高速磁浮列车相对位置传感器测试平台上位机软件设计

邓 鹏，王明乾

(国防科技大学，陕西 西安 710100)

0 引言

我国对磁浮列车技术的研究已有二十多年历史，“十三五”规划提出研制600 km/h的常导高速磁浮列车.2019年，时速600 km的高速磁浮试验样机在青岛下线，国产高速磁浮技术有了较大的发展.常导高速磁浮列车采用类似同步电机的原理进行牵引，列车悬架为转子，轨道为定子，分段铺设，因定子相对一节车厢较长，故称为长定子轨道[1].根据同步电机原理，需要对列车精确定位才能正常牵引[2-3]，因此，列车的定位测速系统是列车稳定运行的关键系统之一.但由于国内尚未建成能以600 km/h运行的磁浮列车实验线，对定位测速系统相对位置传感器的高速运行研究无法进行实验验证，对传感器的检测也只能在实验列车上进行，无法进行地面有效检测.因此研制一套能对相对位置传感器在高速运行下的工作可靠性进行检测，以及对传感器日常工作性能测试的离线模拟测试平台具有重要意义[4].

1 测试平台

1.1 组成

相对位置传感器分布在磁浮列车悬浮架上，如图1所示，每两个传感器组成一对，用于列车在经过长定子轨道接缝时相互切换，保障信号的连续性.同时，车头和车尾两节车厢的左右各有一对，主要为冗余考虑，保障列车定位测速系统的可靠性[5].

如图2所示，相对位置传感器离线测试平台主要由三大部分组成，分别是上位机人机交互软件、控制箱以及测试台.

1.2 工作原理

测试台上装有与传感器内部线圈相互感应的测试线圈，线圈与控制箱内部的可编程电位计相连，控制箱内部的电位计电阻值以一定规律变化，从而改变测试线圈与传感器线圈的电磁感应效果，即改变等效负载，使得传感器线圈的等效电磁负载变化规律类似于传感器在长定子轨道上移动时的等效电磁负载变化规律，从而实现传感器的工作模拟.

控制箱内的硬件电路接收上位机的指令、控制传感器线圈等效负载变化规律、采集传感器信号以及向上位机发送初步处理后的传感器信号.

上位机需要实现接收控制箱发送的传感器信号，向控制箱发送控制指令，对传感器信号进行显示观测、存储及进一步处理分析.

2 测试平台上位机软件设计

2.1 软件功能设计

经过对测试平台需求的分析，总结本上位机软件所要实现的功能如下：

(1)实现传感器信号的实时接收

通过对传感器数据量和传输速率的计算，要求软件的采集频率为1.32 MHz，为方便信号采集，控制箱硬件电路采取了波特率为2 MHz的USB转串口芯片CH340G，无需其他中间采集卡，直接连接电脑USB口进行数据采集，因此上位机需要安装CH340串口驱动，用COM口进行数据采集.

(2)实现接收数据的波形显示

每个传感器有两路呈90°相位差的类正弦信号，考虑到实际列车上，冗余布置传感器实际只使用了其中一对传感器的信号，其他传感器则是采用信号对比或者其他故障检测方式来保证传感器的正常工作，因此本测试平台只需实现一对传感器的仿真测试功能即可.需要采用两个波形显示框分别显示两个传感器的信号，同一传感器的信号用红绿两种颜色线条显示.为方便观察，波形图需要定时刷新以观察传感器信号动态变化.

(3)实现传感器数据的观测和存储

在工程测试过程中往往需要对具体数据进行观察，本文在实现波形显示的同时，拟增加传感器数据实时显示界面，并添加将传感器数据按一定规则保存为txt文件的功能.

(4)实现对测试平台的指令控制

测试平台的启停，模拟列车运行速度的更改，模拟列车运行倾斜、俯仰及其他非常规工况模式等都由上位机来控制，因此需要设置好上位机的控制逻辑.

(5)实现传感器的实验测试、故障诊断和检测

传感器的测试、故障诊断与检测需要检测算法的支撑，本软件主要采用基于主元分析的故障检测与诊断算法在上位机内部实现，软件的界面只需要设置控制按钮和显示标识即可.

2.2 软件框架设计

本文采用常用的C#作为上位机开发语言，其简单明了的控件使用对于软件开发非常实用[6].如图3所示为上位机软件的设计框架，采用扁平化界面设计，让用户操作更简单，具备良好的人机交互体验.

2.3 监视流程设计

串口通信部分主要用于保证计算机与控制箱硬件电路的有效连接，由于上位机有多个任务需要同时完成，本文采用多线程编程，将串口监视单独作为一个线程运行，其监视流程如图4所示.

软件启动时，UART串口就以0.1 s的周期去检测是否有串口设备接入电脑.当检测到串口接入时，读取接入串口的COM口通道，若有多个串口，则可点击COM口下拉列表选择.用户设置好波特率、校验位、停止位、数据位后即可打开串口接收传感器数据，上位机会以一定频率进入COM口缓冲区读取数据.同时，串口也随时将用户指令发送到控制箱电路.

2.4 控制逻辑设计

由于传感器运行过程中的数据量非常大且连续不断，而上位机对数据的采集和对控制箱的指令发送均使用半双工的USB转串口，无法同时收发，因此本文设置了相应的控制逻辑来解决冲突，如图5所示.

图5中的数据接收是一个持续性过程，而用户发送指令相当于是一个中断过程，检测到用户发送指令时，将会停止串口接收数据，进行指令发送.发送指令时会先发送一个起始信号，硬件电路收到上位机发来的指令起始信号时，将会主动停止传感器数据的发送，等待接收上位机的指令.对于传感器实验来说，通常不关心仿真状态切换过程中的数据缺失，只关心固定状态下的仿真实验数据，因此指令发送过程中停止传感器数据接收并不影响传感器的仿真实验.

传感器数据具有严格的顺序，每个数据包有两个字节作为包头，接收到数据首先进行数据转换，在包头的前方插入换行符，然后将数据依顺序显示至textbox控件中.由于计算机内存限制，当textbox控件显示的文档内容过多时，会出现卡顿现象，需要对上位机数据定时清除，将textbox控件显示的数据量控制在一定范围内，经试验，将传感器数据量控制在1 000行内，在一个运行内存4G的笔记本上可以连续运行保持不卡顿，数据量也足以支撑实验观测和使用.同时，根据硬件电路的信号参数，硬件平台向上位机软件发送传感器数据帧的频率是30 kHz，也即是传感器数据帧的采样频率，轨道每个齿槽周期长度是86 mm，日常实验中列车速度最低为5 m/s，此时列车经过一个齿槽周期的采样点数为：

86÷5×30=516.

(1)

为保证能完整显示一个周期数据，此处设置为依顺序保存到800容量的数据点数组，通过ZedGraph波形显示控件显示数据.当速度为最高600 km/h时，经过一个齿槽周期的采样点数为：

86÷600×30≈15.

(2)

根据工程要求，当列车速度高于上百千米每小时时，仅要求能提供精确的齿槽计数即可，对于正弦信号，15个点的采样点足以实现对周期的精确计数.而当速度较低时，要求相对位置传感器提供4 mm以内的定位精度，即每个齿槽周期至少要有22个数据点，根据式(2)，当速度较低时，采样点数远满足定位精度要求.因此，本软件的设计能够实现列车低速的高精度和最高600 km/h速度的仿真和实验.

通常人眼对60 Hz以上的视觉刷新频率就会感受到是连续画面，本软件设置控件每0.01 s自动刷新显示，使得界面中可以看到实时的波形动态图.

传感器的数据保存、数据处理、传感器检测均采用独立的线程运行，不影响上位机数据采集和显示，可以在今后的开发中不断优化算法和功能.

3 软件框架设计

如图6所示为所实现的测试平台实物图，图中同时对两个传感器进行离线测试，高速磁浮列车相对位置传感器上位机软件波形和数据显示界面分别如图7和图8所示.

图7和图8中的波形显示和数据显示可以相互切换，同时还能实时显示出传感器模拟的列车运行速度.波形图中可以暂停后通过鼠标对图形进行放大和平移等操作，便于对信号的细节进行观察.

实验证明本文设计的上位机软件能流畅地进行传感器数据的采集、显示与控制指令发送，满足工程需求，具有良好的用户使用体验.

4 结论

本文针对高速磁浮列车相对位置传感器测试平台，基于C#设计了平台上位机软件.测试平台可使高速磁浮列车相对位置传感器的实验、检测等工作从实际列车上转移到实验室环境下进行，并能逼真地模拟传感器在高速运动列车上工作的场景，有效地降低了高速磁浮列车研发和检修成本，提高了列车的安全可靠性.

在保证各项功能需求的前提下，力求软件的使用方便性、操作简洁性.目前本软件仅实现了基本功能，对于传感器性能测试、故障检测与诊断、信号分析等只通过简单的算法进行了实现，下一步还需要融入更有效的算法来实现对传感器的信号处理，进一步完善测试平台的信号分析功能.