摘要：鐵路檢測(cè)儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,，采用光纖陀螺儀完成對(duì)鐵路平順度相關(guān)參數(shù)的采集,，使用電壓補(bǔ)償方法解決所采集角度的相對(duì)零點(diǎn)數(shù)據(jù)浮動(dòng)問(wèn)題，并推導(dǎo)了該方法的計(jì)算過(guò)程,。實(shí)驗(yàn)表明,，該方法達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性得到明顯改善,。
關(guān)鍵詞：鐵路平順度,；光纖陀螺儀；電壓補(bǔ)償

引言
    鐵路軌道平順度的各項(xiàng)參數(shù)能否滿足鐵路檢測(cè)要求,，關(guān)系著行車(chē)安全和乘客的舒適度,。鐵路檢測(cè)儀是對(duì)鐵路的軌距、水平,、軌向,、高低等參數(shù)進(jìn)行采集并處理的鐵路軌道檢測(cè)設(shè)備。其中,，軌向和高低采集電路的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜,。本文主要介紹在鐵路檢測(cè)儀中，軌向和高低兩個(gè)參數(shù)采集的硬件和軟件設(shè)計(jì),。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    鐵路檢測(cè)儀利用兩個(gè)單軸光纖陀螺儀分別作為軌向和高低兩個(gè)參數(shù)的傳感器,，配合硬件電路實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集。陀螺儀是一種角速度傳感器,，它具有精度高,、響應(yīng)快、抗震動(dòng)等優(yōu)點(diǎn),。隨著其性價(jià)比的提高,，目前已經(jīng)在民用領(lǐng)域里得到廣泛應(yīng)用。該檢測(cè)儀中利用兩個(gè)單軸光纖陀螺儀測(cè)量鐵路平順度中軌向和高低的變化,。陀螺儀輸出的電壓信號(hào)與角速度具有一定的比例關(guān)系,，通過(guò)采集電壓信號(hào)推導(dǎo)出角速度,，然后再通過(guò)積分處理計(jì)算出角度變化,，最后根據(jù)鐵路平順度檢測(cè)的一些算法映射出鐵路的軌向和高低兩個(gè)參數(shù)的變化曲線。
    檢測(cè)儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊,、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊。數(shù)據(jù)采集模塊包括信號(hào)調(diào)理電路和高速A／D轉(zhuǎn)換電路,，其主要功能是完成對(duì)兩路陀螺儀信號(hào)的調(diào)理和A／D轉(zhuǎn)換,；數(shù)據(jù)處理模塊主要實(shí)現(xiàn)響應(yīng)采集命令、完成陀螺信號(hào)的積分處理等功能；數(shù)據(jù)傳輸模塊則負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)處理模塊處理后的數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī),。上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的接收,、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ),、數(shù)據(jù)調(diào)用,、數(shù)據(jù)分析以及良好的人機(jī)交互等功能。另外,，該系統(tǒng)還要通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)與其他數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互等功能,。

    由于鐵路軌道比較平緩，陀螺儀輸出的信號(hào)較微弱,，易受其他噪聲污染而被淹沒(méi),，所以前端陀螺儀信號(hào)能否得到妥善處理關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗。下面詳細(xì)介紹系統(tǒng)中陀螺儀信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì),。

2 硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集原理如圖2所示,。首先對(duì)陀螺儀輸出信號(hào)進(jìn)行信號(hào)濾波、信號(hào)放大,、信號(hào)平移等信號(hào)調(diào)理措施,，然后對(duì)調(diào)理后的信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，最后用單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集和處理,，并把數(shù)據(jù)處理結(jié)果上傳給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示等,。

    該系統(tǒng)選用的陀螺儀信號(hào)輸出電壓范圍為-3～+3 V，在實(shí)際使用中,，其輸出電壓在-O．03～+O．03 V之間浮動(dòng),。由于陀螺輸出的信號(hào)較弱，而選用的A／D芯片有效的轉(zhuǎn)換電壓范圍是0～3 V,，所以對(duì)陀螺儀輸出信號(hào)放大10倍,，并平移1．5 V，這樣就能保證信號(hào)能在A／D芯片有效的信號(hào)采集范圍內(nèi),。設(shè)定陀螺輸出信號(hào)為Vin,，進(jìn)入A／D芯片的信號(hào)電壓為Vi，那么就有：
    Vi=10×Vin+1．5 V
    由于Vin輸出電壓信號(hào)很微弱,，如果此處平移的1．5 V不夠精確,，就會(huì)直接降低陀螺儀信號(hào)的準(zhǔn)確性，因此對(duì)信號(hào)平移電路的設(shè)計(jì)提出了很高的要求,。為此電路中采用了ADR433A芯片,，盡量保證獲取1．5 V電壓的精度。根據(jù)上述分析,，設(shè)計(jì)的信號(hào)采集電路如圖3所示,。A／D轉(zhuǎn)換芯片采用ADS8381,。

3 軟件設(shè)計(jì)
3．1 軟件流程
    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。系統(tǒng)接收到啟動(dòng)命令后,，開(kāi)始啟動(dòng)系統(tǒng)電路,。啟動(dòng)后，系統(tǒng)首先等待采集觸發(fā)信號(hào),。當(dāng)接收到采集觸發(fā)信號(hào)時(shí),，單片機(jī)發(fā)送信號(hào)分別選取兩路A／D芯片工作，A／D芯片分別對(duì)兩路陀螺儀輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換,。由于選用的A／D芯片的轉(zhuǎn)換速率為580 kHz,，能夠在0．18 ms內(nèi)完成100次數(shù)據(jù)采集，實(shí)際上每路陀螺信號(hào)采集50次求平均值,，因此可以認(rèn)為兩路信號(hào)是同時(shí)被采集的,。然后，單片機(jī)對(duì)采集到的兩組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波,、角速度計(jì)算等處理以獲取角度數(shù)值,，并把這兩組數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。

3．2 電壓補(bǔ)償推導(dǎo)
    陀螺儀在靜止?fàn)顟B(tài)下輸出的電壓信號(hào)為零,，當(dāng)陀螺儀的姿態(tài)持續(xù)改變時(shí),，其輸出的信號(hào)也會(huì)隨之改變?；谕勇輧x的這種特性,，檢測(cè)儀開(kāi)始運(yùn)行前默認(rèn)陀螺儀輸出的電壓為0 V，并以平移的1．5 V作為相對(duì)零點(diǎn),。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),，所采集的軌向和高低數(shù)據(jù)與理論推算值浮動(dòng)較大，針對(duì)這一問(wèn)題,，在該系統(tǒng)中采用電壓補(bǔ)償方法進(jìn)行解決,。本文提出了動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償方法，提高了實(shí)際相對(duì)零點(diǎn)精度,。在介紹這種方法的推導(dǎo)之前,，先說(shuō)明一些符號(hào)的含義。
    SF：標(biāo)度因數(shù)(比例系數(shù)),。
    Ugyro：陀螺儀輸出信號(hào)電壓,。
    Ucode：理想狀態(tài)下，A／D轉(zhuǎn)換前獲取電壓轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制編碼,。理想狀態(tài)下,，P·Ucode=10·Ugyro+1．5 V,。
    注意：A／D轉(zhuǎn)換前獲取的電壓為陀螺輸出信號(hào)放大10倍且平移1．5 V后的信號(hào),。
    Ucode0：實(shí)際測(cè)量條件下,，A／D轉(zhuǎn)換前獲取電壓轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制編碼。
    ω：陀螺輸出的角速度,。ω=Ugyro／SF=(P·Ucode-1．5 V)／(10SF),。
   
    理論上，陀螺儀輸出信號(hào)被放大10倍并平移1．5 V,，陀螺輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后上傳給上位機(jī),。連續(xù)狀態(tài)下陀螺儀的角度計(jì)算如下：

    以上是理想情況下推導(dǎo)的角度計(jì)算公式，但是根據(jù)實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),，靜態(tài)情況下每次采集的數(shù)據(jù)會(huì)在一個(gè)常數(shù)上下浮動(dòng),。為了減小電路對(duì)所采數(shù)據(jù)的影響，下面采用動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償方法計(jì)算推導(dǎo)角度,。陀螺儀連續(xù)狀態(tài)角度推導(dǎo)：
   
    其中,，Ucode0表示靜態(tài)情況下，相對(duì)電壓經(jīng)A／D芯片轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制,；Ucode.i表示實(shí)時(shí)采集的電壓經(jīng)A／D芯片轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制,；ti表示每次的積分時(shí)間。

4 實(shí)驗(yàn)分析
    采用動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償前采集的數(shù)據(jù)如表1所列,。

    理論上,，陀螺在靜止?fàn)顟B(tài)陀螺儀輸出的電壓應(yīng)該為0 V，對(duì)應(yīng)的角度也應(yīng)該為0°,，即使考慮到其他干擾影響,，采集的數(shù)據(jù)也會(huì)在0°附近浮動(dòng)。但是從表中可以看出,，軌向的角度在1．44°浮動(dòng),，高低的角度在2．3°浮動(dòng)。
    采用動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償后采集的數(shù)據(jù)如表2所列,，表中是兩組起始點(diǎn)開(kāi)始采集的5個(gè)數(shù)據(jù),。

    從表中可以看出，采集的角度在0°附近浮動(dòng)很小,，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性有了很好的改善,，而且其起始點(diǎn)數(shù)據(jù)也比較穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)檢測(cè)儀相對(duì)零點(diǎn)信號(hào)的多次采集,，很好地解決了數(shù)據(jù)的相對(duì)零點(diǎn)不穩(wěn)定問(wèn)題,。

結(jié)語(yǔ)
    鐵路檢測(cè)儀中采用兩個(gè)單軸光纖陀螺儀作為鐵路平順度其中兩個(gè)參數(shù)軌向和高低的傳感器，完成對(duì)鐵路軌道平順度的高速,、高精度的數(shù)據(jù)采集,。同時(shí)，通過(guò)與先前采集的數(shù)據(jù)比較分析,，采用動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償方法很好地解決了數(shù)據(jù)的相對(duì)零點(diǎn)浮動(dòng)問(wèn)題,，滿足了實(shí)際工程需要,。