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1、国内图书分类号：U 2 3 8西南交通大学研究生学位论文基于时间数字测量车体表面压力测量的研究年级至Q Q 璺堡姓名张堑态申请学位级别亟专业揎蜜这置盈扭拯2 0 1 1 年3 月C l a s s i f l e dI n d e x：U 2 7 9S o u t h w e s tdia o t o n gU niv ersit yM a s t e rD e g r e eT h e siSDIGIT A LM E A S U R E M E N TO FTlM EB A S E DO NT D OTE C H N O L O G YC I a s s：2 0 0 8O a n di d
2、a t e：z h a n g xi o n g ji e、A c a d e m iCD e g r e eA p pIi e df o r：M a s t e rM a j o r：O o n t r o IT h e o r ya n dE n g i n e e ri n gS u p e r viS O t：P r o f C h c n J i a n z h e n gM a r c h 2 0 1 124洲5洲5洲59iiii洲Y西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，
3、允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1 保密口，在年解密后适用本授权书；2 不保密函使用本授权书。(请在以上方框内打“”)学位论文作者签名：露难杰指导老师签名：苻，夫仗日期：矽，f 以，夕日期：2,e t f 夕西南交通大学学位论文创新性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意
4、识到本声明的法律结果由本人承担。本学位论文的主要创新点如下：1、搭建了基于时间数字测量的车体表面压力测量系统。搬论文作者签名：绷至轰日期?z o l l 斗2 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页摘要近年来，随着高速铁路的迅速发展，人们对高速动车组参数特别是车体表面压力的测量技术越来越关注了。在实践中，传统测量技术在对车体表面压力值进行测量时，精度和抗干扰性的不足逐渐表现出来了。本文针对高速动车组车体表面压力测量现状，研究并建议采用基于T D C 时间数字转换技术，用于高速列车上参数的测量。这篇文章首先阐述了车体表面压力测量的国内发展情况。然后构建了T D C 测量系统。这个测量系统以低
5、功耗时间间隔测量模块为核心，在模块外围电路进行补偿和信号调理。这样可以提高测量精度、降低系统功耗。本论文是基于T D C 时间数字测量方法在车体表面压力测量的研究，在深入了解了车体表面压力测量的发展现状后，实现了一种基于的T D C 测量系统。主要工作包括以下几个方面：1 研究了车体表面压力测量技术的发展情况，研究开发了T D C 测量模块的主要硬件电路并实现了T D C 测量技术。2 整个T D C 测量系统的设计。包括传感器信号调理为时间信号模块：M C U 控制T D C测量模块；采集与外部通信模块和电源模块的硬件设计。以及系统的电磁兼容问题和P C B 设计中的抗电磁干扰等问题的解决。
6、最后是测试系统的软件设计以及上位机监控与参数调整软件的设计。3 基于T D C 的车体表面压力测量系统的设计，是T D C 测量技术的一个具体应用。根据车体表面压力传感器的特征，进行T D C 测量系统的放电电容选择，惠斯通电桥的设计与等效电阻的计算，以及外部比较器电路的设计。最后对测量数据的存储一采用基于S D 卡的F A T 3 2 文件系统的设计。4 测量数据的误差处理。采用两种方法来减小误差，第一采用温度补偿电路调整，这种方式是基于T D C 测量原理的补偿，采用软件来实现的。第二是对测量数据采取抽频滤波和中值滤波，以及测量结果比较分析。本文的最后，根据实际研究的进展情况提出了系统的可
7、改进性和不足之处。关键字：时间数字测量车体表面压力电磁干扰F A T 3 2 温度补偿滤波西南交通大学硕士研究生学位论文第1 I 页A b s t r a c tI nr e c e n ty e a r s，们t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h-s p e e dr a i l w a y，p e o p l ep a yc l o s ea t t e n t i o no nt h ew a yt od e t e c tp a r a m e t e r so fH i g h s p e e dt r a i n，e s
8、p e c i a l l yb o d ys u r f a c ep r e s s u r em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y I np r a c t i c e，t h et r a d i t i o n a lm e a s u r i n gt e c h n o l o g yi nt h em e a s u r e m e n to ft h e s ep a r a m e t e r s a c c u r a c ya n dl a c ko fi m m u n i t yg r a d u a l l ys h o
9、 w n 1 1 1 i sp a p e rs e to fb o d ys u r f a c ep r e s s u r em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yo fc u r r e n ts t a t u s，a n dp r o p o s e dd i g i t a lc o n v e r s i o nt e c h n o l o g yb a s e do nT D Ct i m ep a r a m e t e rm e a s u r e m e n t T h i sp a p e rd e s c r i b e
10、dt h em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yo fb o d ys u r f a c ep r e s s u r ei nt h ef i r s tp a r t A n dt h e nb u i l daT D Cm e a s u r e m e n ts y s t e m T h em e a s u r e m e n ts y s t e mw i t hl O Wp o w e rc o n s u m p t i o nt i m ei n t e r v a lm e a s u r e m e n tm o d u l
11、 ea st h ec o r eo ft h em o d u l et oc o m p e n s a t ef o rp e r i p h e r a lc i r c u i t sa n ds i g n a lc o n d i t i o n i n g T l l i sc a ni m p r o v et h em e a s u r e m e n ta c c u r a c y，l o w e rs y s t e mp o w e rc o n s u m p t i o n T h i st h e s i si sb a s e do nt h en u m
12、 b e r0 fT D Ct i m em e a s u r e m e n ts t u d y i n d e p t hu n d e r s t a n d i n go ft h ed e v e l o p m e n ts t a t u so ft h e 硼D C，t h er e a l i z a t i o no fam e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do nT D Cm e t h o d I t sm a i nt a s k sa r et h ef o l l o w i n g：1 H a v ed o n e
13、al O to fi n v e s t i g a t i o no nt h eb o d ys u r f a c ep r e s s u r em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t R e a l i z a t i o no fm e a s u r e m e n tT D Ca n dT D Cm e a s u r e m e n tm o d u l ea n dt h em a i nh a r d w a r ec i r c u i t s 2 D e s i g nt h eT D
14、 Cm e a s u r e m e n ts y s t e m I n c l u d i n gt h es e n s o rs i g n a lc o n d i t i o n i n gm o d u l ef o rt h et i m es i g n a l；M C Uc o n t r o lo fT D Cm e a s u r e m e n tm o d u l e；a c q u i s i t i o na n de x t e r n a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dp o w e rm o d u
15、l eh a r d w a r ed e s i g n E l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t ya n ds y s t e md e s i g na n dP C Ba n t i e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ep r o b l e m s F i n a l l y，t h es o f t w a r ed e s i g na n dt e s ts y s t e mm o n i t o r i n ga n dp a r a m e
16、 t e ra d j u s t m e n to fP Cs o f t w a r ed e s i g n 3 D e s i g nt h es u r f a c ep r e s s u r em e a s u r e m e n ts y s t e mb a s eo n1 D Ct e c h n o l o g y，i ti st h eT D Cm e a s u r e m e n to fs p e c i f i ca p p l i c a t i o n s B a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft
17、 h eb o d ys u r f a c ep r e s s u r es e n s o r t h ed i s c h a r g ec a p a c i t a n c em e a s u r i n gs y s t e mT D Cc h o i c eW h e a t s t o n eb r i d g ed e s i g na n dt h ec a l c u l a t i o no fe q u i v a l e n tr e s i s t a n c e，a n de x t e r n a lc o m p a r a t o rc i r c u
18、 i t F i n a l l y，d e s i g nF A T 3 2f i l es y s t e mo nS Dc a r dt Os a v et h em e a s u r e m e n td a t a 4 D e v i a t i o na n a l y s i so fm e a s u r e m e n td a t a T w om e t h o d st Or e d u c et h ed e v i m i o n，t h ef i r s tu s eo ft e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nc
19、 i r c u i tt oa d ju s t n l i Sa p p r o a c hi sb a s e do nt h em D Cm e a s u r e m e n tp r i n c i p l eo fc o m p e n s a t i o n,u s i n gs o f t w a r et oa c h i e v e T h es e c o n di st h em e a s u r e m e n td a t at op u m p i n gf r e q u e n c yf i l t e r i n ga n dm e d i a nf i
20、 l t e r i n g L a s t，a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lp r o g r e s so ft h es t u d yc a nb em a d et Oi m p r o v et h es y s t e ma n dd e f i c i e n c i e s K e yW o r d s：d i g i t a lm e a s u r e m e n to ft i m ep r e s s u r eo nt h eb o d ys u r f a c et e m p e r a t u r ec o m p e
21、n s a t i o ne l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ef i l t e rF A T 3 2西南交通大学硕士研究生学位论文第1 If 页目录第1 章绪论。11 1 选题背景l1 2T D C 测量技术的应用31 3 车体表面压力测量技术的国内现状51 4 本论文研究内容及难点81 4 1 采用T D C 测试技术的优势以及对现有T D C 技术研发的不足之处91 4 2 本论文研究的内容1 01 5 本章小结1O第2 章T D C 测量系统设计。1 22 1T D C 技术的原理与测量结构1 22 2T D C 测量
22、系统模块开发1 32 2 1T D C 测量模块1 42 2 3S P I 接口模块172 2 4 电容选择部分182-3T D C 测量模块设计：1 92 3 1n)C 测量整体结构192 4T D C 控制模块2 22 4 1T D C 控制模块的选型2 22 4 2T D C 控制部分功能2 42 4 3 T D C 控制模块的设计2 62 4 4 电源模块2 82 5T D C 控制模块的软件设计2 92 6 硬件电路的E M C 3 l2 6 1E M I 机理3 12 6 2P C B 制作设计中的E M C 设计3 22 71 D C 测量上位机软件3 42 8 本章小结3 7第
23、3 章基于T D C 的高速动车组车体表面气压测量系统。3 1 测量系统设计3 83 1 1 传感器选型3 83 1 2 测量原理介绍3 93 1 3T D C 测量的外部比较器设计4 03 2 数据存储部分设计4 13 2 1S D 卡数据存储硬件设计4 23 2 2 基于F A T 3 2 的S D 卡存储设计4 23 3S D 卡文件系统设计。4 53 4 本章小结5 l第4 章T D C 测量系统的误差与结果分析。5 24 1 温度偏移和零点偏移误差处理。5 2西南交通大学硕士研究生学位论文第1V 页4 2 测量数据滤波5 44 3 测量结果分析与比较5 64 4 本章小结6 0结论6
24、 1致谢6 2参考文献。6 3攻读硕士学位期间发表的论文及获奖情况6 5西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页第1 章绪论1 1选题背景目前，随着我国高速铁路的发展，高速动车组系统参数的精确测量显得越来越重要了。高速运行动车组的品质和它的所有运行参数的指标都与空气动力学有着密切的关系。研究表明，列车在高速运行条件下，其运行阻力主要来自于空气，例如当车速超过2 5 0 公里时，气动阻力占整个车阻力的8 0，当车速超过3 5 0 公里时，空气动阻力高达整车阻力的9 0 以上。空气的阻力越小，列车的速度提升空间将越大。但是，随着速度的不断提高，由空气产生的噪声却成级数增长，当车外空气产生的一系列噪声
25、超过环保标准时，速度不能再继续增加。另外，由空气阻力所引发的噪声、振动等干扰将严重影响着动车组的运行。还有，列车交会时产生的压力波及气动升力也与速度有着密切的关系。速度越高，对列车运行安全性影响越大。在隧道地段，由于高速列车速度太快，产生的活塞效应更加显著。除了车体本身受到的空气阻力有显著的增加外，空气动力学所产生的效应还产生了质的变化。隧道内空气被压缩，产生的压力波的传递速度会受到影响。如果压力波速度小于列车运行速度，车内可能出现强烈的瞬间压力变化效应，这导致旅客耳朵产生明显不适。此外，还会危及到洞口环境，对列车的安全运行构成威胁，并产生相当严重的噪声污染问题。空气阻力与列车运行速度的平方成
26、正比，因此高速列车的车头必须为流线型设计。同时，高速列车的车体设计也必须考虑到气密性与气密强度等问题。高速列车运行时，车内系统要把车外空气提供给车内，当车外的空气压力变化，还要车内压力基本保持不变。为满足乘坐舒适度要求，不能使乘客耳膜有不适应的感觉，高速列车系统对车厢内空气压力的变化幅值和变化快慢都有着严格规定(要求车内空气压力变化率小于3 0 0 P a s，最大变化值小于1 0 0 0 P a)【1 卜1 1 0】。基于以上空气压力参数对于高速铁路的影响，使得精确测量高速动车组空气压力越来越重要。由于现阶段高速铁路线路比较长，使得由各个地方的经纬度不同导致外部大气压也不相同。传统的测量方法
27、在测量高速动车组车体表面压力的时候，测得的相对压力的同时还必须实时测量各地的绝对大气压。并且在数据测量结果中还要精确的保存经纬度等信息，在隧道众多的高铁线路，一般获得经纬度信息是通过G P S，所以西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页在长隧道里面的一些测量信息可能因G P S 信号的丢失，而使车体表面压力测量信号无法与相应外界大气压精准的对应。应用T D C(T i m et oD i g i t a lC o n v e n e)时间数字转换技术来测量车体表面压力，可以获得绝对的气压值，这样就很轻松的解决了上述难题。对于车体表面压力的测量，传统的方式大多数用应变片或者传感器组成惠斯通电桥，
28、将应变或者传感器电阻变化信号转化为电压信号，这样产生的应变原始电压信号非常微弱，通常要经过两级放大后，才能成为A D 转换的输入级信号。信号两级放大的前级为差分放大、后级为一般放大。在前级放大时，由于电流电压都很微小，其数量级与电磁感应的感应电动势在一个数量级上，并且，模拟电路通道相对较长，很容易吸收电磁信号。因此，电磁干扰信号会从这里进入测试系统；另外由于电路板制作工艺的原因，接地点电压肯定会有所不同，由此产生的共模信号也进入了测试系统，由仪表放大器组成的差分放大在一定频率范围内可以抑制这些共模干扰，但是并没有完全消除。在放大之后的信号混入了高频信号，不能直接进行A D 转换，信号一般要经过
29、如开关电容滤波器等这样的模拟滤波器进行抗混淆低通滤波。经过上述处理后的信号再送入A D 转换芯片或者M C U 片内A D 进行转换，然后再给到单片机或者D S P 系统中。那么单片机将会对粗值数据进行处理，对数据进行线性，滤波，迟滞，转换等处理。最终给出一个数字测量结果。基于上述方法的C P d-1 3 8 0 A 上的车体表面压力测量系统的前置信号调理器如图1-1 所示：图1-1 车体表面压力调理器西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页这种方式在处理系统前级微小信号放大部分时，很容易引入干扰，并且测量本身对技术的要求比较高，测量的精度甚至准确性会因为这个微小信号放大环节产生比较大的影响；再
30、者提高测量精度的另一种方式是采用多位A D，如采用2 4 位A D 代替1 2 位A D，这在一定程度上能提高精度，但是2 4 位A D 其真实的转换速率往往很低，而且2 4位A D 对A D 转换的电源电压、基准源以及P C B 布线技术要求更高，这样导致成本比较贵，不太适合大规模工业应用。因此采用一种能克服上述不利因素测量技术来测量高速动车组参数，有着重大的意义。高速动车组在运行时，由于牵引变压器、牵引变流器、空调、鼓风机等大功率设备的高速运转，在整个列车环境中会产生较强的电磁场，产生的电磁场对测试系统来说是近场干扰，因此，如果不处理好测试系统的E M C 问题，那么这些设备的运行，有可能
31、影响测试系统，同样的这些测试设备本身都包含了高频时钟，而P C B 上的元器件会因为布局或者焊接产生寄生电容，形成“天线，所以也会有对这些动车组上的电气设备有电磁干扰，如果这个“天线 阻抗阻抗匹配，那么高频电路的能量就会被释放【1 1 1，对安全性能要求极高的高速动车组来说，就是一个不稳定的安全因素，故测试系统的E M C 特性一定要满足系统要求。另一方面高速动车组供电系统由受电弓提供，现阶段总存在过分向问题，因此也会影响测量。所以在这种环境下进行参数测量具有相当恶劣的工况，强的电磁干扰使得精确测量的难度进一步的加大。因此在选择测试系统时，测试系统本身的E M I 抗干扰性能必须能够满足测试要
32、求。时间数字转换T D C 具有高精度、强抗干扰高速时间单元的单一测量精度是1 5 p s，抗干扰能力满足O I M L(O r g a n i s a t i o nI n t e r n a t i o n a l e d eM 6 t r o l o g i eL 6 9 a l e，为一个国际度量学组织机构，制定了的国际度量标准和规则)1 3 2 0 0 e 的标准f 1 2】。采用全新的T D C 时间数字转换器(T i m e t o D i g i t a lC o n v e r t e r)技术可以完美的解决高速动车组在运行时参数测量这方面的问题。1 2T D C 测量技术的
33、应用时间数字转换T D C 是测量时间间隔的基本方法之一，它的原理是将模拟的时间信息信号转换为数字信号，从而实现了对时间信息的测量。一般来说，绝对的时间信息没有太大的意义，而相对的时间信息才有意义，所以在实际很多场合运用T D C 技术都是对时间间隔信息的测量。在时间间隔测量的早期，T D C 技术只用在科学研究中应用。当时的T D C 技术是由西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页时间模拟转换器(T A C)和模数转换器(A D C)构成的。但是由于T A C 技术具有很多不足，例如数据采集率太低、只能进行但此采样、电路接口复杂等等。这些局限性使得前期的T D C 技术并不适用于工业领域。那
34、时，它的应用主要在高能物理实验测量中。例如在高能物理实验中对飞行时间(T O F)的测量。T D C 的主要作用是测量带电粒子的飞行时间，这个测量时间与主漂移室的测量信息之间的配合，来推算带电粒子的质量，从而实现带电粒子的鉴别工作。其中，用T O F 鉴别带电粒子的精度与时间间隔测量的分辨率有直接关系【1 3 H】。随着C M O S 集成技术的发展，由一块单一的芯片就可以实现完整的时间数字转换功能。这种基于C M O S 技术的T D C 具有高精度(可达1 5 p s)，宽动态范围(可达3 0 位)，较高的温度稳定性和对电源低电压不敏感等优点。所以，它在航空军事方面有着很广泛的应用。后来的
35、激光测距就应用时间间隔测量T D C 技术。T D C 激光测距先由测量电路中的激光二极管对准目标发射激光脉冲，经目标反射后激光向各方向散射，部分散射光返回到传感接收器上，再由光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种具有内部放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。T D C模块记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间信息，由于光速是恒定的，所以测量了激光来回的时间，就可测定目标距离。测量距离的测试仪器必须极其精确地测定传输时间，因为光速太快，要想使分辨率达到1 0 厘米，则传输时间测距传感器的电子电路必须能分辨出3 0 0 皮秒以下的极短时间，T D C 技
36、术能轻松达到n 副。近年来T D C 技术应用于工业领域上，例如利用T D C 测量高精度电阻应变值。它的原理是利用放电时间常数f=k R C，固定电容被充电到被给定的恒定电压，然后分别对各个应变电阻进行放电。放电到任意电压界限的时间通过高精度T D C(时间数字转换器)测量得出。经典的惠斯通电桥测量原理是将电阻应变转换成电压信号，与之不同的是T D C 技术则将电阻的应变转化成为时间量，并由此应变电阻和电容串联，形成了一个低通滤波器，可以降低外界的高频干扰。此放电时间在1 0 0 微妙的范围内，T D C 测量单元的单一触发精度小于2 0 p s，测量过程其实就是重复对半桥的两个应变电阻进行
37、充电放电，而且利用同一个比较器和电容。最后通过计算测量值的比值得出绝对测量值即应变的变化值和温度对比较器及电容影响，如果固定电容选用高精度的电容，那么同时也可以精确测量出应变电阻的初始值。高精度的电容值测量又是T D C 技术的一个应用。其测量原理和电阻应变测量类似。西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页被测电容、参考电容同时与固定阻值的电阻形成低通滤波器，通过T D C 内部寄存器控制对参考电容放电，同时断开被测电容，记录下测量时间；再断开参考电容，对被测电容放电，测量被测电容的时间。这样就得到了两个电容之间的精确比值。所以电容测量最重要的是使参考电容与被测电容尽量在同一范围内，这样可以减少
38、增益误差。T D C 时间间隔测量技术还广泛用于网络通信的同步技术、时间同步技术、超声波密度测试仪器、超声波厚度仪、激光扫描仪、激光雷达仪、T D 无线蜂窝系统无线定位系统、各种手持车载或者固定式的高精度低频激光测距仪、涡轮增压器的传速测试仪、磁感伸缩传感器、动态应变仪、天文的时间间隔观测、频率和相位信号分析等高精度测试领域n 引。在日常生活中的高精度电子秤也应用T D C 时间间隔测量技术，其主要测试功能之一就是把T D C 测量的时间间隔特性转化为重量特性，来测量物体的重量的。应用T D C技术的高精密仪器的技术主要在德国，我们常常需要进口他们的设备。所以研究时间间隔技术对于提升我国高端科
39、技研发能力、促进对关键技术的掌握和精密仪器工业的发展也是很有意义的。1 3 车体表面压力测量技术的国内现状车体表面压力的测量同一般的表面压力测量不一样，不能在被测物体的表面的法线方向开口构造测压孔，再用压差变送器测量表面的压力。在国内，中南大学的方法是采用了自主研发的拍式感压片等效测压孔。用这种方法测量时需要在被测表面处贴上拍式感压片，再把一端的感压管连到其它能够固定到沿被测表面法向方向处，最后将传感器输出连到车内气体压力数据采集仪表进行测量，这样的方法只能测到车内与测点处的压力差，因此还需要在车内测量绝对压力值，他们是在车内在一个空气相对流动较小的地方用皮托管测量的【盯3。西南交通大学牵引动
40、力国家重点实验室在测试C R H 2、C R H 3 车体表面压力时采用的是贴片式气体压力传感器，如图1-2 所示，图1-3所示。西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页图1-2 贴片式表压传感器外表面布点图图卜3 贴片式表压传感器内表面布点图这种传感器输出是传感器阻值随气体压力的变化而变化。再对车体表面压力测量时，把传感器阻值变化信号转化成电压变化信号来处理的。处理信号电路经过A D 8 2 3 1 仪表放大器进行一级放大，然后再由0 P A 2 3 4 7 进行二级放大，这两级放大的倍数可达到8 0 0 0 倍，并且放大倍数可调整，并且能够自动调零。另外传感器本身组成的是惠斯通电桥，其差分输
41、出对信号就有放大作用。所以对于传感器微小的阻值变化，其测量灵敏度也是相当可观的。其测量信号调理放大原理图如图I-4 所示：西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页甲：m L _ 一一i+一j。二_ 每芦：Il2；铂一一t t-一，一一一-一1，一斗t r一一。+一一一十1 一一嗽：11|f!=；：I，；嚣；+，+一一。一十J nI、：。一。一，一一一。一一1 I m l：兰，：托曼：i t 5xp盛婴翌趔：!：，：o+：鼍O 哪静妒+讹啪卜匕瑾卜1m一o、h姒舶棚一L 一一亡a 田_ 二二_ 坚坐上二_：量一一一。!，一“1 守瑚一：一一：一翟一-。一W。-T。一-J 图1-4 车体表面压力信号
42、调理放大调理过的信号经过基于P C I 总线的数据采集卡进行数据采集，其采集调理器如图1-5所示：图1-5 车体表面压力采集仪器根据贴片式空气压力传感器的力与阻值之间的关系，直接测量电阻值的大小更有效反应传感器压力的变化。考虑到另外一方面的问题，就是基于放大调理的A D 采集系统只能测量车体表面压力的变化量，因此用这种测量方法时，往往还要单独的绝压传感器来测量车体表面的绝对压力。而这里就更容易引入测量误差，原因是，第一：绝对静止的空气流动基准点不容易找，第二是C R H 车上的空调系统的影响。还有T D C测量系统不需要对零点进行机械调整，用软件补偿就能达到效果。基于此，搭建了基于时间数字转换
43、T D C 车体表面压力测量系统，此测量系统具有更高的测量精度和抗干西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页扰能力，并且能够直接测量传感器的电阻值，以及其变化量。T D C 测量车体表面压力的原理是根据R C=k r。对于一个特定的系统电路来说，k 为比例常数。f 为时间常数，可以用T D C 的方法测量出来。因此构建一个由传感器电阻与固定电容的组成的电路，在某一时刻，测出这个电路的时间常数，就可以将这个时间常数量转换成为传感器的电阻量。如果将这个时刻拓展为整个时域，那么在整个时域内，传感器电阻将对应每一个时间常数，这样就可以用时间常数来测量整个时域的传感器阻值的变化特性了。如图1-6 所示为T
44、 D C 车体表面压力测量系统的实物图。图1 7 为基于T D C 测量的精度为0 0 1 9 的压力传感器标定系统。图l 石T D C 开发评估板以及自制T D C 电路板图1 7 压力传感器标定系统1 4 本论文研究内容及难点西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页1 4 1 采用T D C 淑I J 试技术的优势以及对现有T D C 技术研发的不足之处本文选择T D C 技术作为测量高速动车组车体表面压力的核心技术，这是本测试方法的最主要优点，与以往的测试系统相比，有如下优点：(1)精度高。T D C 可编程精度达到1 9 位 2 m v v 应变，高精度模式下最高达到5 0 K H Z(
45、1 2 4 E N O B 4 K h z 和2 m v v 最大应变情况下)。大多数现有的高速动车组参数测量系统，采用1 2 位A D 作为可编程器件，由于输出的还有几个字的摆幅误差，因此还达不到1 2 位的精度。精度高一点的测试系统采用1 6 位A D 作为转换器，但总体上来说，采用T D C 技术精度要比采用1 2 位或1 6 位A D 的模拟系统精度要高。(2)高稳定性，低增益误差(起始位：值为O x a aO x 0 5，表示命令开始，只有正确接收该标识才能接收后续的控制命令数据。当S T M 3 2 接收到这两个字节时，设定判断标识位，这样才能进行后续的命令判断和数据传输；命令长度
46、：表示后面命令参数的字节数减去一个字节：控制帧命令：表示不同的命令以完成不同的操作功能；参数：该参数值为控制命令所需参数；校验位：为保证数据传输的正确性，传输值即控制命令、命令参数长度以及命令参数进行传输前进行字节异或，然后得到值，作为校验位：结束帧：每个命令的结束帧都为0 0；T D c 测量的参数配置控制命令，主要包括测量模式；温度与初始偏置测量：控制模式选择；寄存器配置；I O 口设置；以及功耗选择和画图等功能。西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页表2-3 命令帧的功能表命令序号控制帧命令说明1O x O l测量模式2O x 0 2温度测量3O x 0 3初始偏移值测量4O x 0
47、 4控制模式选择5O x 0 5寄存器配置6O x 0 6I o 口设置7O x 0 7功耗选择1、控制帧：O x 0 1命令参数：O x O l-O x 0 4，一个字节。O x O l 单桥模式，O x 0 2 全桥模式，O x 0 3 双桥模式，0 4 惠斯通电桥模式。命令说明：配置模式对于测量比较重要，针对不同的外围电路，可配置不同的测量模式来与之对应。返回值：O x O l+具体模式(O x 0 1-O x 0 4)。2、控制帧：O x 0 2命令参数：无命令说明：O x 0 0 表示此温度命令不需要额外的参数返回值：O x 0 2+O x 0 0。3、控制帧：O x 0 3命令参数
48、：无。命令说明：O x 0 0 表示此初始值测量命令不需要额外的参数。返回值：O x 0 3+O x 0 0。4、控制帧：O x 0 4命令参数：O x O l-O x 0 2，一个字节。O x 0 1 外部单片机控制模式，O x 0 2 内部控制模式。命令说明：本设计配置模式默认为O x 0 1返回值：O x 0 4+具体模式(O x O l-O x 0 2)。5、控制帧：O x 0 5命令参数：O x 0 1-O x l 8+数值(2 4 位值)，四个字节。O x O l 表示第一个寄存器，O x 0 2 第二个寄存器0 x 1 8 第二十四个寄存器。每个命令后面跟着要写进P S 0 8
49、里面寄存器的I I I 一西南交通大学硕士研究生学位论文第3 6 页值。命令说明：控制命令经过S T M 3 2 转化为P S 0 8 对应的地址，然后加上要设置的寄存器的值，这样就可以控制具体的测量了。返回值：0 x 0 5+命令(0 x 0 1-0 x1 8)。6、控制帧：0 x 0 6命令参数：0 x 0 1-0 x 0 2，一个字节。0 x 0 1 输入模式，0 x 0 2 输出模式。命令说明：本设计配置模式默认为0 x 0 2，返回值：0 x 0 6+具体模式(0 x 0 1-0 x 0 2)。7、控制帧：0 x 0 7命令参数：0 x 0 1-0 x 0 2，一个字节。0 x 0
50、1 低功耗模式，0 x 0 2 常规模式。命令说明：在特殊测量时，可配置为低功耗模式返回值：0 x 0 7+具体模式(0 x 0 1-0 x 0 2)。上位机软件采用D E L P H I2 0 0 7 设计，主要分四个部分设计(1)界面设计(2)作图(3)数据存储具体的界面如图所示。上位机软件运行于监测主机上，通过界面操作人员可以控制整个测试系统，并了解监测系统工作情况，以及配置测量模式、参数调整调零和对测量结果的后续处理。一旦监测的测量系统出现异常时，上位机操作人员出可以及时处理现异常情况。上位机的测量模式选择和测量后的数据处理分别如图2 2 5 所示和图2 2 6 所示。图2-2 5 上