基于DSP技術的接觸網動態參數檢測系統

　O 引 言

　　接觸網是一種特殊形式的供電線路，它的任務是保證對電力機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行一系列的接觸網檢測工作，以便及時發現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并利用高速DSP器件上所編制的算法得到相關幾何及動力學參數，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，介紹了該檢測系統的開發過程。硬件電路的DSP采用美國TI公司主推的TMS320C54X系列。該系列的DSP具用相同的內核結構，所不同的是片內存儲器和片內外設的硬件資源配置。TMS320VC5402是這個系列的代表產品，因其較高的性價比而成為目前應用較為廣泛的DSP芯片之一。C5000的開發工具使得軟件開發易于實現，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，滿足了系統的應用要求。

　　l 系統資源

　　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：采用先進的修正增強型哈佛結構，片內共有8條總線，即1條程序存儲器總線，3條數據存儲器總線和4條地址總線；高度并行和帶有專用硬件邏輯的CPU設計；高度專業化的指令系統；模塊化結構設計；能降低功耗和提高抗輻射能力的新的靜電設計方法。TMS320VC5402是54X系列中應用比較廣泛的一種芯片，它有著豐富的接口資源，是一種集數據處理和通信功能于一體的高速微處理器，操作速率可達40～100 MIPS。

　　1．2 可編程邏輯器件

　　該系統選用Alter公司的MAX 7000A，它通過嵌入IEEE標準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。因為大多數邏輯應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接口能力和擴展乘積分布可配置等結構特性。

　　1．3 數據RAM

　　該系統將數據空間擴展到128 KWord，用于對采樣的數據進行暫存，數據RAM選用ICSI公司的高速數據存儲器IS61LVl2816，此芯片的電源電壓為3．3 V，與TMS320C54X外設電壓相同，無需電平轉換。其容量為128 KWord，主要特征為：高速存儲，訪問時間10 ns；低功耗；全靜態工作；三態輸出；可控制數據高低字節；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是否有效，即數據位的低8位是否有效，而11UB引腳決定芯片的高字節是否有效，這兩個引腳都是低電平有效；因為C5402型號的DSP的數據線為16位，所以IS61LV12816(存儲器)芯片的高低字節都應有效，即LB和UB都應該置低電平；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進行接口；采用CMOS工藝，最快存取速度高達70 ns，可進行100 000次寫入／擦寫操作；支持塊結構操作和塊保護功能，防止對任何區段進行編程和擦除的硬件保護機制，并且與JEDEC標準兼容；可通過軟件方法檢查編程和擦除操作的狀態，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；具有擦除暫停／擦除恢復功能，在暫停／擦除操作過程中，支持讀寫不處于擦除狀態的塊；內嵌有擦除和編程的算法能自動對整個芯片或某幾個塊進行擦除編程操作。

　　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，來計算弓網接觸壓力、拉出值和接觸線高度等參數。

　　圖1中，Fi表示作用在滑板梁的第i個節點的弓網接觸激振力，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，其動態響應關系用傳遞函數可表示成如下矩陣形式：

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

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

　　式中：h0為車頂傳感器的基準高度；p為激光傳感器的個數；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系數。

　　3 系統結構

　　該系統主要由TMS320C5402為核心的數據采集、數據處理、數據傳送電路構成，其原理框圖如圖2所示。激光測距傳感器測得的數據經過A／D轉換為數字量；再采用DSP處理器芯片對其進行處理，數字信號處理過程中緩沖數據存放在外部SRAM中；然后將處理后的數據通過PCI總線送至上位機。其中DSP的大量算法程序存放在外部FLASH中。

　　4 DSP主程序流程設計

　　當整個系統上電或復位后，DSP首先完成程序加載與啟動，初始化以及各個參數的設置，即實現自舉。接著DSP通過其McBSP模擬的I2C總線設置A／D模塊的運行參數并且啟動采集工作，隨后開始等待外部中斷(由CPLD負責發送)。當采集完一場數據后，CPLD產生向DSP發送的外部中斷信號。通過編寫的中斷服務子程序，DSP響應中斷并開始利用DMA通道搬移數據。搬移完成后DSP開始數據處理，并通過PCI總線將該結果傳送到主機。DSP至程序流程圖如圖3所示。

　　5 結 語

　　基于DSP技術的高速鐵路接觸網動態參數檢測系統，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接觸力作用下產生的位移，利用相關算法計算接觸壓力、硬點、拉出值和導線高度等，實現了高速鐵路接觸網車載動態測試追求的目標，且避免了圖像處理和激光雷達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對弓網高頻動態測試的問題。