专利名称：便携式列车振动测试仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及列车电气检测领域，具体涉及一种便携式列车振动测试仪。
背景技术：
铁路是交通运输的大动脉，对国民经济的发展起着十分重要的作用。高速铁路的发展是铁路旅客运输业的一场技术革命，代表着铁路客运的发展方向。自1997年至今已经进行了六次大规模提速，特别是2008年4月18日的第六次大提速，我国高速列车正式投入运行，有效地缓解了铁路运量与运能的矛盾，收到了十分显著的社会经济效益。随着列车运行速度的提高，列车车辆运行品质也逐渐成为了人们关注的焦点。衡量列车车辆运行品质的主要技术参数是运行舒适度、平稳性指标，计算这两项指标需要列车车辆运行时振动所产生的垂向、横向和纵向加速度数据。所以，如何得到准确、可靠的加速度数据以及如何选取舒适度、平稳性指标的计算标准成为衡量列车车辆运行品质的关键问题。目前，国内采用的评定标准是nC 513《铁路车辆内旅客振动舒适性评价准则》和《GB5595-85标准》，这两个标准、准则给出了舒适度、平稳性的测试条件、基本算法以及判断基准。对列车进行舒适度和平稳性检测，传统的方法是利用计算机在线采集大量的列车车辆振动所产生的垂向、横向和纵向的振动加速度，根据舒适度和平稳性的基本算法，进行在线或离线计算，得出结果。利用这种方法，无论是采用在线还是离线的形式，都离不开利用个人计算机进行最后的数字计算，这种状况已不能满足现代高速铁路要求检测方便，检测设备小型化、智能化的要求。同时，由于列车的舒适度和平稳性指标与列车的运行速度由密切的关系，传统计算方法没有将列车的瞬时运行速度与计算得到的舒适度和平稳性指标结合起来，具有一定的局限性。

发明内容
本发明的目的在于克服上述技术上的不足，提供一种便携式列车振动测试仪，该测试仪具有便携式、大容量数据存储、实时记录列车运行速度、实时记录列车运行三向加速度、实时记录列车位置、实时绘制速度和加速度曲线、实时计算舒适度和平稳性指标等优点。本发明所提供的便携式列车振动测试仪，由FPGA、加速度模块、频率模块、GPS模块、显示模块、键盘模块、时钟模块、RAM模块、数据存储模块、无线网络模块以及程序存储模块等组成。FPGA是Altera公司的现场可编程门阵列，担当振动测试仪的CPU功能，利用Nois II软件环境搭建内核系统，建立了各种外设接口模块，实现数据的采集与存储、图形界面、数据通信接口等，内嵌浮点运算单元(FPU)，利用Nois II的新增硬件指令功能，在内核系统中调用定制的硬件指令来实现硬件浮点数运算，实现了快速计算舒适度、平稳性指标算法，保证测试仪的实时性，同时具有加速度信号各种图形的显示功能；加速度模块包括垂向、横向、纵向振动加速度以及滤波电路、AD7864电路，FPGA控制AD7864电路对列车三向振动加速度传感器经过抗混叠滤波器的信号进行同步采集，实现测试仪三向振动加速度同步采样；频率模块完成列车速度频率信号的采集，包括速度信号电压限压模块、信号调节模块、信号放大模块、频率采集模块等组成部分；GPS模块完成列车位置(经度、纬度)、速度、方向、标准时间的采集，与CPU之间通过RS-232串口进行数据通讯，由此可确定列车运行的速度、位置等信息；显示模块采用5. 7寸彩色TFT液晶屏，接口为RS232串行接口，用于实时绘制和更新加速度图形、速度图形、位置信息、舒适度及平稳性指标；键盘模块为4X4矩阵键盘，16个按键的功能分别为上、下、左、右、确定、取消、数字O 9，用于人机输入信息；时钟模块采用DS1307芯片为系统提供时间，利用GPS时间对其进行时钟标定；RAM模块用来临时保存采集的加速度数据，且作为计算舒适度和平稳性指标的数据缓冲区；数据存储模块包括板载FLASH存储芯片、SD卡接口和U盘接口，用于保存原始加速度数据以及计算难得结果和相应的速度、位置的信息，测试仪掉电后，数据存储模块中的数据不丢失，可以保存10年；无线网络模块是由Zigbee网络构建，以实现测试仪与计算机的通讯接口，便于计算机对测试仪进行操作控制；程序存储模块用来存储FPGA中的配置信息，同时还用来实现Nois II软件程序存储，实现FPGA上电自动加载运行程序。

所述的便携式列车振动测试仪采用FPGA作为主控制器，设计了独立的舒适度、平稳性指标浮点数计算模块，实现了 UIC 513《铁路车辆内旅客振动舒适性评价准则》和《GB5595-85标准》中规定的列车运行舒适度、平稳性指标算法。同时设计加速度处理模块，能实时绘制加速度曲线。所述的便携式列车振动测试仪利用GPS模块和频率速度模块，可以实时对列车进行位置分析以及速度曲线绘制，建立加速度与速度、位置、时间的对应关系，同时建立列车舒适度、平稳性与之对应的位置、速度关系。所述的便携式列车振动测试仪采用具有并行转化的AD7864芯片，并通过抗混叠滤波电路，使得测试仪具有同步性和强的抗干扰性。该测试仪显示模块中的5. 7寸彩色TFT液晶屏划分成两个区域图形显示区域、数据显示区域。图形显示区域将实时更新列车速度、各向加速度曲线，数据显示区域将实时显示当前时间、列车速度、各向加速度以及舒适度和平稳性指标。该测试仪内置大容量非易失存储器，在IKHz的采样频率下最多可以保存200小时原始加速度数据和计算结果，停电后数据可保存10年，并且非易失存储器内的数据可以通过SD卡或U盘进行拷贝备份。该测试仪使用了 Zigbee无线网络传输模块与计算机进行通讯，实现了对测试仪的无线控制。本测试仪参照TB/T2360-93 “铁道机车动力学性能检验鉴定方法及评定标准”以及GB5599-85 “铁道技术标准性能评定与试验规范”进行设计。由FPGA、加速度模块、频率模块、GPS模块、显示模块、键盘模块、时钟模块、RAM模块、数据存储模块、无线网络模块以及程序存储模块等组成。FPGA是Altera公司的现场可编程门阵列，担当振动测试仪的CPU功能，利用Nois II软件环境搭建内核系统，建立了各种外设接口模块，实现数据的采集与存储、图形界面、数据通信接口等，内嵌浮点运算单元(FPU)，利用Nois II的新增硬件指令功能，在内核系统中调用定制的硬件指令来实现硬件浮点数运算，实现了快速计算舒适度、平稳性指标算法，保证测试仪的实时性，同时具有加速度信号各种图形的显示功能；加速度模块包括垂向、横向、纵向振动加速度以及滤波电路、AD7864电路，FPGA控制AD7864电路对列车三向振动加速度传感器经过抗混叠滤波器的信号进行同步采集，实现测试仪三向振动加速度同步采样；频率模块完成列车速度频率信号的采集，包括速度信号电压限压模块、信号调节模块、信号放大模块、频率采集模块等组成部分；GPS模块完成列车位置(经度、纬度)、速度、方向、标准时间的采集，与CPU之间通过RS-232串口进行数据通讯，由此可确定列车运行的速度、位置等信息；显示模块采用5. 7寸彩色TFT液晶屏，接口为RS232串行接口，用于实时绘制和更新加速度图形、速度图形、位置信息、舒适度及平稳性指标；键盘模块为4X4矩阵键盘，16个按键的功能分别为上、下、左、右、确定、取消、数字O 9，用于人机输入信息；时钟模块采用DS1307芯片为系统提供时间，利用GPS时间对其进行时钟标定；RAM模块用来临时保存采集的加速度数据，且作为计算舒适度和平稳性指标的数据缓冲区；数据存储模块包括板载FLASH存储芯片、SD卡接口和U盘接口，用于保存原始加速度数据以及计算难得结果和相应的速度、位置的信息，测试仪掉电后，数据存储模块中的数据不丢失，可以保存10年；无线网络模块是由Zigbee网络构建，以实现测试仪与计算机的通讯接口，便于计算机对测试仪进行操作控制；程序存储模块用来存储FPGA中的配置信息，同时还用来实现Nois II软件程序存储，实现FPGA上电自动加载运行程序。
本发明与现有技术相比具有以下优点本测试仪采用FPGA作为主控制器，设计了独立的舒适度、平稳性指标浮点数计算模块和加速度处理，实现了 nc 513和《GB5595-85标准》中规定的列车运行舒适度、平稳性指标算法，能实时绘制加速度曲线以及各种特征值的计算。本测试仪利用GPS模块和频率速度模块，可以实时对列车进行位置分析以及速度曲线绘制，建立了振动加速度与速度、位置、时间的对应关系，同时建立了列车舒适度、平稳性与之对应的位置、速度关系。本测试仪采用具有并行转化的AD7864芯片，对三路AD信号进行同时采样，具有同步性，并通过抗混叠滤波电路，使得测试仪具有同步性和强的抗干扰性。本测试仪内置大容量4GB的、非易失的flash存储器，在IKHz的采样频率下最多可以保存200小时原始加速度数据和计算结果，停电后数据可保存10年，并且非易失存储器内的数据可以通过SD卡或U盘进行拷贝备份。本测试仪显示模块中的5. 7寸彩色TFT液晶屏划分成两个区域图形显示区域、数据显示区域。图形显示区域将实时更新列车速度、各向加速度曲线，数据显示区域将实时显示当前时间、列车速度、各向加速度以及舒适度和平稳性指标。本测试仪使用了 Zigbee无线网络传输模块与计算机进行通讯，实现了对测试仪的无线控制。


图I是本发明提供的便携式列车振动测试仪的正视图；图2是本发明提供的便携式列车振动测试仪的左视图；图3是本发明提供的便携式列车振动测试仪的硬件结构框图；图4是本发明提供的便携式列车振动测试仪的软件流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述图I是本发明提供的便携式列车振动测试仪的正视图。如图中所示，便携式列车振动测试仪的壳体上部设置有显示屏1，手持部的正面上设置有操作键盘2。图2是本发明提供的便携式列车振动测试仪的左视图。图3是本发明提供的便携式列车振动测试仪的硬件结构框图。该测试仪采用Altera公司的现场可编程门阵列(FPGA)，利用Nois II软件环境搭建内核系统，实现数据的采集与存储、图形界面、数据通信接口等；内嵌浮点运算单元(FPU)，利用Nois II的新增硬件指令功能，在内核系统中调用定制的硬件指令来实现硬件浮点数运算，实现快速计算舒适度、平稳性指标，保证系统的实时性。主要由以下部分组成FPGA、加速度模块、频率模块、GPS模块、显示模块、键盘模块、时钟模块、RAM模块、数据存储模块、无线网络模块以及程序存储模块等组成。图4是本发明提供的便携式列车振动测试仪的FPGA内核系统的软件流程图。如图所示I.开机、验证用户打开测试仪外壳，可以看到测试面板上液晶显示器、键盘、电源开关、无线通讯接口、充电接口、一个三向传感器和一个GPS外接天线以及一本使用说明书。将传感器和GPS天线取出来按照使用说明书的说明，安装在测试仪上正确位置，同时接上速度频率信号，然后闭合电源开关，在液晶显示器上就会显示出登录界面，输入正确的用户名和密码后，则进入主界面，利用按键可以进行各种操作。2.主界面主界面共有系统参数设置、历史数据查询、数据采集以及上位机通讯等四个操作界面。键盘中“上”、“下”按键用来选中相应的操作项目，“确定”按键用来进入相应的操作界面。3.系统参数设置界面该界面共有四个选项加速度参数、时间参数、用户参数、存储介质参数。通过“上”、“下”键可以在四项之间切换，“确定”键进入相应的参数设置，“取消”键为退出当前操作，并返回上一层界面。4.历史数据查询界面在主界面中选历史数据查询选项时，将进入历史数据查询界面，首先需要输入查看历史数据的时间即年月日时分秒，系统会将离该时间点最近的历史数据显示在界面上，如果系统还没有历史数据，则显示系统无数据，请退出。在显示历史数据时，通过“上”、“下”键可以切换该时间点附近的测量值，而且可以循环查询。5.数据采集界面该界面是实时采集分析界面，包括图形显示区域和数据显示区域。图形显示区域将实时更新列车速度、各向加速度曲线，数据显示区域将实时显示当前时间、列车速度、各向加速度以及舒适度和平稳性指标。6.上位机通讯界面该界面是与计算机接口界面，利用软件可以实现无线控制系统参数设置、用户名与密码管理、数据查询与管理等功能。7、软件操作测试仪配有相应的软件操作。用户名与密码管理利用专用软件可以设置测试仪的登录用户与密码。传感器参数设置该操作包括三向传感器的灵敏度和零点设置，各项设置是独立的。时间设置该操作是设置测试仪的系统时间，掉电可保存。 数据读取该操作是将测试仪内置FLASH中的数据读到计算机硬盘里，可以一次读出所有数据，也可以有选择性的读出某次测试的数据。清除数据该操作将清除测试仪中的数据，要求重新输入用户密码及确认操作。数据分析该操作将对测试仪的数据进行分析，如绘制加速度曲线、频谱分析等。在被测列车上，将加速度传感器固定在国标要求的位置上，GPS天线放窗边，将二者的接头分别接在测试仪的外壳上相应的位置，同时接上列车速度的频率信号，打开电源，测试仪经过初始化后进入操作界面，利用按键可以选择不同的测试功能。在试验过程中车体三向加速度信号通过抗混叠滤波器后进入A/D采样电路，FPGA内核控制A/D采样电路进行模数转换，并采集GPS和频率信号，计算列车当前的位置和速度数据，同时FPGA内核中的FTO利用各项加速度数据实时计算舒适度和平稳性指标，然后保存、更新显示。试验完后，利用无线通讯网络连接测试仪与计算机，通过分析软件可以将测试仪记录的结果与原始的加速度、GPS信号以及速度信号读出，在计算机的数据库中进行保存、分析、查询，同时可以对同一车的数据进行趋势分析，分析列车车体振动随时间或速度的变化过程，判断列车车体 性能状态。与已有技术相比，这种新颖的便携式列车振动测试仪，既能实时计算列车的舒适度与平稳性，同时还能保存原始加速度信号，而且结合GPS和速度频率信号，可以确定各种数据是在什么速度、位置、时间等工况下得到的，为列车的性能状态分析提供更准确的信息，利用专用软件还能实现数据的分析、查询、趋势比较。便携式列车振动测试仪克服传统的振动测试需要依靠计算机的缺点，具有操作简单、携带方便等特点。虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域普通技术人员在所附权利要求的范围内不需要创造性的劳动就能做出的各种变形或修改仍属本的保护范围。
权利要求
1.一种便携式列车振动测试仪，由FPGA、加速度模块、频率模块、GPS模块、显示模块、键盘模块、时钟模块、RAM模块、数据存储模块、无线网络模块以及程序存储模块等组成。FPGA是Altera公司的现场可编程门阵列，担当振动测试仪的CPU功能，利用Nois II软件环境搭建内核系统，建立了各种外设接口模块，实现数据的采集与存储、图形界面、数据通信接口等，内嵌浮点运算单元(FPU)，利用Nois II的新增硬件指令功能，在内核系统中调用定制的硬件指令来实现硬件浮点数运算，实现了快速计算舒适度、平稳性指标算法，保证测试仪的实时性，同时具有加速度信号各种图形的显示功能；加速度模块包括垂向、横向、纵向振动加速度以及滤波电路、AD7864电路，FPGA控制AD7864电路对列车三向振动加速度传感器经过抗混叠滤波器的信号进行同步采集，实现测试仪三向振动加速度同步采样；频率模块完成列车速度频率信号的采集，包括速度信号电压限压模块、信号调节模块、信号放大模块、频率采集模块等组成部分；GPS模块完成列车位置(经度、纬度)、速度、方向、标准时间的采集，与CPU之间通过RS-232串口进行数据通讯，由此可确定列车运行的速度、位置等信息；显示模块采用5. 7寸彩色TFT液晶屏，接口为RS232串行接口，用于实时绘制和更新加速度图形、速度图形、位置信息、舒适度及平稳性指标；键盘模块为4X4矩阵键盘，16个按键的功能分别为上、下、左、右、确定、取消、数字0 9，用于人机输入信息；时钟模块采用DS1307芯片为系统提供时间，利用GPS时间对其进行时钟标定；RAM模块用来临时保存采集的加速度数据，且作为计算舒适度和平稳性指标的数据缓冲区；数据存储模块包括板载FLASH存储芯片、SD卡接口和U盘接口，用于保存原始加速度数据以及计算难得结果和相应的速度、位置的信息，测试仪掉电后，数据存储模块中的数据不丢失，可以保存10年；无线网络模块是由Zigbee网络构建，以实现测试仪与计算机的通讯接口，便于计算机对测试仪进行操作控制；程序存储模块用来存储FPGA中的配置信息，同时还用来实现NoisII软件程序存储，实现FPGA上电自动加载运行程序。
其特征在于 所述的便携式列车振动测试仪采用FPGA作为主控制器，设计了独立的舒适度、平稳性指标浮点数计算模块，实现了 nC 513《铁路车辆内旅客振动舒适性评价准则》和《GB5595-85标准》中规定的列车运行舒适度、平稳性指标算法。同时设计加速度处理模块，能实时绘制加速度曲线。
所述的便携式列车振动测试仪利用GPS模块和频率速度模块，可以实时对列车进行位置分析以及速度曲线绘制，建立加速度与速度、位置、时间的对应关系，同时建立列车舒适度、平稳性与之对应的位置、速度关系。
所述的便携式列车振动测试仪采用具有并行转化的AD7864芯片，并通过抗混叠滤波电路，使得测试仪具有同步性和强的抗干扰性。
2.根据权利要求I所述的便携式列车振动测试仪，其特征在于所述测试仪显示模块中的5. 7寸彩色TFT液晶屏划分成两个区域图形显示区域、数据显示区域。图形显示区域将实时更新列车速度、各向加速度曲线，数据显示区域将实时显示当前时间、列车速度、各向加速度以及舒适度和平稳性指标。
3.根据权利要求I所述的便携式列车振动测试仪，其特征在于所述测试仪内置大容量非易失存储器，在IKHz的采样频率下最多可以保存200小时原始加速度数据和计算结果，停电后数据可保存10年，并且非易失存储器内的数据可以通过SD卡或U盘进行拷贝备份。
4.根据权利要求I所述的便携式列车振动测试仪，其特征在于所述测试仪使用了Zigbee无线网络传输模块与计算机进行通讯，实现了对测试仪的无线控制。
全文摘要
一种便携式列车振动测试仪，用于对列车车体、车下关键设备的振动进行测量，能够在线计算平稳性和舒适度指标，并显示、存储和无线传输数据。它是由FPGA、加速度模块、频率模块、GPS模块、显示模块、键盘模块、时钟模块、RAM模块、数据存储模块、无线网络模块以及程序存储模块等组成。利用在FPGA内构建独立的浮点运算单元(FPU)来保证计算平稳性和舒适度指标的实时性。FPGA作为该测试仪的计算和控制中心，通过加速度模块、GPS模块、频率模块、时钟模块的同步，可以确定振动的大小、振动发生时列车的位置和速度、当前时刻；通过显示模块、数据存储模块和无线网络模块，可以实时显示、存储和无线传输所测数据和计算结果。
文档编号G01M7/02GK102706568SQ20121015875
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月22日 优先权日2012年5月22日
发明者伍川辉, 宁静, 张兵, 林建辉, 苏燕辰, 陈春俊, 陈景琪 申请人:西南交通大学