鐵路檢測(cè)儀中陀螺儀的信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

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。