嵌入式钢轨振动监测节点设计

发布时间：2017-04-02 02:02

  本文关键词：嵌入式钢轨振动监测节点设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着既有铁路线路的普遍提速以及新型高速列车的不断出现,以大型探伤车为主、小型探伤仪为辅的传统铁路轨道探伤方式由于其自身因素的限制,无法满足高速铁路发展的安全需求。一直以来,振动测量和信号分析作为故障预测和维修的主要手段已成功应用于多种工业领域,但在铁路安全检测方面的运用仍处于基础研究阶段。因此,如何利用振动信号实现一种新的钢轨探伤方式,实现铁路钢轨状态的实时在线监测,是铁路安全检测领域的一项重要研究课题。而近年来,无线通信技术、嵌入式技术以及信号处理技术的飞速发展,使得获取大量有关钢轨振动特性的实验数据,实现钢轨状态实时在线监测成为可能。本文基于Zigbee无线通信技术和嵌入式技术,设计实现了嵌入式钢轨振动监测节点。该节点具有实时、定时和触发三种采集模式,通过远程控制方式可实现大量数据的采集、存储、处理和传输等功能。 设计了具有多个量程的差分输入通道的放大调理电路;搭建了二阶巴特沃斯低通滤波器电路,实现硬件抗混叠滤波；利用∑-Δ型24位高精ADC实现了电压信号的量化采集,保证了节点的采样精度和分辨率;以基于Cortex-M3架构的STM32F103VE微处理器作为控制核心,配合大容量NAND FLASH存储芯片和高增益Zigbee模块实现了数据的收集、存储、处理和无线传输。 在设计基本的数据采集、存储、处理和传输程序的基础上,加入了FIR数字低通滤波和数据重采样算法,弥补了硬件二阶巴特沃斯低通滤波器的不足,降低了硬件电路设计复杂度和制作成本；提出了“数据先存储再处理”的程序方案,在采用较高阶数数字滤波器,减小信号幅值衰减和缩小通带宽度的同时,有效缓解了FIR滤波算法对处理器的压力；在用于软件的远程维护和功能扩展的远程固件升级程序中,对传统的更新引导机制进行了改进,并且充分利用了处理器的多种硬件异常中断,编写了用于更新引导异常处理程序,提升了远程固件升级程序的可靠性；采用了数据无线传输丢失补包策略,配合改进后的数据帧格式,进一步保证了数据传输的完整性。 经实验室测试和现场实验表明,节点综合性能达到初期设计目标,具有一定的抗干扰能力和可扩展性,适用于钢轨振动数据在线监测,可为钢轨动态特性分析提供大量基础数据,对进一步研究和利用钢轨动态性能具有重要意义。
【关键词】：无线通信 嵌入式技术 钢轨振动 FIR数字滤波 远程升级
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TH825
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-15
• 1.1 课题背景及其研究意义10
• 1.2 振动监测装置国内外发展及研究现状10-12
• 1.3 课题来源12
• 1.4 本文主要研究内容12-15
• 2 嵌入式钢轨振动监测节点硬件设计15-29
• 2.1 节点硬件总体架构15
• 2.2 前端信号调理电路设计15-21
• 2.2.1 放大电路设计16-18
• 2.2.2 滤波电路设计18-21
• 2.2.3 基准电压电路设计21
• 2.3 A/D转换电路设计21-23
• 2.4 数字部分电路设计23-28
• 2.4.1 处理器模块23-25
• 2.4.2 外部存储器接口电路25-27
• 2.4.3 Zigbee通信模块接口电路27-28
• 2.5 本章小结28-29
• 3 嵌入式钢轨振动监测节点软件设计29-52
• 3.1 节点软件总体设计29-31
• 3.1.1 节点软件开发环境29
• 3.1.2 节点软件设计要求29-30
• 3.1.3 节点软件总体流程30-31
• 3.2 数据采集程序设计31-35
• 3.2.1 AD数据采集驱动31-33
• 3.2.2 环形缓冲区实现33-35
• 3.3 数据存储程序设计35-38
• 3.3.1 NAND FLASH的存储空间划分35
• 3.3.2 NAND FLASH坏块动态管理35-38
• 3.4 数据处理程序设计38-44
• 3.4.1 FIR数字滤波器设计39-43
• 3.4.2 FIR滤波算法及重采样程序设计43-44
• 3.5 通信程序设计44-47
• 3.5.1 通信数据帧设计44-45
• 3.5.2 串口驱动程序编写45-47
• 3.6 远程升级程序设计47-51
• 3.6.1 微处理器内部FLASH区域划分47-48
• 3.6.2 更新引导程序设计48-49
• 3.6.3 异常处理程序设计49-50
• 3.6.4 更新数据包丢失补包策略50-51
• 3.7 本章小结51-52
• 4 节点性能测试及现场实验52-62
• 4.1 节点静态精度测试实验52-56
• 4.1.1 实验设备及方案设计52-53
• 4.1.2 实验数据及结果分析53-56
• 4.2 节点动态频响测试实验56-59
• 4.2.1 实验设备及方案设计56-57
• 4.2.2 实验数据及结果分析57-59
• 4.3 节点现场测试59-61
• 4.3.1 实验设备及方案设计60
• 4.3.2 实验数据及结果分析60-61
• 4.4 本章小结61-62
• 结论62-63
• 参考文献63-67
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况67-68
• 致谢68-69

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 张志新;邱奇;刘冲;宋丽青;王天娆;;无线传感节点的滤波处理探究[J];电子测试;2013年11期

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 颜廷萌;可远程更新的钢轨应变与温度测量节点研究[D];大连理工大学;2013年

2 徐绍杰;分布式铁路钢轨监测的WebGIS系统开发[D];大连理工大学;2013年

  本文关键词：嵌入式钢轨振动监测节点设计，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：281662