罗 建， 雷 勇， 安 鸿， 蒋 勇， 黄 昊

（1.四川大学电气信息学院，四川成都 610065;2.四川制动科技股份有限公司，四川眉山 620010）

基于LabVIEW的UIC重载列车制动试验数据采集与处理

罗 建1， 雷 勇1， 安 鸿2， 蒋 勇2， 黄 昊1

（1.四川大学电气信息学院，四川成都 610065;2.四川制动科技股份有限公司，四川眉山 620010）

重载列车的制动性能是保证列车安全运行的关键问题。为了实现对64路重载列车制动试验的实时检测及处理，利用图形化编程软件LabVIEW和数据采集卡，设计了一个实时压力数据检测处理系统，系统利用Savitzky-Golay滤波器取得了良好的滤波效果。此外，系统还能对变送器进行自我校正、数据分析比较、报表生成和打印等功能。利用LabVIEW进行系统开发具有很强的灵活性，能较容易地实现系统的各项功能，并使系统具有很强扩展性。

重载列车;LabVIEW;数据采集;制动试验

0 引言

随着铁路发展，开行重载列车是解决铁路货物运输的方向，开行重载列车首先遇到的难题是列车制动问题，制动性能是保证列车安全运行的关键问题，掌握列车运行的动力学特性，科学分析列车的车辆状态、研究不同列车编组型式的机车同步性、列车制动特性等问题，对于提高重载列车的运输安全性是十分重要的［1-3］。

针对国际铁路联盟(UIC)重载列车制动试验的数据采集，本系统以多功能数据采集卡为硬件核心，然后通过USB接口将数据传至上位机，在LabVIEW开发平台下，对试验数据进行实时显示、分析处理和保存，从而实现了对64路UIC重载列车制动压力试验数据的采集和分析。

1 系统平台组成及设计

整个压力数据采集系统结构框图如图1所示，系统由硬件和软件两部分组成［4-6］。

图1 数据采集系统原理框图

2 系统硬件设计

由于制动缸压力通过变送器转换以后变为4～20 mA的电流信号，所以需要有相应的数据采集卡对变送器的输出电流进行采集。这里我们选用了一款数据采集卡，它包括用于高性能控制和监控应用的8条模拟电流输入通道。该卡具有可编程的±20 mA或0～20 mA输入范围，16位分辨率和200 kS/s最大采样率。同时该卡具有通道至地面的接地双重隔离屏障(250 Vrms隔离)，实现了良好的安全性和抗扰性。

另外为了配合数据采集卡的使用，我们选用了一款USB总线的数据采集箱，在本系统中采用数据采集箱配合数采卡使用能够在25 cm×9 cm×9 cm系统中实现高达64个通道的测试，极大地节省了系统的测试空间。

3 系统软件设计

应用软件的设计主要包括信号的实时采集显示，数据处理和信号的回放等功能。每部分都包括用户界面和程序功能的设计。由于系统需要实现的功能较多，而功能又相互独立，为方便程序设计，本文采用了模块化的编程思想。软件系统工作流程见图2。

图2 系统软件工作流程

3.1 LabVIEW前面板设计

设计前面板主要将各模块集成，便于调用。主界面包括采样参数设置、实时曲线显示部分、数据分析处理。参数设置用于上位机和数据采集箱之间的通信设置，通过它可对数据采集卡的采样频率和通道选取进行设置。实时曲线显示可对采样曲线进行实时监控，方便试验操作员了解实时信息。数据分析处理可对数据进行回显、滤波、打印和报表生成等，方便操作员对试验曲线进行进一步的分析查看。

(1)系统运行参数设置主界面(前面板)。如图3所示。

图3 参数设置主界面

(2)系统自调零。由于变送器的有时会出现零点漂移，所以必须经过校正才能够得到与实际相符合的数据。变送器调零可根据变送器的压力电流变换公式:

式中:y表示压力值;x表示电流值;a、b为变换参数。通过参数设置可对变送器进行简单的两点一线调零。首先让系统进行空采即制动缸压力为零时，此时系统的电流值即为零点压力值，然后让变送器接入一固定压力值通道，保存此时采集到的电流值。根据压力电流变换公式可以计算出该变送器的变换参数并进行保存。

3.2 实时曲线采集与显示

在参数设置完毕后，系统通过全局变量将参数设置中的采样频率、通道选取，调零参数等参数传送到曲线实时显示模块，可对采样通道和采样频率进行后台设置，通过连续电流采集程序即可实现对数据的实时采集。在采样结束后可对曲线进行保存，以便进行曲线分析［7-8］。图4为数据采集显示与存储流程图。

3.3 数据分析处理

此外，此模块还包含了曲线比较功能，通过加载两组不同的文件就能够对不同时间内采集到的数据进行分析比较，如图5所示。

图4 数据采集显示和数据存储程序流程图

系统还引入了报表生成功能。LabVIEW报告生成工具包是LabVIEW中的一个专用的功能模块，它实现了利用Word文档生成检测报告的方法［9-10］。通过在指定路径以“试验报告”名称创建并设计一个“文档模板(* .Dot)”类型的文件，然后在指定路径以指定名称创建并设计一个检测报告生成VI程序，利用该程序便可方便快速自动生成固定格式的专业试验报告节省了大量的试验数据填写与曲线描绘［11］。

图5 曲线平移功能

在数据分析中，最重要的是滤波功能，由于本系统并未设计专门的硬件滤波电路，软件滤波对于数据的准确性显得格外重要，系统采用了一种通过移动窗口利用最小二乘法进行最佳拟合的滤波器:Savitzky-Golay滤波器［12-13］，如图6 所示。

3.4 Savitzky-Golay滤波器在LabVIEW中的实现

Savitzky-Golay滤波器最早是由Savitzky A和Golay M于1964年提出的一种时域内的低通滤波器，后来被广泛地运用于数据流平滑除噪，它是一种在时域内基于多项式，通过移动窗口利用最小二乘法进行最佳拟合的方法。这是一种直接处理来自时间域内数据平滑问题的方法，而不是像通常的滤波器那样先在频域中定义特性后再转换到时域［14-15］。

图6 在信号上使用Savitzky-Golay滤波器的方法

在数字滤波模块中，系统根据实际现场采样，对数据进行了两种不同的滤波效果分析:巴特沃什滤波和Savitzky-Golay滤波，从图7的实际滤波效果我们可以明显发现Savitzky-Golay滤波器对数据进行平滑且具有良好的数据平滑效果。当然，在使用Savitzky-Golay滤波器时，应根据实际采样数据来对滤波窗口的大小和结束进行调整。

图7 Savitzky-Golay滤波器和巴特沃什低通滤波器泸波特性对比图

4 结语

本文利用虚拟仪器技术与信息处理技术，能够较小的空间内实现了对UIC重载列车制动压力试验数据的采集，最多能够同时对64辆列车制动进行检测。由于系统开发软件——LabVIEW具有强大的数学分析功能，因此利用LabVIEW强大的数学分析功能就能设计出较为理想的数字滤波器，它能够最大幅度地削减系统的硬件成本，而同时又不影响数据的滤波效果和分析。另外系统中还加入了曲线平移和曲线截取等功能，这对用户更好地分析观察数据是十分有利的，系统的报表导出功能可以说是系统的另一大亮点，它为用户节约了实验报告的撰写时间，体现出系统人性化的一点。同时也体现了现代仪器智能化、虚拟化发展方向，充分体现了“软件就是仪器”这一虚拟仪器概念。除此之外，系统还具有良好的嵌套性和可修改性，而系统的这种框图结构程序对系统的故障调试和软件的升级是十分方便的。

［1］ 徐 倩.重载组合列车试验方案设计和测试系统开发［J］.铁道机车车辆，2012，32(6):13-15.

XU Qian.Development of Heavy Haul Train Test Plan Design and Test System［J］.Railway Locomotive＆Car，2012，32(6):13-15.

［2］ 孙福祥.重载列车制动的技术发展与进步［J］.铁道机车车辆，2004，24(6):1-10.

SUN Fu-xiang.Development and Progress of Braking Technology in the Heavily Loaded Train［J］.Railway Locomotive＆Car，2004，24(6):1-10.

［3］ 马大炜.制动系统对大秦线重载列车的影响［J］.铁道机车车辆，2000(6):10-13.

Ma Da-wei.Influence of the Braking System on Daqin Line Heavy Haul Trains，［J］.Railway Locomotive＆Car，2000(6):10-13.

［4］ 周青云.基于USB接口与LabVIEW的数据采集系统设计［J］.实验室研究与探索，2011，30(8):238-240.

ZHOU Qing-yun.Design of Data Acquisition System Based on USB Interface and LabVIEW［J］.Research and Exploration in Laboratory，2011，30(8):238-240.

［5］ 王建勋.基于DS18B20和LabVIEW的温度监测系统［J］.实验室研究与探索，2012，31(3):47-50.

WANG Jian-xun.Design of a Temperature Monitoring System Based on DS18B20 and LabVIEW［J］.Research and Exploration in Laboratory，2012，31(3):47-50.

［6］ Jeffery Y.Beyon.LabVIEW Programming，Data Acquisition and Analysis 1st［M］.Upper Saddle River，NJ，USA:Prentice Hall PTR，2001.

［7］ 杨乐平，李海涛，赵 勇，等.LabVIEW高级程序设计［M］.北京:清华大学出版社，2006.

［8］ 侯国屏，王 坤，叶齐鑫，等.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计［M］.北京:清华大学出版社，2005.

［9］ 王铁铮.在LabVIEW 中实现文件报表的设计［J］.天津理工大学学报，2012，28(4-5):70-73.

WANG Tie-zheng.Design of file report base on LabVIEW［J］.Journal of TianJin University of Technology，2012，28(4-5):70-73.

［10］ 董慧群.基于LabVIEW的报表生成［J］.电子测量，2011(12):37-40.

DONG Hui-qun.Data communications based on the USB port in LabVIEW［J］.Electronic Test，2011(12):37-40.

［11］ 闫群民.基于LabVIEW的超文本报表生成方法［J］.自动化仪表，2010，31(6):29-31.

YAN Qun-ming.Generation Method Based on LabVIEW for Hypertext Report［J］.Process Automation Instrumentation，2010，31(6):29-31.

［12］ WIKIPEDIA.Savitzky Golay smoothing filter［EB/OL］.(2010-01-15)［2010-02-15］.http://wikipedia.org/wiki/Sav itzky-Golay_smoothing_filter.

［13］ BAKKALI S.Using savitzky-golay fliting methodto optimize surface phosphate deposit disturbances［J］.Ingenierias，Abril-Junio，2007(7):62-67.

［14］ THORNLEY D J.An isotropic multidimensional Savitzky Golay kernels forsmoothing， differentiation and reconstruction［J］.Departmental Technical Reports，2006(7):1123-1127.

［15］ SAVITZKY A，GOLAY M J.Smoothing and differentiation of data by simplified least squares procedures ［J］.Analytical Chemistry，1964，36(8):1627-1639.

Data Acquisition and Processing System of the UIC Heavy Haul Train Braking Test Based on LabVIEW

LUO Jian1，LEI Yong1，AN Hong2，JIANG Yong2，HUANG Hao1
(1.School of Electronic Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China;
2.Brake Technology co.LTD，Meishan 610020，China)

The performance of braking is the key to ensure the safety of thea heavy haul train.In order to realize the real-time data acquisition and processing of the heavy haul train braking test data，a real-time pressure data acquisition system is designed based on graphical programming software:LabVIEW and data acquisition card.Because of By the Savitzky-Golay filter，the system has a good performance in filtering.In addition this data acquisition system can make self-correction on the transmitter，data analysis，printing and generate reports.By using LabVIEW，the system has a strong flexibility，and can be more easy to realize all kinds of functions of the system，and can make the system to be more strong extensibility.

heavy haul train;LabVIEW;data cquisition;braking test

TP 23

A

1006－7167(2014)05－0107－04

2013－07－04

企业委托:89辆UIC制动机列车静置试验台数据采集处理系统。

罗 建(1988－)，男，四川绵阳人，硕士生，主要从事虚拟仪器实验、智能监测等方面的研究。

Tel.:15882406210;E-mail:412951156@qq.com

雷 勇(1966-)，男，四川内江人，教授，主要从事电工理论与新技术、智能测试及智能控制、机器人等方面的教学与研究。

Tel.:13981797970;E-mail:yong.lei@163.com