基于DSP技术的接触网动态参数检测系统

O 引 言
    接触网是一种特殊形式的供电线路，它的任务是保证对电力机车提供可靠的不间断的电能。在电气化铁路的运营过程中必须进行一系列的接触网检测工作，以便及时发现隐患并克服存在的问题，保证良好的受流。采用激光测距传感器的新型非接触式检测方法测量受电弓滑板变化状态并利用高速DSP器件上所编制的算法得到相关几何及动力学参数，可避免其他检测方式测量量多及处理速度慢的问题，并实现完全意义上的非接触式检测。
    这里从硬件和软件方面同时着手，介绍了该检测系统的开发过程。硬件电路的DSP采用美国TI公司主推的TMS320C54X系列。该系列的DSP具用相同的内核结构，所不同的是片内存储器和片内外设的硬件资源配置。TMS320VC5402是这个系列的代表产品，因其较高的性价比而成为目前应用较为广泛的DSP芯片之一。C5000的开发工具使得软件开发易于实现，而耗时较多的检测算法则采用汇编完成。实验证明，速度有较大提高，满足了系统的应用要求。

l 系统资源
1．1 TMS320C5402介绍
    TMS320C5402是TMS320C54X系列DSP芯片中具有代表性的16 b定点DSP芯片。该系列DSP芯片具有以下特点：采用先进的修正增强型哈佛结构，片内共有8条总线，即1条程序存储器总线，3条数据存储器总线和4条地址总线；高度并行和带有专用硬件逻辑的CPU设计；高度专业化的指令系统；模块化结构设计；能降低功耗和提高抗辐射能力的新的静电设计方法。TMS320VC5402是54X系列中应用比较广泛的一种芯片，它有着丰富的接口资源，是一种集数据处理和通信功能于一体的高速微处理器，操作速率可达40～100 MIPS。
1．2 可编程逻辑器件
    该系统选用Alter公司的MAX 7000A，它通过嵌入IEEE标准1149．1 JTAG(Joint Test Action Group)接口支持3．3 V ISP，并具有高级引脚锁定功能。这种器件具有节能模式，用户可以将信号通路或整个器件定义为低功耗模式。因为大多数逻辑应用中只要求小部分逻辑门工作在最高频率上，所以使用这一特性可使器件整体能耗减少50％以上。MAX 7000A还具有可编程电压摆率控制、6个引脚或逻辑驱动输出使能信号、快速建立时间的输入寄存器、多电压I／O接口能力和扩展乘积分布可配置等结构特性。
1．3 数据RAM
    该系统将数据空间扩展到128 KWord，用于对采样的数据进行暂存，数据RAM选用ICSI公司的高速数据存储器IS61LVl2816，此芯片的电源电压为3．3 V，与TMS320C54X外设电压相同，无需电平转换。其容量为128 KWord，主要特征为：高速存储，访问时间10 ns；低功耗；全静态工作；三态输出；可控制数据高低字节；输入输出引脚与TTL电平相兼容，它的LB引脚决定其低位字节是否有效，即数据位的低8位是否有效，而11UB引脚决定芯片的高字节是否有效，这两个引脚都是低电平有效；因为C5402型号的DSP的数据线为16位，所以IS61LV12816(存储器)芯片的高低字节都应有效，即LB和UB都应该置低电平；CE是芯片的选通信号输入线，低电平有效；OE是芯片的读选通信号输入线，低电平有效；WE是芯片的写允许信号输入线，低电平有效。
1．4 FLASH
    该系统选用AMD公司的AM29LV800BT型号的FLASH，主要特征为：存储空间为512 KWord，支持单电源操作，工作电源为3．3 V，可直接与C25402进行接口；采用CMOS工艺，最快存取速度高达70 ns，可进行100 000次写入／擦写操作；支持块结构操作和块保护功能，防止对任何区段进行编程和擦除的硬件保护机制，并且与JEDEC标准兼容；可通过软件方法检查编程和擦除操作的状态，同时它的READY引脚和BUSY引脚可用于硬件方法检测编程和擦除操作的状态；具有擦除暂停／擦除恢复功能，在暂停／擦除操作过程中，支持读写不处于擦除状态的块；内嵌有擦除和编程的算法能自动对整个芯片或某几个块进行擦除编程操作。

2 检测算法
    图1所示为该文提出的测试方法，即在车顶并排对称安装多个激光测距传感器，通过测试受电弓滑板底部纵向振动位移，来计算弓网接触压力、拉出值和接触线高度等参数。

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图1中，Fi表示作用在滑板梁的第i个节点的弓网接触激振力，其作用的不同位置示意接触线拉出值的变化。yi表示放置于车顶平面对准受电弓滑板底部第i个高速激光传感器的位移测量值，其动态响应关系用传递函数可表示成如下矩阵形式：

式(1)中Mij可通过单位冲击响应的数字计算得到，于是，根据卷积原理，弓网接触压力P可表示如下：

由各激光传感器测试的离散位移信号Yi，可实时得到弓网冲击加速度G，导线高度H和拉出值Z，表示如下：

式中：h0为车顶传感器的基准高度；p为激光传感器的个数；i为激光传感器的分布序号；Wi表示各激光传感器几何位置对称加权系数。

3 系统结构
    该系统主要由TMS320C5402为核心的数据采集、数据处理、数据传送电路构成，其原理框图如图2所示。激光测距传感器测得的数据经过A／D转换为数字量；再采用DSP处理器芯片对其进行处理，数字信号处理过程中缓冲数据存放在外部SRAM中；然后将处理后的数据通过PCI总线送至上位机。其中DSP的大量算法程序存放在外部FLASH中。

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4 DSP主程序流程设计
    当整个系统上电或复位后，DSP首先完成程序加载与启动，初始化以及各个参数的设置，即实现自举。接着DSP通过其McBSP模拟的I2C总线设置A／D模块的运行参数并且启动采集工作，随后开始等待外部中断(由CPLD负责发送)。当采集完一场数据后，CPLD产生向DSP发送的外部中断信号。通过编写的中断服务子程序，DSP响应中断并开始利用DMA通道搬移数据。搬移完成后DSP开始数据处理，并通过PCI总线将该结果传送到主机。DSP至程序流程图如图3所示。

5 结 语
    基于DSP技术的高速铁路接触网动态参数检测系统，将测试传感器完全从受电弓滑板上撤离下来，通过配置在低压端的激光测距传感器测试受电弓滑板在弓网接触力作用下产生的位移，利用相关算法计算接触压力、硬点、拉出值和导线高度等，实现了高速铁路接触网车载动态测试追求的目标，且避免了图像处理和激光雷达等非接触式检测方法因扫描周期和处理时间限制而无法实现对弓网高频动态测试的问题。