制系統(tǒng)的重要組成部分，它將采集到的懸浮氣隙大小變換為電信號(hào),提供給懸浮控制系統(tǒng)，懸浮控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整電磁鐵線圈中的電流使軌道與懸浮電磁鐵之間的氣隙保持在10 mm左右[2]。氣隙檢測(cè)常采用調(diào)幅式電渦流傳感器，其在0～20 mm量程范圍內(nèi)非線性嚴(yán)重，在實(shí)際工作時(shí)需要進(jìn)行非線性校正。另外,傳感器工作在高溫、強(qiáng)磁場(chǎng)、振動(dòng)大的環(huán)境中，出現(xiàn)故障的幾率比較大，因而,研究氣隙傳感器測(cè)試系統(tǒng)是一項(xiàng)有價(jià)值的工作?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)接口資源豐富，內(nèi)部程序并行運(yùn)行，處理能力強(qiáng)大，在實(shí)時(shí)性要求較高的測(cè)試系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[3～5]基于LabVIEW搭建的虛擬儀器取得了很好的效果。本文利用FPGA的高速并行與自由可編程特性，結(jié)合LabVIEW便捷易于操作的儀器專用界面優(yōu)點(diǎn)[6]，設(shè)計(jì)了磁浮列車(chē)氣隙傳感器專用測(cè)試系統(tǒng)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)滿足傳感器特性研究與在線校正等工作需求，可以在后期維護(hù)中方便快速檢測(cè)傳感器特性，為傳感器維護(hù)提供數(shù)據(jù)參考。

1系統(tǒng)構(gòu)成

磁浮車(chē)氣隙傳感器測(cè)試系統(tǒng)如圖1，虛線框內(nèi)為氣隙傳感器。將氣隙傳感器固定于軌道上方，PC發(fā)出控制信號(hào)，經(jīng)FPGA和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)絲杠的傳動(dòng)，每步進(jìn)一次，氣隙傳感器與軌道垂向相對(duì)運(yùn)動(dòng)0.1 mm，步進(jìn)一次結(jié)束后啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換一次，采樣一個(gè)12位數(shù)據(jù)送入FPGA，處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)RS—232送入PC。

圖1　氣隙傳感器測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 1　Structure of test system of gap sensor

其中，PC端采用LabVIEW編程搭建人機(jī)界面，通過(guò)RS—232通信實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)控制、傳感器特性數(shù)據(jù)讀取以及傳感器校正數(shù)據(jù)的發(fā)送。

2FPGA模塊

FPGA即現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件，它將半定制的門(mén)陣列電路的優(yōu)點(diǎn)和可編程邏輯器件的用戶可編程性結(jié)合在一起，使其不僅包含大量的門(mén)電路、速度快、功耗低，使設(shè)計(jì)的電子產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)小型化、集成化和高可靠性，而且器件具有用戶可編程特性，極大減少設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)費(fèi)用，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)[7]。本系統(tǒng)所選用的FPGA是Xilinx 公司的Spartan—3AN系列的XC3S50AN芯片。如圖2所示為FPGA模塊框圖。

圖2　FPGA模塊框圖Fig 2　Block diagram of FPGA module

圖2中，各子模塊時(shí)鐘信號(hào)均由FPGA分頻產(chǎn)生。FPGA實(shí)現(xiàn)12位AD的控制、電機(jī)控制、校正以及串口通信等。

2.1校正模塊

磁浮車(chē)氣隙傳感器通常采用電渦流式傳感器，在實(shí)際使用中傳感器輸出與氣隙大小并不是線性關(guān)系，或者僅在比較小的測(cè)量范圍內(nèi)呈現(xiàn)線性關(guān)系，懸浮控制系統(tǒng)要求氣隙傳感器在0～20 mm的范圍內(nèi)保持良好的線性度，因此,必須加入校正環(huán)節(jié)進(jìn)行非線性校正。本系統(tǒng)采樣查表的方式進(jìn)行非線性校正，在FPGA內(nèi)軟件實(shí)現(xiàn)，其中校正參數(shù)來(lái)自于在線校正時(shí)，由上位機(jī)經(jīng)串口發(fā)送的存入FPGA中的實(shí)際氣隙值和傳感器原始特性數(shù)據(jù)。只需對(duì)每一個(gè)輸入查表得到一個(gè)相應(yīng)的輸出即可。

2.2數(shù)據(jù)打包和FIFO模塊

對(duì)傳感器進(jìn)行在線校正時(shí)需要知道傳感器原始特性曲線，而在線測(cè)試時(shí)需要校正后的線性數(shù)據(jù)，因此,需要將兩組數(shù)據(jù)都發(fā)送給PC，如此可方便研究與工作兩個(gè)階段對(duì)傳感器性能的了解，也為后期維護(hù)提供方便。數(shù)據(jù)打包模塊用來(lái)將AD輸出的12位原始數(shù)據(jù)和校正后的8位數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，考慮到校正后的8位數(shù)據(jù)最大為11001000(即200)，提取12位原始數(shù)據(jù)的前4位作為一個(gè)新的字節(jié)的低4位，在該字節(jié)高4位填入1111，12位數(shù)據(jù)的低8位形成另一個(gè)字節(jié)，三個(gè)字節(jié)存入FIFO。FIFO是一個(gè)先入先出的存儲(chǔ)器，這里采用同步FIFO，主要起數(shù)據(jù)緩沖的作用，從而防止數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的丟失和重復(fù)讀取。在ISE里可以通過(guò)IP Core很方便地定制各種FIFO。

2.3串行通信模塊

串行通信模塊用于PC與FPGA通信?？紤]到RS—232協(xié)議簡(jiǎn)單，所需成本低，易于用FPGA實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，另外測(cè)試時(shí)只需短距離通信，本系統(tǒng)采用RS—232協(xié)議通信。由于RS—232的電氣特性與FPGA引腳不相同，因此，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)采用MAX3223芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。串行通信模塊包括以下三個(gè)子模塊：波特率發(fā)生器、串口接收模塊以及串口發(fā)送模塊[8]。其中串口發(fā)送模塊用來(lái)向PC發(fā)送AD輸出的原始數(shù)據(jù)和校正后的數(shù)據(jù)，串口接收模塊用來(lái)接收來(lái)自PC的控制信號(hào)和校正所需參數(shù)。

3LabVIEW模塊

使用LabVIEW功能強(qiáng)大的圖形編程語(yǔ)言能夠提高編程效率[9]。PC使用 LabVIEW 作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)在計(jì)算機(jī)串口和外設(shè)串口之間建立橋梁。本系統(tǒng)主要用到LabVIEW中儀器I/O的VISA庫(kù)來(lái)讀和寫(xiě)串口數(shù)據(jù)以及用文件I/O來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存。LabVIEW基本處理流程如圖3。

圖3　LabVIEW基本設(shè)計(jì)流程Fig 3　Flow chart of basic design of LabVIEW

啟動(dòng)系統(tǒng)，選擇文件路徑 ，選擇在線測(cè)試模式時(shí)，PC經(jīng)串口發(fā)出命令，控制電機(jī)將傳感器調(diào)至0 mm，再向上每0.1 mm測(cè)試一個(gè)數(shù)據(jù)至20 mm，把AD輸出和校正后的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC,選擇需顯示的波形將會(huì)顯示傳感器的原始特性曲線或校正后的特性曲線。選擇在線校正模式時(shí)，在此模式下，PC依據(jù)所測(cè)AD輸出和實(shí)際氣隙值向FPGA寫(xiě)入校正數(shù)據(jù)。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為測(cè)試本系統(tǒng)的性能，點(diǎn)界面“在線測(cè)試”按鈕，PC將通過(guò)RS—232下發(fā)命令，如圖4所示LabVIEW人機(jī)界面接收到傳感器內(nèi)部12位A/D轉(zhuǎn)換的原始特性數(shù)據(jù)并繪制在界面內(nèi)，同時(shí)存儲(chǔ)在相應(yīng)文件中,由圖可見(jiàn)傳感器原始輸出特性非線性明顯，在實(shí)際氣隙大于10 mm時(shí)，傳感器輸出特性曲線轉(zhuǎn)為平緩。

圖4　傳感器原始特性曲線Fig 4　Original characteristic curve of sensor

經(jīng)判定測(cè)試數(shù)據(jù)沒(méi)有問(wèn)題之后，點(diǎn)“在線校正”按鈕，上位機(jī)通過(guò)串口將校正數(shù)據(jù)下發(fā)給傳感器內(nèi)部的FPGA更新校正參數(shù)。為驗(yàn)證校正校果，再啟動(dòng)“在線測(cè)試”程序，其測(cè)試結(jié)果如圖5所示，圖中0～20 mm全量程范圍內(nèi)傳感器輸入輸出之間保持嚴(yán)格的線性關(guān)系，表明在線校正后的輸出特性有明顯的改善。

圖5　校正后傳感器特性曲線Fig 5　Corrected characteristic curve of sensor

5結(jié)論

本系統(tǒng)充分利用了LabVIEW和FPGA的強(qiáng)大功能,得到開(kāi)發(fā)效率高、功能較完備、自動(dòng)化程度高的測(cè)試系統(tǒng)，能較好地完成對(duì)磁浮車(chē)氣隙傳感器的在線測(cè)試和在線校正，達(dá)到了利于傳感器研究、測(cè)試、維護(hù)的目的。在實(shí)際工作中，本系統(tǒng)可以用于磁浮車(chē)氣隙傳感器的標(biāo)定、功能測(cè)試以及在線校正等。

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何飛(1990- )，男，湖北仙桃人，碩士研究生，主要從事磁浮列車(chē)、傳感器技術(shù)研究。

靖永志,通訊作者,E—mail:jyzbenben@163.com。

Design of test system for maglev train gap sensor based on LabVIEW*

HE Fei1,2， JING Yong-zhi1,2， ZHANG Kun-lun1,2

(1.Key Laboratory of Magnetic Suspension Technology and Maglev Vehicle,Ministry of Education,Chengdu 610031,China; 2.School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Abstract:The eddy current sensor is employed to detect suspension gap in maglev train，and input-output characteristic of eddy current sensor is serious nonlinear when the gap range of 0～20 mm,so the sensor should be calibrated,and sensor works in harsh environment and thus it is vulnerable and inspection and maintenance is needed sure.A gap sensor test system is designed to monitor the sensor characteristic and calibrate the nonlinear error.The main control unit of this system is designed with FPGA and the man-machine interface is compiled by LabVIEW,fast test and online calibration of output characteristic of maglev train gap sensor are realized.It has many advantages such as simple hardware structure and friendly man-machine interface.The experimental results show that the system can monitor the original characteristic of the sensor conveniently,output linearity of sensor corrected by this system is good,and it can meet the requirement of suspension control system perfectly.

Key words:maglev train; gap sensor; FPGA; LabVIEW; nonlinear correction

作者簡(jiǎn)介:

中圖分類(lèi)號(hào):TP 274.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000—9787(2016)01—0085—03

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51377004)

收稿日期：2015—04—20

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)01—0085—03