特種車輛試驗測試模擬信號采集系統設計

柳泓蟄，黃瑞顏，戴志遠，閆克丁

（1.中國兵器第二〇一研究所，北京100072；2.西安工業大學 電子信息工程學院，西安 710021）

隨著國防事業的發展和技術推進，特種車輛作為軍隊重要戰略裝備，往往集成復雜的系統和高新技術于一體，車體總體性能不斷提高，功能也不斷完善。 變速箱作為控制特種車輛行進狀態的關鍵部位，變速箱在工作時其運行參數反映了特種車輛的性能。 特種車輛變速箱參數主要分為壓力數據、溫度數據、轉速數據3 種。 目前主要采用人工檢測方式對變速箱進行檢測， 將變速箱吊裝在臺架上，在不同檔位上合適力度，通過轉速箱工作聲音判斷其狀態， 這種方式較大依靠檢測人員的自身經驗，也很難判斷出可能存在的故障源。

當前，對于變速箱模擬信號采集及分析有一些研究進展，文獻[1]根據轉速傳感器信號，各個擋位速比、差速器速比、輪徑等信息，對轉速傳感器和各個擋位的傳動進行建模和標定， 對在行車過程中，換擋后的齒輪工作是否正常進行診斷；文獻[2]通過小波分析方法對某齒輪箱進行故障診斷，對振動原始信號進行分解、重構及頻譜分析，識別出齒輪箱內部某滾動軸承存在故障；文獻[3]通過建立變速箱齒輪故障數據庫， 確定變速箱齒輪的等級參數，分析影響變速箱齒輪故障的外在因素，提出了一種適用于各旋轉機組齒輪故障診斷的方法；文獻[4]通過實車運行振動數據采集分析，提出了動車組齒輪箱技術狀態的評判建議；文獻[5]針對目前在優化傳感器布置時對齒輪箱可能發生的故障信號是否能被識別與分離研究較少的情況，將故障可診斷性應用于齒輪箱傳感器優化布置中；文獻[6]利用小波包能量熵結合SVM 對變速箱內部軸承故障展開診斷檢測；文獻[7]通過分析變速箱中齒輪噪聲機理，構建了對應的數學模型，提出了一種能快速分辨出齒輪箱中齒輪和軸故障的方法，該方法基于小波變換。

為能實時、同步監測變速箱運行時的各種性能數據，需要設計一套特種車輛試驗測試模擬信號采集系統，實現對特種車輛變速箱運行參數的采集和分析。

1 采集系統總體設計

多路模擬信號采集系統組成框圖如圖1 所示，在特種車輛機變速箱位置安裝各種測量所用壓力傳感器、轉速傳感器、溫度傳感器及流量傳感器。 各種傳感器負責采集變速箱內部的各種運行參數，再傳遞給高速采集卡；由于為了在連續時間內捕獲更多的變速箱內部參數變化情況，需要用到多路數據采集模塊，即高速采集卡，高速采集卡能將連續的模擬信號轉換為數字信號，將每個通道的信號記錄與保存；設計信號采集同步觸發模塊，確保各參數同步采集，便于分析變速箱參數間關聯性；設計上位機軟件負責接收和處理采集卡上傳數據。

圖1 多路模擬信號采集系統組成框圖Fig.1 Block diagram of multi-channel analog signal acquisition system

1.1 系統硬件設計

1.1.1 傳感器信號采集模塊

傳感器信號采集模塊共包括8 個通道，各自測量數據如表1 所示。 傳感器在安裝時需要注意，與變速箱之間需要通過墊片調節合適安裝位置。 傳感器感應端距測速齒輪（車速齒盤）的齒頂間隙保證在1 mm～1.2 mm 的范圍，用平墊調節間隙，并記錄平墊厚度、間隙。 傳感器需安裝在車速傳感器支座上， 安裝前需將支座的螺紋處進行清洗。 用2 個M6X16 的內六角螺釘固定支座， 并加Φ6 的彈墊，最后在調整好傳感器間隙后用螺紋緊固膠緊固。 傳感器間隙調整好、螺釘緊固后，需用鐵絲將傳感器與支座緊固。

表1 軟件中各通道與實際數據對應關系Tab.1 Corresponding relationship between channels in software and actual data

1.1.2 多路數據采集模塊

多路數據采集模塊組成如圖2 所示，該模塊共有8 路通道，單通道采樣率不低于2 Mbit/s。接收端接收變速箱中傳感器所采集的信號，該信號為高頻窄帶信號，需先經過模擬前端電路放大平衡，然后再由ADC 將模擬信號轉換成數字信號。其次，利用FPGA 對ADC 輸出的數字信號進行轉換，并將處理后的數據緩存到DDR 中。 當FPGA 接收到觸發信號時，將處理后的信號通過PCle 接口通過DMA傳輸到上位機緩存，最后上位機控制中心利用上傳的數據進行信號處理，獲取變速箱油溫、溫度等數據。

圖2 多路數據采集模塊組成框圖Fig.2 Block diagram of multi-channel data acquisition module

ADC 芯片連接模擬前端的輸出和FPGA 的輸入，其輸入電壓范圍必須滿足模擬前端電路的輸出電壓范圍，同時ADC 的采樣率必須滿足奈奎斯特采樣率。 該采集模塊選用4 個雙通道ADS42LB69 芯片實現本系統的8 通道信號采集， 具有高線性度、雙通道、250-MSPS、功耗低等特點。 考慮到高頻模擬信號在多通道數據采集卡中容易受到信號干擾，為了避免這種干擾，系統中采用了差分信號傳輸。 它要求在模擬信號對ADC 進行校正之前，將單端信號變換為差分信號，因此在ADC 電路之前增加了差分放大電路，設計的模擬前端電路如圖3 所示。

圖3 模擬前端電路Fig.3 Simulates the front end circuit

當差分信號受到干擾時，差分的兩條線同時受到影響，但電壓差變化不大，因此比單端信號具有更好的抗干擾性能。 多個信號采集通道之間幾乎不存在干擾，數據采集卡與上位機之間在數據傳輸過程中也不存在干擾。

1.2 系統軟件設計

特種車輛試驗測試模擬信號采集系統軟件用于特種車輛實驗測試設備數據采集和處理工作，所以該軟件應具有采集卡參數設置、多路傳感器數據采集和處理、數據波形顯示、極值計算功能。

多路數據采集卡模塊采用PCI 方式與工控機軟件進行數據交換與控制，通過周期性循環采集傳感器的數據。 對于這個測量系統來講，軟件設計非常重要。 本系統的軟件設計主要包括：

1）系統初始化：主要完成采集卡采集時長、采樣率、采集通道配置及定時器等微控制器內核及外設功能的初始化；

2）傳感器初始化：讀取安裝在變速箱中的傳感器數量及序列號， 并判斷傳感器數量是否完整，配置信息是否正確，否則重新搜索傳感器，對傳感器進行參數設置；

3）數據上傳和轉換：變速箱安裝的傳感器采集數據為二進制編碼格式，通過上位機解說數據后要對其進行轉化為十進制；

4）數據解析與處理：將采集到的傳感器二進制編碼進行解析，由于存在噪聲干擾，通過濾波算法對數據進行濾波剔除干擾，并按照固定的幀格式存放于相應的存儲單元；

5）數據波形顯示：根據傳感器采集對應的參數變量特點進行相關數據格式轉換，最終顯示波形或者數據樣點值；

6）數據存儲：將采集到的傳感器原始數據和處理后的波形數據進行保存，格式為bin 文件。

多路模擬信號數據采集流程如圖4 所示。

圖4 多路模擬信號數據采集流程Fig.4 Flow chart of multi-channel analog signal data acquisition

本軟件開發是在Windows 10 平臺使用QT5.8軟件開發。 上位機軟件對采集卡采集到的傳感器數據進行處理后，使用QCustomPlot 控件繪制數據隨時間變化對應的波形。 開始測試時，該軟件能夠自動完成數據接收、處理、顯示等功能。 該軟件支持縮放參數波形，拖拽查看波形細節特征的功能，可以快速提取特征點數據。 本系統軟件主界面如圖5 所示。

圖5 多路模擬信號數據采集軟件界面Fig.5 Interface of multi-channel analog signal data acquisition software

2 基于小波信號變換的信號提取

由于特種車輛存在各種震動干擾，當使用系統進行測試時，如圖6 所示，很難準確的判斷出目標過靶的準確時刻，因此對于采集到的模擬信號需進行去噪處理，消除噪聲的影響，使得目標過靶的時刻能夠準確的被判斷出來。

圖6 采集卡采集到的模擬信號Fig.6 Analog signal collected by acquisition card

根據存在環境噪聲、 車體機械震動等噪聲特點，本文采用聚類算法和小波變換進行數據處理，算法原理如圖7 所示。

圖7 基于小波去噪的信號分段配準處理算法原理框圖Fig.7 Block diagram of signal segmentation registration processing algorithm based on wavelet denoising

小波變換能夠對待測信號提供一個隨頻率改變的“時間-頻率”窗口，通過伸縮平移運算變換可以將傳感器檢測到的信號的頻率進行多尺度細化，獲得不同頻率成分。 本項目根據噪聲的高頻特性，選擇Gauss 小波函數，其數學表達式為

由于待測目標信號主要為低頻成分，高頻成分主要為信號中的噪聲部分，因此對信號進行3 層分解，對其中的高頻成分與低頻成分進行區分。 設采集的時間信號為f（t），利用Gauss 小波函數對其進行3 層小波分解：

式中：a 為尺度因子，取值一般大于0；τ 為位移參數，取值可正可負。

傳感器測量信號進行小波分解時，目標與噪聲的高頻成分的幅值具有明顯的差異性，因此通過設定合適的閾值可實現對噪聲小波系數的處理，在一定程度上濾除噪聲信號，提高信號的信噪比。 本文采用的小波閾值函數為

對于去噪的小波系數，采用小波逆變換進行信號恢復，逆變換表達式為

通過上述濾波變換方式可以有效避免雜波干擾，提取出有效信號特征點，幫助分析特種車輛各個參數反應的車輛性能狀況。

3 采集系統試驗驗證

測試系統搭建示意圖如圖8 所示，外部同步觸發模塊用于接收外部觸發信號觸發采集卡開始工作，適用于利用某種環境信號觸發實驗開始。 多路數據采集卡將采集到的傳感器數據進行A/D 轉換和初步緩存，然后將數據傳輸給工控機上。 多路數據采集模塊使用兩張PCI-50614 數據采集卡搭建，可同時采集8 路參數。 工控機選用研華610L，采用無源底板的插槽由ISA 和PCI 總線的多個插槽組成， 計算機通過PCI 接口讀取采集卡DDR 中的數據并存進行相關處理。

圖8 特種車輛模擬信號測試系統搭建Fig.8 Establishment of special vehicle analog signal test system

完成系統設計和搭建后，將傳感器布置在特種車輛變速箱合適位置進行相關測試試驗，傳感器安裝示意圖如圖9 所示。

圖9 測試系統中所用傳感器及安裝位置Fig.9 Sensor used in the test system and its installation position

特種車輛試驗測試模擬信號采集系統與安裝在特種車輛對應位置的各傳感器連線后便可開始測試試驗。實驗開始時，觸發源將采集到觸發信號傳輸給同步控制器，同步控制器觸發采集卡開始采集工作，記錄獲得數據。 測試數據結果如表2所示。

表2 系統測量數據Tab.2 System measurement data

選取其中變速箱輸入轉速、變速箱油流量、潤滑油壓力的測試波形如圖10 所示，時間截取為實驗開始的1300 ms 內的數據結果，從圖型可知數據采集波形完整，噪聲干擾較少。

圖10 測量數據波形顯示Fig.10 Waveform display of measurement data

通過對多次測試的數據結果進行分析，各項數據表明待測車輛數據均滿足系統性能要求，本測試系統性能穩定、測試結果可靠，滿足系統測試需求。

4 結語

本文設計了一種特種車輛變速箱模擬信號采集系統，用于測試特種車輛變速箱各種參數。 該系統由工控機、高速數據采集卡和同步控制器3部分組成， 并開發了特種車輛試驗測試模擬信號采集處理軟件。 通過展開外場測試試驗，該系統能快速穩定測試數據，測試結果準確、可靠，達到了預期目標，為測試人員分析特種車輛性能提供了數據支撐。