數據實時采集鐵軌沿線噪聲監測系統應用研究

摘 要：基于DSP技術的鐵軌沿線噪聲監測系統完成了數據采集、數據處理、信號A/D轉換、數據存儲和上位機監控界面開發等。監測系統采用以太網實現了底層數據與云平臺之間的遠程通信，采用HTTP協議完成了數據讀取。DSP完成了采集數據的預處理，降低了上位機壓力，提高了系統整體性能。測試結果表明，系統采集精度達到了0.2級相對誤差范圍，滿足工業設計要求。1/3倍頻程和算法處理，得到了分頻最大振級和Z振級數據，該數據可以作為噪音是否超標評判依據。該噪聲監測系統傳感節點數據采集精確、運行穩定和上位機界面交互友好，可滿足鐵軌沿線環境噪聲監測需求。

關鍵詞：數據實時采集；鐵軌沿線；噪聲監測系統

為了實現大規模噪聲采集裝置的部署，設計了一套數據采集精度高、價格低廉、可用性高和適合大區域鐵軌沿線部署的鐵軌沿線噪聲監測系統[2]。該系統數據存儲采用了OneNet云平臺技術，采用了基于TCP/IP的遠程寬帶網絡實現噪聲數據傳輸，數據網關采用了ADS1256芯片完成了A/D轉換，噪聲監測節點采用了DSP數字信號處理芯片TMS320VC-5509完成噪聲數據采集與預處理。該鐵軌沿線噪聲監測系統實現了噪聲數據的實時采集、實時傳輸、實時存儲與實時分析和上位機界面監控一體，能夠完成噪聲數據信號是否超標監測任務，具備一定的推廣價值。

一、噪聲監測系統總體設計

鐵軌沿線噪聲監測系統主要由噪聲數據監測、數據匯聚接入與數據遠程傳輸、數據存儲與數據處理云中心和實時監控系統組成。數據監測主要通過TMS320VC5509數字信號處理器完成噪聲信號的采集與處理，數據傳輸主要由數據匯聚網關和遠程傳輸網絡組成。傳輸網絡將網關匯聚噪聲數據傳送至OneNet云平臺，完成消息路由、數據處理與存儲。監控中心通過噪聲監測數據，進而研判噪聲數據是否超出國家法定指標。

二、噪聲監測系統硬件設計

鐵軌沿線噪聲監測系統硬件主要包括了信號幅值調理、信號A/D轉換、數字信號處理與SRAM存儲模塊和以太網傳輸等。信號A/D數模轉換采用了ADS1256進行數據采集與處理，它能夠完成精準的噪聲數據采集與預處理。數字信號處理采用了TMS320VC5509芯片，它能夠完成多總線、流水型的數據處理功能。

（一）信號調理電路設計

該模塊的核心任務是完成電流轉換成電壓的電路功能。振動傳感器首先將采集的噪聲信號轉換成電流信號，然后將電流信號通過轉換電路轉化成便于采集的電壓信號。電流信號經過電流放大電路、調零點電路、差分放大電路和調量程電路的處理，便完成了電流與電壓的轉換過程[5]。電流檢測放大電路模塊的主要功能是完成電流信號不易監測而實行電壓轉成（電壓=UA），調零點電路模塊主要是完成跟隨電壓UB的輸出，其中UA=UB。調量程電路主要是完成初始電壓的放大，從而得到放大數倍的輸出電壓UO。

（二）信號轉換電路設計

信號調理電路輸出的電壓信號UO通過電壓分壓輸入端傳送至ADS1256的AIN0端口，高頻噪聲干擾信號通過低通濾波RC電路來進行處理。A/D轉換通過ADR4525處理器電路實現模擬電壓信號與數字電壓信號的轉換。

（三）以太網傳輸網絡電路設計

為了完成數字電壓信號的遠程傳輸，DSP芯片通過SPI接口與SPI總線實現了與以太網W5500的通信功能。W5500是基于TCP/IP、10/100M-MAC地址/PHY的硬件結構，能夠滿足DPS大規模數據的吞吐與輸出。為了降低電磁信號干擾造成數據丟失的概率，交換機與W5500之間搭建了網絡穩壓器，進而實現噪聲傳感器節點之間的隔離與保護[7]。

三、系統軟件設計

（一）上位機與下位機軟件流程設計

噪聲監測系統的上位機采用了VS.NET，利用C#程序和HTTP來實現云平臺數據的讀取并根據噪聲評價指標來研判噪聲是否超出國家規定范圍。

噪聲監測系統的下位機主要是完成了DSP芯片的數據處理功能設計。當監測系統在采集噪聲信號的時候，若定時器出現程序中斷，則將噪聲數據傳輸至OneNet云平臺進行數據存儲。DPS的程序流程主要包括噪聲數據采集、噪聲數據算法處理和噪聲處理數據傳輸。當下位機DSP系統處理完數據之后，需要將數據傳輸至云平臺。遠程傳輸網絡采用了http協議構建POST報文，利用TCP三次握手連接完成了數據傳輸。

（二）DSP數據采集

DSP芯片與ADS1256之間是利用SPI總線技術進行數據交互，DSP對ADS1256的寄存器進行配置，配置程序如下：

ADS-1256 Wreg（Status，0x09）;" " ADS-1256狀態位控制

ADS-1256 Wreg （Mux，0x00）;" " ADS-1256通道開啟控制

ADS-1256-Wreg （Adcon，0x08）;" ADS-1256放大器放大倍數控制

ADS-1256-Wreg （Drate，0x06）;" " ADS-1256數據轉換速率控制

（三）算法處理程序

DSP芯片進行定時器初始化操作中，采用了TIM0_Init（）函數進行處理。當定時器設置的輪轉周期結束時，系統自動調用voidTIM0_IRQn（void）函數進行噪聲數據算法處理[9]。本系統的DSP芯片的Clock頻率值為148MHz，定時器的輪轉周期時間為：

（1）

其中，Freq為DSP芯片的Clock頻率，Period為定時器的預設值。

噪聲監測系統通過FTT頻域分析變換方法計算出4～200Hz和1～80Hz范圍內的幅值譜，利用1/3倍頻程譜和Z記權處理。

四、監測系統性能測試

噪聲監測系統利用信號源的電壓信號與對比信號的振動幅值差異，來判斷該系統數據采集節點的性能。噪聲數據采集節點信號測試結果如表1所示。從表1可以看出，實際電壓與監測電壓的相對誤差幅值均小于0.2%。測試結果表明，數據采集節點的精度值達到了工業檢測0.2級，滿足系統監測要求。