基于DSP的列车走行部故障仿真测试仪设计

李朝仕，黄采伦

（湖南科技大学 信息与电气工程学院， 湘潭 411201）

列车走行部故障仿真测试仪可以对列车走行部故障实时监测诊断系统的稳定性和可靠性进行测试，使其能确切地监测诊断列车走行部故障信号，并保障在列车上能正常稳定地工作。目前，对监测诊断系统的一般检测方法是利用函数波形发生器进行检测。然而，市场上通用的函数波形发生器输出通道较少，模式单一，无法满足实际采集与复现系统应用中测试的需求。因此，本文设计了一种基于DSP芯片TMS320C6726的多通道列车走行部故障仿真测试仪装置，其充分利用DSP的硬件特性，使用泰勒级数展开法得到正弦波形的采样表，再通过不同的调制方法，合成列车故障振动信号波形，复现实际环境采集的振动信号。

1 系统硬件设计

1.1 系统硬件框图设计

该系统硬件结构如图1所示，包括DSP芯片TMS320C6726、扩展内存SDRAM、FLASH闪存、LCD触摸显示屏、D/A转换电路、滤波电路和差分变换电路等。

图1 系统硬件结构框图

1.2 TMS320C6726简介

主控芯片TMS320C6726是一款高性能32 bit浮点运算型DSP，其CPU采用的是增强型C67X+CPU内核，每个时钟周期可并行执行8条指令。另外，CPU包含2个数据通道，每个通道包含4个功能单元和1个寄存器组，每个寄存器组包含32个32 bit寄存器，共64个通用寄存器。减轻寄存器压力，可以让C编译器优化更复杂的代码。其处理速度高于定点DSP，有利于实现高精度复杂算法的实时处理。

1.3 数模转换部分设计

数模转换芯片采用AD5391，它是一款12 bit，16通道的数模转换芯片， 使用5 V单电源供电，可以按通道提供可编程增益与失调，便于系统校准。各DAC通道均要经过双缓冲，因而通过LDAC引脚可以同时更新所有DAC输出。每个通道均具有一个能够以轨到轨方式工作的片内输出放大器。AD5391内置2.5 V低漂移基准电压源，并含有一个30 MHz SPI接口和一个400 kHz I2C兼容接口。

AD5391与TMS320C6726通过SPI串行通信端口连接， SPI0_CLK输出时钟，SPI0_SCS输出使能低电平信号，SPI0_SIMO 输出数据，SIP0_SOMI返回数据，LDAC提供寄存器数据更新低电平信号，BUSY输出AD5391芯片是否空闲信号，SPI_ENA输出清除寄存器的低电平信号。SPI端口与数模转换器AD5391的硬件连接电路图如图2所示。

图2 数模转换连接电路图

1.4 触摸显示屏的设计

本文设计的列车走行部故障仿真测试仪采用LCD触摸显示屏作为人机交互界面，通过 LCD触摸屏输入列车的行驶速度与滚动轴承型号等波形合成参数。DSP与LCD触摸屏连接电路如图3所示。

LCD触摸屏采用7.0 inchTFT显示模块，该模块采用的是RA8875 TFT LCD控制器，RA8875驱动芯片是文本和液晶显示器的双层图形模式控制器，可以结合文本和二维图形应用程序，最大支持中小规模数字板800×480的分辨率。内置768 byte的显示内存给用户提供更加灵活多变的实际需求解决方案。

图3 触摸屏连接电路图

2 系统软件设计

2.1 波形合成的原理

直接数字合成技术是任意波形合成技术的核心，按照模型结构的不同，可以分为直接数字波形合成（DDWS）和直接数字频率合成（DDFS）。DDWS技术可以方便产生任意复杂的波形，复现信号采集系统中的复杂环境信号和现场信号，并可保证信号的细节不遗漏，实现高保真的波形信号输出。因此本文选择DDWS模型，DDWS原理图如图4所示。

图4 DDWS原理图

2.2 波形合成的过程

本文选择DSP作为系统的处理器，充分利用DSP的高速计算能力和实时性等特性，地址发生器与可变时钟发生器都由DSP控制，构建的直接数字波形合成的框图如图5所示。

图5 系统波形合成框图

根据LCD触摸屏输入的列车行驶速度以及车型参数，DSP从车型参数库中查找匹配的车型，提取出相关车型的机械参数，根据列车走行部故障特征频率计算公式，计算出列车走行部各部位的频率。根据频率大小，确定一个正弦周期的采样点数，每个采样点对应一个正弦角度，利用泰勒级数展开法，计算出对应正弦角度的数值，分别存入SDRAM构成正弦波形表，展开泰勒级数展开公式如式（1）：

再根据列车的故障振动机理以及振动特性，计算故障特征频率与其他振动频率发生调制时，调制信号在一个周期内的波形表。分别存储在SDRAM波形表中，最后将波形表数据循环发送给D/A转换器，实现数字信号到模拟信号的转换。

2.3 软件设计

软件系统采用模块化设计，先对系统复位检测及初始化、配置与外围器件通信的MCASP及SPI端口，LCD触摸屏初始化，配置D/A转换芯片AD5391，然后读取触摸屏输入参数，调用波形合成子程序，计算每个通道的波形表数据并存储在SDRAM中，计算完成后，DSP通过SPI串行通信端口将所有通道一个周期数据发送给D/A转换器输出波形。扫描触摸屏是否有新参数输入，有则返回读取参数，重新合成新波形表，没有则继续输出原来波形表数据。主程序流程如图6所示。

图6 主程序流程图

3 实验结果

在DSP编程仿真软件CCS3.3环境下，通过仿真器SEED-XDS510PLUS将程序下载到DSP芯片中，输入车型和车速，用示波器测量到相应的输出波形，如图7所示为4通道示波器测得的故障仿真波形，其中，通道1为正常状况下的正弦波形，通道2为有脉冲冲击时的谐波波形，通道3为振幅调制波形，通道4为频率调制波形。

图7 故障仿真波形图

4 结束语

本文设计的列车走行部故障仿真测试仪充分利用DSP的特性，波形合成灵活性强，输出波形稳定可靠，反应速度快，能产生复杂多通道的故障仿真振动波形。而且系统实时性和扩展性较好，只需改变程序中的波形采样参数，就可产生正弦波、方波、三角波等普通波形以及其他任意波形。不足之处是由于通道数增加，数据量增大，受数模转换器速度的限制，只能产生低频波形信号。

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