铁路检测仪中陀螺仪的信号采集电路设计

摘要：铁路检测仪系统设计中，采用光纤陀螺仪完成对铁路平顺度相关参数的采集，使用电压补偿方法解决所采集角度的相对零点数据浮动问题，并推导了该方法的计算过程。实验表明，该方法达到了预期目标，数据稳定性得到明显改善。
关键词：铁路平顺度；光纤陀螺仪；电压补偿

引言
    铁路轨道平顺度的各项参数能否满足铁路检测要求，关系着行车安全和乘客的舒适度。铁路检测仪是对铁路的轨距、水平、轨向、高低等参数进行采集并处理的铁路轨道检测设备。其中，轨向和高低采集电路的设计比较复杂。本文主要介绍在铁路检测仪中，轨向和高低两个参数采集的硬件和软件设计。

1 系统总体设计
    铁路检测仪利用两个单轴光纤陀螺仪分别作为轨向和高低两个参数的传感器，配合硬件电路实现这两个参数的数据采集。陀螺仪是一种角速度传感器，它具有精度高、响应快、抗震动等优点。随着其性价比的提高，目前已经在民用领域里得到广泛应用。该检测仪中利用两个单轴光纤陀螺仪测量铁路平顺度中轨向和高低的变化。陀螺仪输出的电压信号与角速度具有一定的比例关系，通过采集电压信号推导出角速度，然后再通过积分处理计算出角度变化，最后根据铁路平顺度检测的一些算法映射出铁路的轨向和高低两个参数的变化曲线。
    检测仪的数据采集系统结构框图如图1所示。该系统包括数据采集模块、数据处理模块和数据传输模块。数据采集模块包括信号调理电路和高速A／D转换电路，其主要功能是完成对两路陀螺仪信号的调理和A／D转换；数据处理模块主要实现响应采集命令、完成陀螺信号的积分处理等功能；数据传输模块则负责把数据处理模块处理后的数据上传给上位机。上位机主要实现采集数据的接收、数据格式转换、数据存储、数据调用、数据分析以及良好的人机交互等功能。另外，该系统还要通过数据传输模块实现与其他数据采集系统的数据交互等功能。

    由于铁路轨道比较平缓，陀螺仪输出的信号较微弱，易受其他噪声污染而被淹没，所以前端陀螺仪信号能否得到妥善处理关系到整个系统设计的成败。下面详细介绍系统中陀螺仪信号采集电路的设计。

2 硬件设计
    系统数据采集原理如图2所示。首先对陀螺仪输出信号进行信号滤波、信号放大、信号平移等信号调理措施，然后对调理后的信号进行A／D转换，最后用单片机对信号进行采集和处理，并把数据处理结果上传给上位机进行数据显示等。

    该系统选用的陀螺仪信号输出电压范围为-3～+3 V，在实际使用中，其输出电压在-O．03～+O．03 V之间浮动。由于陀螺输出的信号较弱，而选用的A／D芯片有效的转换电压范围是0～3 V，所以对陀螺仪输出信号放大10倍，并平移1．5 V，这样就能保证信号能在A／D芯片有效的信号采集范围内。设定陀螺输出信号为Vin，进入A／D芯片的信号电压为Vi，那么就有：
    Vi=10×Vin+1．5 V
    由于Vin输出电压信号很微弱，如果此处平移的1．5 V不够精确，就会直接降低陀螺仪信号的准确性，因此对信号平移电路的设计提出了很高的要求。为此电路中采用了ADR433A芯片，尽量保证获取1．5 V电压的精度。根据上述分析，设计的信号采集电路如图3所示。A／D转换芯片采用ADS8381。

3 软件设计
3．1 软件流程
    数据采集系统软件流程如图4所示。系统接收到启动命令后，开始启动系统电路。启动后，系统首先等待采集触发信号。当接收到采集触发信号时，单片机发送信号分别选取两路A／D芯片工作，A／D芯片分别对两路陀螺仪输出数据进行A／D转换。由于选用的A／D芯片的转换速率为580 kHz，能够在0．18 ms内完成100次数据采集，实际上每路陀螺信号采集50次求平均值，因此可以认为两路信号是同时被采集的。然后，单片机对采集到的两组数据分别进行数据滤波、角速度计算等处理以获取角度数值，并把这两组数据上传给上位机进行后续处理。

3．2 电压补偿推导
    陀螺仪在静止状态下输出的电压信号为零，当陀螺仪的姿态持续改变时，其输出的信号也会随之改变。基于陀螺仪的这种特性，检测仪开始运行前默认陀螺仪输出的电压为0 V，并以平移的1．5 V作为相对零点。在实验过程中发现，所采集的轨向和高低数据与理论推算值浮动较大，针对这一问题，在该系统中采用电压补偿方法进行解决。本文提出了动态电压补偿方法，提高了实际相对零点精度。在介绍这种方法的推导之前，先说明一些符号的含义。
    SF：标度因数(比例系数)。
    Ugyro：陀螺仪输出信号电压。
    Ucode：理想状态下，A／D转换前获取电压转换的二进制编码。理想状态下，P·Ucode=10·Ugyro+1．5 V。
    注意：A／D转换前获取的电压为陀螺输出信号放大10倍且平移1．5 V后的信号。
    Ucode0：实际测量条件下，A／D转换前获取电压转换的二进制编码。
    ω：陀螺输出的角速度。ω=Ugyro／SF=(P·Ucode-1．5 V)／(10SF)。
   
    理论上，陀螺仪输出信号被放大10倍并平移1．5 V，陀螺输出的信号经过单片机处理后上传给上位机。连续状态下陀螺仪的角度计算如下：

    以上是理想情况下推导的角度计算公式，但是根据实验采集的数据发现，静态情况下每次采集的数据会在一个常数上下浮动。为了减小电路对所采数据的影响，下面采用动态电压补偿方法计算推导角度。陀螺仪连续状态角度推导：
   
    其中，Ucode0表示静态情况下，相对电压经A／D芯片转换后的二进制；Ucode.i表示实时采集的电压经A／D芯片转换后的二进制；ti表示每次的积分时间。

4 实验分析
    采用动态电压补偿前采集的数据如表1所列。

    理论上，陀螺在静止状态陀螺仪输出的电压应该为0 V，对应的角度也应该为0°，即使考虑到其他干扰影响，采集的数据也会在0°附近浮动。但是从表中可以看出，轨向的角度在1．44°浮动，高低的角度在2．3°浮动。
    采用动态电压补偿后采集的数据如表2所列，表中是两组起始点开始采集的5个数据。

    从表中可以看出，采集的角度在0°附近浮动很小，数据稳定性有了很好的改善，而且其起始点数据也比较稳定。通过对检测仪相对零点信号的多次采集，很好地解决了数据的相对零点不稳定问题。

结语
    铁路检测仪中采用两个单轴光纤陀螺仪作为铁路平顺度其中两个参数轨向和高低的传感器，完成对铁路轨道平顺度的高速、高精度的数据采集。同时，通过与先前采集的数据比较分析，采用动态电压补偿方法很好地解决了数据的相对零点浮动问题，满足了实际工程需要。