基于DSP技術(shù)的接觸網(wǎng)動態(tài)參數(shù)檢測系統(tǒng)

　O 引 言

　　接觸網(wǎng)是一種特殊形式的供電線路，它的任務(wù)是保證對電力機(jī)車提供可靠的不間斷的電能。在電氣化鐵路的運營過程中必須進(jìn)行一系列的接觸網(wǎng)檢測工作，以便及時發(fā)現(xiàn)隱患并克服存在的問題，保證良好的受流。采用激光測距傳感器的新型非接觸式檢測方法測量受電弓滑板變化狀態(tài)并利用高速DSP器件上所編制的算法得到相關(guān)幾何及動力學(xué)參數(shù)，可避免其他檢測方式測量量多及處理速度慢的問題，并實現(xiàn)完全意義上的非接觸式檢測。

　　這里從硬件和軟件方面同時著手，介紹了該檢測系統(tǒng)的開發(fā)過程。硬件電路的DSP采用美國TI公司主推的TMS320C54X系列。該系列的DSP具用相同的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，所不同的是片內(nèi)存儲器和片內(nèi)外設(shè)的硬件資源配置。TMS320VC5402是這個系列的代表產(chǎn)品，因其較高的性價比而成為目前應(yīng)用較為廣泛的DSP芯片之一。C5000的開發(fā)工具使得軟件開發(fā)易于實現(xiàn)，而耗時較多的檢測算法則采用匯編完成。實驗證明，速度有較大提高，滿足了系統(tǒng)的應(yīng)用要求。

　　l 系統(tǒng)資源

　　1．1 TMS320C5402介紹

　　TMS320C5402是TMS320C54X系列DSP芯片中具有代表性的16 b定點DSP芯片。該系列DSP芯片具有以下特點：采用先進(jìn)的修正增強(qiáng)型哈佛結(jié)構(gòu)，片內(nèi)共有8條總線，即1條程序存儲器總線，3條數(shù)據(jù)存儲器總線和4條地址總線；高度并行和帶有專用硬件邏輯的CPU設(shè)計；高度專業(yè)化的指令系統(tǒng)；模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計；能降低功耗和提高抗輻射能力的新的靜電設(shè)計方法。TMS320VC5402是54X系列中應(yīng)用比較廣泛的一種芯片，它有著豐富的接口資源，是一種集數(shù)據(jù)處理和通信功能于一體的高速微處理器，操作速率可達(dá)40～100 MIPS。

　　1．2 可編程邏輯器件

　　該系統(tǒng)選用Alter公司的MAX 7000A，它通過嵌入IEEE標(biāo)準(zhǔn)1149．1 JTAG(Joint Test Action Group)接口支持3．3 V ISP，并具有高級引腳鎖定功能。這種器件具有節(jié)能模式，用戶可以將信號通路或整個器件定義為低功耗模式。因為大多數(shù)邏輯應(yīng)用中只要求小部分邏輯門工作在最高頻率上，所以使用這一特性可使器件整體能耗減少50％以上。MAX 7000A還具有可編程電壓擺率控制、6個引腳或邏輯驅(qū)動輸出使能信號、快速建立時間的輸入寄存器、多電壓I／O接口能力和擴(kuò)展乘積分布可配置等結(jié)構(gòu)特性。

　　1．3 數(shù)據(jù)RAM

　　該系統(tǒng)將數(shù)據(jù)空間擴(kuò)展到128 KWord，用于對采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行暫存，數(shù)據(jù)RAM選用ICSI公司的高速數(shù)據(jù)存儲器IS61LVl2816，此芯片的電源電壓為3．3 V，與TMS320C54X外設(shè)電壓相同，無需電平轉(zhuǎn)換。其容量為128 KWord，主要特征為：高速存儲，訪問時間10 ns；低功耗；全靜態(tài)工作；三態(tài)輸出；可控制數(shù)據(jù)高低字節(jié)；輸入輸出引腳與TTL電平相兼容，它的LB引腳決定其低位字節(jié)是否有效，即數(shù)據(jù)位的低8位是否有效，而11UB引腳決定芯片的高字節(jié)是否有效，這兩個引腳都是低電平有效；因為C5402型號的DSP的數(shù)據(jù)線為16位，所以IS61LV12816(存儲器)芯片的高低字節(jié)都應(yīng)有效，即LB和UB都應(yīng)該置低電平；CE是芯片的選通信號輸入線，低電平有效；OE是芯片的讀選通信號輸入線，低電平有效；WE是芯片的寫允許信號輸入線，低電平有效。

　　1．4 FLASH

　　該系統(tǒng)選用AMD公司的AM29LV800BT型號的FLASH，主要特征為：存儲空間為512 KWord，支持單電源操作，工作電源為3．3 V，可直接與C25402進(jìn)行接口；采用CMOS工藝，最快存取速度高達(dá)70 ns，可進(jìn)行100 000次寫入／擦寫操作；支持塊結(jié)構(gòu)操作和塊保護(hù)功能，防止對任何區(qū)段進(jìn)行編程和擦除的硬件保護(hù)機(jī)制，并且與JEDEC標(biāo)準(zhǔn)兼容；可通過軟件方法檢查編程和擦除操作的狀態(tài)，同時它的READY引腳和BUSY引腳可用于硬件方法檢測編程和擦除操作的狀態(tài)；具有擦除暫停／擦除恢復(fù)功能，在暫停／擦除操作過程中，支持讀寫不處于擦除狀態(tài)的塊；內(nèi)嵌有擦除和編程的算法能自動對整個芯片或某幾個塊進(jìn)行擦除編程操作。

　　2 檢測算法

　　圖1所示為該文提出的測試方法，即在車頂并排對稱安裝多個激光測距傳感器，通過測試受電弓滑板底部縱向振動位移，來計算弓網(wǎng)接觸壓力、拉出值和接觸線高度等參數(shù)。

　　圖1中，F(xiàn)i表示作用在滑板梁的第i個節(jié)點的弓網(wǎng)接觸激振力，其作用的不同位置示意接觸線拉出值的變化。yi表示放置于車頂平面對準(zhǔn)受電弓滑板底部第i個高速激光傳感器的位移測量值，其動態(tài)響應(yīng)關(guān)系用傳遞函數(shù)可表示成如下矩陣形式：

　　式(1)中Mij可通過單位沖擊響應(yīng)的數(shù)字計算得到，于是，根據(jù)卷積原理，弓網(wǎng)接觸壓力P可表示如下：

　　由各激光傳感器測試的離散位移信號Yi，可實時得到弓網(wǎng)沖擊加速度G，導(dǎo)線高度H和拉出值Z，表示如下：

　　式中：h0為車頂傳感器的基準(zhǔn)高度；p為激光傳感器的個數(shù)；i為激光傳感器的分布序號；Wi表示各激光傳感器幾何位置對稱加權(quán)系數(shù)。

　　3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　該系統(tǒng)主要由TMS320C5402為核心的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳送電路構(gòu)成，其原理框圖如圖2所示。激光測距傳感器測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；再采用DSP處理器芯片對其進(jìn)行處理，數(shù)字信號處理過程中緩沖數(shù)據(jù)存放在外部SRAM中；然后將處理后的數(shù)據(jù)通過PCI總線送至上位機(jī)。其中DSP的大量算法程序存放在外部FLASH中。

　　4 DSP主程序流程設(shè)計

　　當(dāng)整個系統(tǒng)上電或復(fù)位后，DSP首先完成程序加載與啟動，初始化以及各個參數(shù)的設(shè)置，即實現(xiàn)自舉。接著DSP通過其McBSP模擬的I2C總線設(shè)置A／D模塊的運行參數(shù)并且啟動采集工作，隨后開始等待外部中斷(由CPLD負(fù)責(zé)發(fā)送)。當(dāng)采集完一場數(shù)據(jù)后，CPLD產(chǎn)生向DSP發(fā)送的外部中斷信號。通過編寫的中斷服務(wù)子程序，DSP響應(yīng)中斷并開始利用DMA通道搬移數(shù)據(jù)。搬移完成后DSP開始數(shù)據(jù)處理，并通過PCI總線將該結(jié)果傳送到主機(jī)。DSP至程序流程圖如圖3所示。

　　5 結(jié) 語

　　基于DSP技術(shù)的高速鐵路接觸網(wǎng)動態(tài)參數(shù)檢測系統(tǒng)，將測試傳感器完全從受電弓滑板上撤離下來，通過配置在低壓端的激光測距傳感器測試受電弓滑板在弓網(wǎng)接觸力作用下產(chǎn)生的位移，利用相關(guān)算法計算接觸壓力、硬點、拉出值和導(dǎo)線高度等，實現(xiàn)了高速鐵路接觸網(wǎng)車載動態(tài)測試追求的目標(biāo)，且避免了圖像處理和激光雷達(dá)等非接觸式檢測方法因掃描周期和處理時間限制而無法實現(xiàn)對弓網(wǎng)高頻動態(tài)測試的問題。