基于DSP的車輪踏面擦傷檢測系統

0 引 言
??? 隨著電氣化鐵路在我國的普及，列車已經進入高速度化時代，車輪踏面的擦傷將嚴重影響車輛與軌道設施的安全和使用壽命。實現自動化檢測車輪踏面狀況迫在眉睫。隨著電子技術的發展，數字信號處理(Digital Signal Processor，DSP)技術取得了巨大的進步，在當今信號處理領域中已占據了主導地位。擦傷振動檢測系統采用振動加速度法進行擦傷檢測，利用壓電式振動加速度傳感器將加速度信號轉換成電荷量，再通過電荷放大器將電荷量轉換成電壓信號值傳遞給DSP進行處理，使用小波分析對采集數據進行處理，最終顯示輪位踏面擦傷狀況。

1 系統布局與工作原理
??? 振動加速度擦傷檢測系統通過檢測車輪和鐵軌動態接觸時發生碰撞產生的振動加速度來判斷車輪踏面的狀態。圖1為振動加速度法的傳感器布局圖。其中，L1，L2，L3，L4，L5及R1，R2，R3，R4，R5為壓電式振動加速度傳感器，S1，S2為光電開關。由于壓電式振動加速度傳感器的輸出為電荷信號，可選擇使用電荷放大器輸出與電荷量成比例的電壓信號，在后續的采集電路對此電壓信號進行采集與轉換時，假設列車從左向右行駛，當車輪行駛到S1處時，光電開關被擋斷，產生開啟采集數據信號，DSP采集系統對10個傳感器輸出信號進行采集和存儲；當車輪行駛至S2處時，光電開關被擋斷，產生停止采集信號，采集系統停止數據采集，保存數據講行數據處理，顯示處理結果。

2 系統硬件設計
??? 利用壓電式振動加速度傳感器對加速度信號進行檢測。采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812作為系統核心，使用片內自帶的12位16通道A／D轉換器對傳感器信號進行采集，因此不再需要另加其他A／D轉換芯片，只需對相關引腳進行配置并引出通道引腳即可。擴展RAM存儲器用于存儲采集數據，同時擴展FLASH存儲器用于程序代碼的存儲；S1，S2光電開關信號作為外部中斷送入DSP；與外部主機的通信采用了DSP片內SCI接口實現。系統整體結構如圖2所示。

2．1 元件性能介紹
??? 壓電式加速度傳感器采用型號為YD-12，其主要技術參數如下：電荷靈敏度為1～10．99 pC／ms2；測量加速度范圍小于等于2 000 m／s2；電纜電容為135 pF；絕緣電阻為104 MΩ；截止頻率和安裝頻率大于20 kHz。
??? TMS320F2812是美國TI公司推出的TMS320C28x系列DSP芯片中的一種，該系列芯片是目前國際市場上功能強大的32位定點DSP芯片。它既具有數字信號處理能力，又具有強大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特別適用于有大批量數據處理的測控場合，如工業自動化控制、電力電子技術應用、智能化儀器儀表及電機、馬達伺服控制系統等。

2．2 DSP信號處理流程
??? 軟件開發采用TI的DSP集成開發環境CCS 2．0，開發語言采用了C和匯編的混合方式。主程序可分為4個模塊，分別為主程序監控模塊、SCI通信模塊、A／D數據采集模塊和中斷服務程序模塊，軟件流程圖如圖3所示。軟件應完成對多通道模擬信號的采集轉換，并在收到正確的主機數據傳輸指令后將其所采集到的數據按一定的格式傳送給主機處理。
??? 本設計中DSP的12位舊模數轉換器，軟件配置為并發采樣雙序列模式為例進行A／D轉換，采用中斷讀取采集數據。系統初始化完成后即可等待采集中斷，采集中斷中開啟序列1的自動化序列轉換，序列1完成轉換后觸發中斷，在序列1的A／D中斷處理程序中再開啟序列2的自動化序列轉換，等待序列2的A／D中斷到達時，再在中斷處理程序中完成采集數據從結果寄存器到儲存器的數據轉移。

3 數據處理
??? 由于小波分析的多分辨率特性，對采集到的振動數據分析時主要使用小波分析法，數據處理流程如圖4。小波分析方法在對非平穩信號的處理中比傅里葉變換更有優勢。與傅里葉變換不同的是，小波變換通過平移母小波獲得信號的時間信息，而通過縮放小波的寬度獲得信號的頻率特性，小波變換在信號低頻處有較好的頻率分辨力，在高頻處有較好的時間分辨力，正是因為小波變換中的時頻窗的可變性使得在檢測擦傷信號時有更高的準確率。

??? 設ψ(t)∈L2(R)，其傅里葉變換為ψ(ω)，當ψ(ω)滿足允許條件時，稱ψ(t)為一個基本小波或母小波，將母小波伸縮平移后得到分析小波或稱小波序列：

?

??? 對于任意的函數f(t)∈L2(R)的連續小波變換為：

????

?其重構公式(逆變換)為：

?由于采樣得到的振動數據與真實的振動信號之間存在零點漂移，因此首先要對數據進行預處理，以消除漂移現象。采集到的振動信號為多頻信號，包含車輪踏面擦傷振動波、鋼軌共振波、鋼軌彈性彎曲變形振動波，以及因踏面本身粗糙不同、車輪材質不同引起的振動波等。經過大量的研究人員檢測發現，擦傷信號處于振動信號的低頻部分，一般在2 500 Hz以下，因此處理過程中采用小波包分解一重構法對信號進行濾波，有效地保證了信號的完整性。
??? 車輪踏面擦傷必然引起采樣信號幅值的突變，對采樣數據使用離散二進小波快速算法，計算所得的小波系數中，突變點對應了二進小波變換后細節系數模的極大值，而這些極值點也對應了擦傷振動發生的時刻。在過去的數據處理中，往往是根據大量的現場實際檢測確定一個普遍適用的閾值，即在一個檢測現場中使用同一個閾值。首先找出大于閾值的奇異點，然后再做下一步判斷。考慮到檢測現場過往車輛因車速、車量、檢測環境有所不同，因此傳感器的測量結果也會不同，同一個閾值可能適用于一種環境的檢測，但不能適用于另一種環境的檢測，如果還使用同一個閾值必然會導致檢測結果的不可靠。觀察數據發現，無論是哪種環境，如果車輪踏面存在擦傷，擦傷產生的幅值較大，這種較大的幅值在整個測量信號中占的比例較小，所以可以通過計算細節系數的直方圖，以出現概率較小的點所對應的采樣點的幅值為閾值處理數據，這樣就實現了不同的采樣數據根據自身數據的特點得到不一樣的判斷閾值，從而加大了判斷的準確度。

圖5中給出兩組不同采樣信號的直方圖(信號均來自成都車輛段現場采集)，在Matlab中經過程序計算得到閾值，圖5(a)中信號的閾值為1．56，圖5(b)信號的閾值為4．43。可見，信號本身特性的不同，所得到的閾值也不一樣。

4 實際檢測結果
??? 該檢測系統在成都車輛段安裝進行正確性試驗，由檢測到的實際過車數據，以及數據處理完成后的顯示結果與實際列車狀態的對比表明，基于DSP的列車踏面擦傷檢測系統可以有效地檢測出車輪踏面狀態。在驗證系統的性能時，首先是使用榔頭在軌道上敲擊產生振動，檢驗算法處理是否能夠準確地分辨出敲擊點，然后進行的實際過車數據采集，并將檢測結果與列車的實際狀況進行比對。圖6(a)是在敲擊軌面三次采集到的原始數據，原始數據中有明顯的三個峰值。圖6(b)是檢測的結果。可見，該算法準確地捕獲了三次敲擊。圖7(a)為采集的實際過車數據，圖7(b)是相應的檢測結果。從結果中看到，產生該振動的車輪踏面存在一處擦傷。

5 結 語
??? 基于DSP的設計方案所形成的踏面擦傷檢測系統充分利用數字信號處理的優點，具有檢測速度快，存儲數據容量大等特點，采用了適合分析非平穩信號的小波變換的方法檢測擦傷點，并且在處理過程中充分利用了數據本身的統計特性，通過計算直方圖達到自適應閾值的目的，而且系統最終可以由擦傷點判別擦傷輪位，方便了工作人員的檢修工作。