王出航，陳 思

(長春師范大學計算機科學與技術學院，吉林 長春 130032)

1 研究背景

隨著我國鐵路進入高速時代，平穩(wěn)性和舒適性成為人們關注的焦點，而輪軌力測量是評價這兩者的重要方法之一[1]。輪軌力測量也是軌道車輛動力學測試的重要內容，其反映了軌道車輛的脫軌機理。目前輪軌力測量主要通過連續(xù)測量作用在測力輪上的橫向和垂向力，信號采集通過集流環(huán)獲取應變片傳感器的應變信號，放大和處理后傳輸給上位機[2]。但這種方法在傳輸數據過程中會引入噪聲，影響測量精度，劉慶杰[3]提出了基于集合經驗模態(tài)分解與小波變換相結合的方法來去噪。為了進一步提高測量精度，張冉佳[4]提出了基于遺傳算法優(yōu)化的神經網絡輪軌力精確預測方法。此外，輪軌力測量也得到了廣泛應用，田光榮[5]通過利用測量的輪軌力數據，實現對鐵路貨車運行狀態(tài)準確評價。祖宏林[6]通過分析測量的輪軌力，對高速鐵路軌道狀態(tài)進行有效的評估。以上輪軌力測量都通過有線方式傳輸，存在布線復雜、不便于檢查維修等缺點[7]。于是，基于列車安全性、測量精確性和設備便攜性的要求，無線測量技術的應用顯得尤為迫切。通過無線通信技術可以降低投資成本，數據連通性強，有較強的系統(tǒng)魯棒性。且無線通信技術可以進行遠程控制，以網絡方式訪問。隨著FPGA在微弱和高精度信號采集中的應用[7-8]，其設計靈活、可靠性高、速度快以及可驗證等優(yōu)勢在數據采集領域得到了完全體現。

采用FPGA設計輪軌力測量電路，可對增益進行配置，實現寬范圍的放大倍率，并通過ZigBee無線方式將測量的數據進行傳輸，從而保證輪軌力數據信息的可靠性和安全性。

2 電路方案設計

從設計靈活和降低成本等方面考慮，電路設計不采用傳統(tǒng)集成微處理器方式，而是采用FPGA作為主控，型號為XC6SLX16FTG256，其通過控制多路開關選擇某一路應變片傳感器信號輸入放大電路，然后經過A/D轉換送入FPGA，再由FPGA進行分析后發(fā)送至ZigBee無線通信電路，由ZigBee組網發(fā)送至上位機，整個電路原理框圖如圖1所示。

3 電路詳細設計

電路實現對微弱輪軌力信號測量，主要包括多路開關選擇電路、增益可配置放大電路、A/D轉換電路以及ZigBee無線通信電路，接下來對各個模塊進行詳細設計。

3.1 多路開關選擇電路

由于需要對多路傳感器信號進行采集，為了降低成本和復雜度，共用放大和A/D轉換電路。而電子多路開關具有高速切換能力，且引入干擾很小，其在數據采集系統(tǒng)得到了廣泛應用。因此采用MAX338，通過FPGA控制其地址選擇A0～A2和使能EN引腳，實現對多路輸入的選擇。具體電路如圖2所示。

圖2 多路開關選擇電路原理圖

使能引腳高電平有效，低電平時輸入輸出斷開。A0～A2為“000”時，輸入N01有效。以此類推，A0～A2為“111”時，輸入N08有效。

3.2 增益可配置放大電路

應變片傳感器信號為微伏級信號，需要根據不同環(huán)境情況放大相應倍率，為了放大到該倍率范圍，采用兩級放大電路。第一級采用固定放大倍率為100，第二級采用FPGA控制數字電阻器來配置一定范圍的倍率。此外，還設計有防浪涌和濾波電路。具體電路原理如圖3所示。

圖3中第一級放大由放大器AD621構成，通過連接引腳1和8確定其固定放大倍率為100。第二級放大由放大器AD620和數字電位器MCP41010構成，放大倍率可通過FPGA控制MCP41010的阻止來實現，具體為FPGA通過SPI接口與MCP41010通信來配置變阻器阻值。為了提高電路的可靠性和抗干擾能力，圖3設計有由C4、C5、D2和C6、C7、D3組成的防浪涌電路，以及由運放LTC6261與R4、R5、C3、C8組成的巴特沃斯濾波器電路。經過放大的信號由Aout輸出。

3.3 A/D轉換電路

采用AD7988-1作為A/D轉換芯片，實現模擬信號到數字信號的轉換。AD7988-1為逐次逼近型快速、低功耗、單電源、精密16位ADC，其提供片內采樣保持，沒有任何流水線延遲。A/D轉換電路原理如圖4所示。

AD7988-1與FPGA采用三線式連接方式，SDI與VIO連接，CNV上升沿啟動模數轉換，SDO進入高阻態(tài)。轉換完成后，AD7988-1進入采集階段并進入省電模式。CNV變?yōu)榈碗娖綍r，轉換結果最高位輸出至SDO，剩余數據位隨后依次輸出。

3.4 ZigBee無線通信電路

ZigBee無線通信電路主要由TI公司的CC2530F256芯片構成，FPGA與其通過串口連接，用于發(fā)出命令、讀取狀態(tài)、自動操作和確定無線設備事件的順序。其電路原理如圖5所示。

圖5 ZigBee無線通信電路原理圖

FPGA內部設計有波特率發(fā)送器、串口接收器和串口發(fā)送器來實現與CC2530F256通信。其中串口發(fā)送器的作用是將準備輸出的并行數據按照基本串口幀格式轉換為TXD信號串行輸出；串口接收器接收RXD串行信號，并將其轉換為并行數據；波特率發(fā)生器就是專門產生一個遠遠高于波特率的本地時鐘信號對輸入RXD不斷采樣，使接收器與發(fā)送器保持同步。其中接收器和發(fā)送器狀態(tài)機如圖6所示。

圖6 串口通信狀態(tài)機

4 結語

綜上所述，本文設計了基于FPGA XC6SLX16FTG256和ZigBee CC2530F256的無線輪軌力測量電路，充分利用FPGA內部邏輯單元提供IO、SPI、串口，擴展多路開關選擇、增益可配置放大、A/D轉換以及ZigBee無線通信電路，并對各電路原理進行了詳細描述。無線輪軌力測量電路的實現能有效精確采集輪軌力數值并遠程傳輸，為脫軌機理研究提供基礎，為車輛運行安全和舒適性提供保障，具有良好的應用前景。