铁道车轮多点直径测量仪的数采系统研究

　　0　引言

　　列车在高速运行过程中,可能因为左右轮对周长不等而向一个方向偏离,导致脱轨现象,影响列车运营安全。也有可能因为车轮直径的跳动量而产生颠簸,影响列车的舒适度。而直接测车轮周长很不方便,在车测量基本不可能。因此大多采用间接测直径达到测周长的目的。

　　测量车轮直径的方法很多,传统机械式,如80年代以前用的游标卡尺,现在大多用的杆式刻度读数与表盘式刻度读数的专用量具。这类仪器主要缺陷是:测量不方便,手工记录结果,耗时。非接触式的测量仪,如美国Beena Vision and Rail Sci-ences Inc的Lazerview syste和WheelView system[1-2]。这类仪器易受现场坏境如表面油污或灰尘影响,且价格昂贵,不便于普及。机械电子式的仪器发展比较迅速,如芬兰的1M-315和1M-350轮径测量仪[3];丹麦的MINIPROF[4]。国内也相继研发了一些仪器,如文献[5-8],但现有的机械电子式仪器大多是单点测量,部分没有保存数据功能,或者没有测不圆度的功能。

　　该铁道车轮直径测量仪属于机械电子式,它不但具有测量数据自动保存,还可以多点测量兼测不圆度。文中完成了该仪器基于TMS320LF2407(DSP)的数据采集系统的设计。利用2407强大的数据能力,实现多点连续采样数据的功能。再将多点平均处理,使计算出来的结果有更高的精度。该数采系统集成了DSP、蓝牙无线通信等技术,并用PDA(掌上电脑)处理数据和界面显示。

　　1　系统的原理和功能

　　采用弓高弦原理测直径,即定弦长,根据弓高的变化计算直径。其测量原理如图1所示。

　　AB=2L,CD=n,DE=m,EO=l,测头半径r1,支撑圆半径r2,OC=d,测头中心点O的坐标F(x,y),摆杆摆角变化Δα由角度编码器测得,以支撑圆心为X轴,其中垂线为Y轴。计算直径的数学模型为:

　　式中:α=α0+Δα;α0为仪器装好后摆杆与X轴的夹角;Δα为摆杆变化的角度,即控制编码器角度变化值。

　　根据上述原理,其数采系统的功能是控制编码器(编码器A)每滑动等长距离后控制测量编码器(编码器B)采数。将采集到的数通过蓝牙传到PDA进行处理,存储结果并界面显示。当仪器和车轮相对静止时,单点测量该点对应的直径,当仪器和车轮相对运动时,测量多点对应的直径,通过高斯滤波处理,可得到精度较高的车轮直径。由多点的直径再根据最小区域搜索法计算不圆度。

　　2　系统的硬件设计

　　TMS320C2407是适合于数字控制的一种DSP[8],通过把一个高性能的DSP内核和微处理器的片内外设集成为一个芯片的方案。它的每个EV模块都有一个正交编码脉冲电路(QEP电路),这2个正交编码脉冲电路可用于连接光电编码器以获得旋转机械的位置和速率等信息。2407芯片还具有四细分频的作用,可以提高测量精度。因此选用2407作为核心芯片。光电编码器原理结构简单,机械平均寿命高,抗干扰能力强,可靠性高,而且是利用光栅的原理,不需要AD转换,只需细分,正好可以用来跟2407的QEP电路连接,用来采数。