柳泓蟄，黃瑞顏，戴志遠(yuǎn)，閆克丁

（1.中國(guó)兵器第二〇一研究所，北京100072；2.西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，西安 710021）

隨著國(guó)防事業(yè)的發(fā)展和技術(shù)推進(jìn)，特種車輛作為軍隊(duì)重要戰(zhàn)略裝備，往往集成復(fù)雜的系統(tǒng)和高新技術(shù)于一體，車體總體性能不斷提高，功能也不斷完善。 變速箱作為控制特種車輛行進(jìn)狀態(tài)的關(guān)鍵部位，變速箱在工作時(shí)其運(yùn)行參數(shù)反映了特種車輛的性能。 特種車輛變速箱參數(shù)主要分為壓力數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)3 種。 目前主要采用人工檢測(cè)方式對(duì)變速箱進(jìn)行檢測(cè)， 將變速箱吊裝在臺(tái)架上，在不同檔位上合適力度，通過轉(zhuǎn)速箱工作聲音判斷其狀態(tài)， 這種方式較大依靠檢測(cè)人員的自身經(jīng)驗(yàn)，也很難判斷出可能存在的故障源。

當(dāng)前，對(duì)于變速箱模擬信號(hào)采集及分析有一些研究進(jìn)展，文獻(xiàn)[1]根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)，各個(gè)擋位速比、差速器速比、輪徑等信息，對(duì)轉(zhuǎn)速傳感器和各個(gè)擋位的傳動(dòng)進(jìn)行建模和標(biāo)定， 對(duì)在行車過程中，換擋后的齒輪工作是否正常進(jìn)行診斷；文獻(xiàn)[2]通過小波分析方法對(duì)某齒輪箱進(jìn)行故障診斷，對(duì)振動(dòng)原始信號(hào)進(jìn)行分解、重構(gòu)及頻譜分析，識(shí)別出齒輪箱內(nèi)部某滾動(dòng)軸承存在故障；文獻(xiàn)[3]通過建立變速箱齒輪故障數(shù)據(jù)庫(kù)， 確定變速箱齒輪的等級(jí)參數(shù)，分析影響變速箱齒輪故障的外在因素，提出了一種適用于各旋轉(zhuǎn)機(jī)組齒輪故障診斷的方法；文獻(xiàn)[4]通過實(shí)車運(yùn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)采集分析，提出了動(dòng)車組齒輪箱技術(shù)狀態(tài)的評(píng)判建議；文獻(xiàn)[5]針對(duì)目前在優(yōu)化傳感器布置時(shí)對(duì)齒輪箱可能發(fā)生的故障信號(hào)是否能被識(shí)別與分離研究較少的情況，將故障可診斷性應(yīng)用于齒輪箱傳感器優(yōu)化布置中；文獻(xiàn)[6]利用小波包能量熵結(jié)合SVM 對(duì)變速箱內(nèi)部軸承故障展開診斷檢測(cè)；文獻(xiàn)[7]通過分析變速箱中齒輪噪聲機(jī)理，構(gòu)建了對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，提出了一種能快速分辨出齒輪箱中齒輪和軸故障的方法，該方法基于小波變換。

為能實(shí)時(shí)、同步監(jiān)測(cè)變速箱運(yùn)行時(shí)的各種性能數(shù)據(jù)，需要設(shè)計(jì)一套特種車輛試驗(yàn)測(cè)試模擬信號(hào)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)特種車輛變速箱運(yùn)行參數(shù)的采集和分析。

1 采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

多路模擬信號(hào)采集系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示，在特種車輛機(jī)變速箱位置安裝各種測(cè)量所用壓力傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器及流量傳感器。 各種傳感器負(fù)責(zé)采集變速箱內(nèi)部的各種運(yùn)行參數(shù)，再傳遞給高速采集卡；由于為了在連續(xù)時(shí)間內(nèi)捕獲更多的變速箱內(nèi)部參數(shù)變化情況，需要用到多路數(shù)據(jù)采集模塊，即高速采集卡，高速采集卡能將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，將每個(gè)通道的信號(hào)記錄與保存；設(shè)計(jì)信號(hào)采集同步觸發(fā)模塊，確保各參數(shù)同步采集，便于分析變速箱參數(shù)間關(guān)聯(lián)性；設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)接收和處理采集卡上傳數(shù)據(jù)。

圖1 多路模擬信號(hào)采集系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of multi-channel analog signal acquisition system

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 傳感器信號(hào)采集模塊

傳感器信號(hào)采集模塊共包括8 個(gè)通道，各自測(cè)量數(shù)據(jù)如表1 所示。 傳感器在安裝時(shí)需要注意，與變速箱之間需要通過墊片調(diào)節(jié)合適安裝位置。 傳感器感應(yīng)端距測(cè)速齒輪（車速齒盤）的齒頂間隙保證在1 mm～1.2 mm 的范圍，用平墊調(diào)節(jié)間隙，并記錄平墊厚度、間隙。 傳感器需安裝在車速傳感器支座上， 安裝前需將支座的螺紋處進(jìn)行清洗。 用2 個(gè)M6X16 的內(nèi)六角螺釘固定支座， 并加Φ6 的彈墊，最后在調(diào)整好傳感器間隙后用螺紋緊固膠緊固。 傳感器間隙調(diào)整好、螺釘緊固后，需用鐵絲將傳感器與支座緊固。

表1 軟件中各通道與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.1 Corresponding relationship between channels in software and actual data

1.1.2 多路數(shù)據(jù)采集模塊

多路數(shù)據(jù)采集模塊組成如圖2 所示，該模塊共有8 路通道，單通道采樣率不低于2 Mbit/s。接收端接收變速箱中傳感器所采集的信號(hào)，該信號(hào)為高頻窄帶信號(hào)，需先經(jīng)過模擬前端電路放大平衡，然后再由ADC 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。其次，利用FPGA 對(duì)ADC 輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將處理后的數(shù)據(jù)緩存到DDR 中。 當(dāng)FPGA 接收到觸發(fā)信號(hào)時(shí)，將處理后的信號(hào)通過PCle 接口通過DMA傳輸?shù)缴衔粰C(jī)緩存，最后上位機(jī)控制中心利用上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理，獲取變速箱油溫、溫度等數(shù)據(jù)。

圖2 多路數(shù)據(jù)采集模塊組成框圖Fig.2 Block diagram of multi-channel data acquisition module

ADC 芯片連接模擬前端的輸出和FPGA 的輸入，其輸入電壓范圍必須滿足模擬前端電路的輸出電壓范圍，同時(shí)ADC 的采樣率必須滿足奈奎斯特采樣率。 該采集模塊選用4 個(gè)雙通道ADS42LB69 芯片實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的8 通道信號(hào)采集， 具有高線性度、雙通道、250-MSPS、功耗低等特點(diǎn)。 考慮到高頻模擬信號(hào)在多通道數(shù)據(jù)采集卡中容易受到信號(hào)干擾，為了避免這種干擾，系統(tǒng)中采用了差分信號(hào)傳輸。 它要求在模擬信號(hào)對(duì)ADC 進(jìn)行校正之前，將單端信號(hào)變換為差分信號(hào)，因此在ADC 電路之前增加了差分放大電路，設(shè)計(jì)的模擬前端電路如圖3 所示。

圖3 模擬前端電路Fig.3 Simulates the front end circuit

當(dāng)差分信號(hào)受到干擾時(shí)，差分的兩條線同時(shí)受到影響，但電壓差變化不大，因此比單端信號(hào)具有更好的抗干擾性能。 多個(gè)信號(hào)采集通道之間幾乎不存在干擾，數(shù)據(jù)采集卡與上位機(jī)之間在數(shù)據(jù)傳輸過程中也不存在干擾。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

特種車輛試驗(yàn)測(cè)試模擬信號(hào)采集系統(tǒng)軟件用于特種車輛實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備數(shù)據(jù)采集和處理工作，所以該軟件應(yīng)具有采集卡參數(shù)設(shè)置、多路傳感器數(shù)據(jù)采集和處理、數(shù)據(jù)波形顯示、極值計(jì)算功能。

多路數(shù)據(jù)采集卡模塊采用PCI 方式與工控機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與控制，通過周期性循環(huán)采集傳感器的數(shù)據(jù)。 對(duì)于這個(gè)測(cè)量系統(tǒng)來講，軟件設(shè)計(jì)非常重要。 本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括：

1）系統(tǒng)初始化：主要完成采集卡采集時(shí)長(zhǎng)、采樣率、采集通道配置及定時(shí)器等微控制器內(nèi)核及外設(shè)功能的初始化；

2）傳感器初始化：讀取安裝在變速箱中的傳感器數(shù)量及序列號(hào)， 并判斷傳感器數(shù)量是否完整，配置信息是否正確，否則重新搜索傳感器，對(duì)傳感器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置；

3）數(shù)據(jù)上傳和轉(zhuǎn)換：變速箱安裝的傳感器采集數(shù)據(jù)為二進(jìn)制編碼格式，通過上位機(jī)解說數(shù)據(jù)后要對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制；

4）數(shù)據(jù)解析與處理：將采集到的傳感器二進(jìn)制編碼進(jìn)行解析，由于存在噪聲干擾，通過濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波剔除干擾，并按照固定的幀格式存放于相應(yīng)的存儲(chǔ)單元；

5）數(shù)據(jù)波形顯示：根據(jù)傳感器采集對(duì)應(yīng)的參數(shù)變量特點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，最終顯示波形或者數(shù)據(jù)樣點(diǎn)值；

6）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：將采集到的傳感器原始數(shù)據(jù)和處理后的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，格式為bin 文件。

多路模擬信號(hào)數(shù)據(jù)采集流程如圖4 所示。

圖4 多路模擬信號(hào)數(shù)據(jù)采集流程Fig.4 Flow chart of multi-channel analog signal data acquisition

本軟件開發(fā)是在Windows 10 平臺(tái)使用QT5.8軟件開發(fā)。 上位機(jī)軟件對(duì)采集卡采集到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，使用QCustomPlot 控件繪制數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化對(duì)應(yīng)的波形。 開始測(cè)試時(shí)，該軟件能夠自動(dòng)完成數(shù)據(jù)接收、處理、顯示等功能。 該軟件支持縮放參數(shù)波形，拖拽查看波形細(xì)節(jié)特征的功能，可以快速提取特征點(diǎn)數(shù)據(jù)。 本系統(tǒng)軟件主界面如圖5 所示。

圖5 多路模擬信號(hào)數(shù)據(jù)采集軟件界面Fig.5 Interface of multi-channel analog signal data acquisition software

2 基于小波信號(hào)變換的信號(hào)提取

由于特種車輛存在各種震動(dòng)干擾，當(dāng)使用系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，如圖6 所示，很難準(zhǔn)確的判斷出目標(biāo)過靶的準(zhǔn)確時(shí)刻，因此對(duì)于采集到的模擬信號(hào)需進(jìn)行去噪處理，消除噪聲的影響，使得目標(biāo)過靶的時(shí)刻能夠準(zhǔn)確的被判斷出來。

圖6 采集卡采集到的模擬信號(hào)Fig.6 Analog signal collected by acquisition card

根據(jù)存在環(huán)境噪聲、 車體機(jī)械震動(dòng)等噪聲特點(diǎn)，本文采用聚類算法和小波變換進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，算法原理如圖7 所示。

圖7 基于小波去噪的信號(hào)分段配準(zhǔn)處理算法原理框圖Fig.7 Block diagram of signal segmentation registration processing algorithm based on wavelet denoising

小波變換能夠?qū)Υ郎y(cè)信號(hào)提供一個(gè)隨頻率改變的“時(shí)間-頻率”窗口，通過伸縮平移運(yùn)算變換可以將傳感器檢測(cè)到的信號(hào)的頻率進(jìn)行多尺度細(xì)化，獲得不同頻率成分。 本項(xiàng)目根據(jù)噪聲的高頻特性，選擇Gauss 小波函數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

由于待測(cè)目標(biāo)信號(hào)主要為低頻成分，高頻成分主要為信號(hào)中的噪聲部分，因此對(duì)信號(hào)進(jìn)行3 層分解，對(duì)其中的高頻成分與低頻成分進(jìn)行區(qū)分。 設(shè)采集的時(shí)間信號(hào)為f（t），利用Gauss 小波函數(shù)對(duì)其進(jìn)行3 層小波分解：

式中：a 為尺度因子，取值一般大于0；τ 為位移參數(shù)，取值可正可負(fù)。

傳感器測(cè)量信號(hào)進(jìn)行小波分解時(shí)，目標(biāo)與噪聲的高頻成分的幅值具有明顯的差異性，因此通過設(shè)定合適的閾值可實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲小波系數(shù)的處理，在一定程度上濾除噪聲信號(hào)，提高信號(hào)的信噪比。 本文采用的小波閾值函數(shù)為

對(duì)于去噪的小波系數(shù)，采用小波逆變換進(jìn)行信號(hào)恢復(fù)，逆變換表達(dá)式為

通過上述濾波變換方式可以有效避免雜波干擾，提取出有效信號(hào)特征點(diǎn)，幫助分析特種車輛各個(gè)參數(shù)反應(yīng)的車輛性能狀況。

3 采集系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

測(cè)試系統(tǒng)搭建示意圖如圖8 所示，外部同步觸發(fā)模塊用于接收外部觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)采集卡開始工作，適用于利用某種環(huán)境信號(hào)觸發(fā)實(shí)驗(yàn)開始。 多路數(shù)據(jù)采集卡將采集到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換和初步緩存，然后將數(shù)據(jù)傳輸給工控機(jī)上。 多路數(shù)據(jù)采集模塊使用兩張PCI-50614 數(shù)據(jù)采集卡搭建，可同時(shí)采集8 路參數(shù)。 工控機(jī)選用研華610L，采用無源底板的插槽由ISA 和PCI 總線的多個(gè)插槽組成， 計(jì)算機(jī)通過PCI 接口讀取采集卡DDR 中的數(shù)據(jù)并存進(jìn)行相關(guān)處理。

圖8 特種車輛模擬信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)搭建Fig.8 Establishment of special vehicle analog signal test system

完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)和搭建后，將傳感器布置在特種車輛變速箱合適位置進(jìn)行相關(guān)測(cè)試試驗(yàn)，傳感器安裝示意圖如圖9 所示。

圖9 測(cè)試系統(tǒng)中所用傳感器及安裝位置Fig.9 Sensor used in the test system and its installation position

特種車輛試驗(yàn)測(cè)試模擬信號(hào)采集系統(tǒng)與安裝在特種車輛對(duì)應(yīng)位置的各傳感器連線后便可開始測(cè)試試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，觸發(fā)源將采集到觸發(fā)信號(hào)傳輸給同步控制器，同步控制器觸發(fā)采集卡開始采集工作，記錄獲得數(shù)據(jù)。 測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。

表2 系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.2 System measurement data

選取其中變速箱輸入轉(zhuǎn)速、變速箱油流量、潤(rùn)滑油壓力的測(cè)試波形如圖10 所示，時(shí)間截取為實(shí)驗(yàn)開始的1300 ms 內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)果，從圖型可知數(shù)據(jù)采集波形完整，噪聲干擾較少。

圖10 測(cè)量數(shù)據(jù)波形顯示Fig.10 Waveform display of measurement data

通過對(duì)多次測(cè)試的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，各項(xiàng)數(shù)據(jù)表明待測(cè)車輛數(shù)據(jù)均滿足系統(tǒng)性能要求，本測(cè)試系統(tǒng)性能穩(wěn)定、測(cè)試結(jié)果可靠，滿足系統(tǒng)測(cè)試需求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種特種車輛變速箱模擬信號(hào)采集系統(tǒng)，用于測(cè)試特種車輛變速箱各種參數(shù)。 該系統(tǒng)由工控機(jī)、高速數(shù)據(jù)采集卡和同步控制器3部分組成， 并開發(fā)了特種車輛試驗(yàn)測(cè)試模擬信號(hào)采集處理軟件。 通過展開外場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)，該系統(tǒng)能快速穩(wěn)定測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，為測(cè)試人員分析特種車輛性能提供了數(shù)據(jù)支撐。