基于FPGA的增益可配置無線輪軌力測量電路設計

王出航，陳 思

(長春師范大學計算機科學與技術學院，吉林 長春 130032)

1 研究背景

隨著我國鐵路進入高速時代，平穩性和舒適性成為人們關注的焦點，而輪軌力測量是評價這兩者的重要方法之一[1]。輪軌力測量也是軌道車輛動力學測試的重要內容，其反映了軌道車輛的脫軌機理。目前輪軌力測量主要通過連續測量作用在測力輪上的橫向和垂向力，信號采集通過集流環獲取應變片傳感器的應變信號，放大和處理后傳輸給上位機[2]。但這種方法在傳輸數據過程中會引入噪聲，影響測量精度，劉慶杰[3]提出了基于集合經驗模態分解與小波變換相結合的方法來去噪。為了進一步提高測量精度，張冉佳[4]提出了基于遺傳算法優化的神經網絡輪軌力精確預測方法。此外，輪軌力測量也得到了廣泛應用，田光榮[5]通過利用測量的輪軌力數據，實現對鐵路貨車運行狀態準確評價。祖宏林[6]通過分析測量的輪軌力，對高速鐵路軌道狀態進行有效的評估。以上輪軌力測量都通過有線方式傳輸，存在布線復雜、不便于檢查維修等缺點[7]。于是，基于列車安全性、測量精確性和設備便攜性的要求，無線測量技術的應用顯得尤為迫切。通過無線通信技術可以降低投資成本，數據連通性強，有較強的系統魯棒性。且無線通信技術可以進行遠程控制，以網絡方式訪問。隨著FPGA在微弱和高精度信號采集中的應用[7-8]，其設計靈活、可靠性高、速度快以及可驗證等優勢在數據采集領域得到了完全體現。

采用FPGA設計輪軌力測量電路，可對增益進行配置，實現寬范圍的放大倍率，并通過ZigBee無線方式將測量的數據進行傳輸，從而保證輪軌力數據信息的可靠性和安全性。

2 電路方案設計

從設計靈活和降低成本等方面考慮，電路設計不采用傳統集成微處理器方式，而是采用FPGA作為主控，型號為XC6SLX16FTG256，其通過控制多路開關選擇某一路應變片傳感器信號輸入放大電路，然后經過A/D轉換送入FPGA，再由FPGA進行分析后發送至ZigBee無線通信電路，由ZigBee組網發送至上位機，整個電路原理框圖如圖1所示。

3 電路詳細設計

電路實現對微弱輪軌力信號測量，主要包括多路開關選擇電路、增益可配置放大電路、A/D轉換電路以及ZigBee無線通信電路，接下來對各個模塊進行詳細設計。

3.1 多路開關選擇電路

由于需要對多路傳感器信號進行采集，為了降低成本和復雜度，共用放大和A/D轉換電路。而電子多路開關具有高速切換能力，且引入干擾很小，其在數據采集系統得到了廣泛應用。因此采用MAX338，通過FPGA控制其地址選擇A0～A2和使能EN引腳，實現對多路輸入的選擇。具體電路如圖2所示。

圖2 多路開關選擇電路原理圖

使能引腳高電平有效，低電平時輸入輸出斷開。A0～A2為“000”時，輸入N01有效。以此類推，A0～A2為“111”時，輸入N08有效。

3.2 增益可配置放大電路

應變片傳感器信號為微伏級信號，需要根據不同環境情況放大相應倍率，為了放大到該倍率范圍，采用兩級放大電路。第一級采用固定放大倍率為100，第二級采用FPGA控制數字電阻器來配置一定范圍的倍率。此外，還設計有防浪涌和濾波電路。具體電路原理如圖3所示。

圖3中第一級放大由放大器AD621構成，通過連接引腳1和8確定其固定放大倍率為100。第二級放大由放大器AD620和數字電位器MCP41010構成，放大倍率可通過FPGA控制MCP41010的阻止來實現，具體為FPGA通過SPI接口與MCP41010通信來配置變阻器阻值。為了提高電路的可靠性和抗干擾能力，圖3設計有由C4、C5、D2和C6、C7、D3組成的防浪涌電路，以及由運放LTC6261與R4、R5、C3、C8組成的巴特沃斯濾波器電路。經過放大的信號由Aout輸出。

3.3 A/D轉換電路

采用AD7988-1作為A/D轉換芯片，實現模擬信號到數字信號的轉換。AD7988-1為逐次逼近型快速、低功耗、單電源、精密16位ADC，其提供片內采樣保持，沒有任何流水線延遲。A/D轉換電路原理如圖4所示。

AD7988-1與FPGA采用三線式連接方式，SDI與VIO連接，CNV上升沿啟動模數轉換，SDO進入高阻態。轉換完成后，AD7988-1進入采集階段并進入省電模式。CNV變為低電平時，轉換結果最高位輸出至SDO，剩余數據位隨后依次輸出。

3.4 ZigBee無線通信電路

ZigBee無線通信電路主要由TI公司的CC2530F256芯片構成，FPGA與其通過串口連接，用于發出命令、讀取狀態、自動操作和確定無線設備事件的順序。其電路原理如圖5所示。

圖5 ZigBee無線通信電路原理圖

FPGA內部設計有波特率發送器、串口接收器和串口發送器來實現與CC2530F256通信。其中串口發送器的作用是將準備輸出的并行數據按照基本串口幀格式轉換為TXD信號串行輸出；串口接收器接收RXD串行信號，并將其轉換為并行數據；波特率發生器就是專門產生一個遠遠高于波特率的本地時鐘信號對輸入RXD不斷采樣，使接收器與發送器保持同步。其中接收器和發送器狀態機如圖6所示。

圖6 串口通信狀態機

4 結語

綜上所述，本文設計了基于FPGA XC6SLX16FTG256和ZigBee CC2530F256的無線輪軌力測量電路，充分利用FPGA內部邏輯單元提供IO、SPI、串口，擴展多路開關選擇、增益可配置放大、A/D轉換以及ZigBee無線通信電路，并對各電路原理進行了詳細描述。無線輪軌力測量電路的實現能有效精確采集輪軌力數值并遠程傳輸，為脫軌機理研究提供基礎，為車輛運行安全和舒適性提供保障，具有良好的應用前景。