杨 帆 李经伟 李益国 毕 涛

1. 湖南磁浮交通发展股份有限公司，长沙，410000 2. 中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉，430062 3. 广州精信仪表电器有限公司，广州，510507

0 引言

中低速磁浮列车运行噪声小、转弯半径小、爬坡能力强，因抱轨运行而没有传统轮轨的脱轨风险，安全性高，造价与轻轨相当，是一种具有发展潜力的新型城市轨道交通制式[1]。

磁浮列车的悬浮状态由悬浮控制系统进行控制，悬浮控制系统安全有效的工作对磁浮列车安全运行、乘客舒适度体验等至关重要。忽伟[2]指出，磁悬浮列车的额定悬浮高度为8～10 mm时，其控制系统对气隙的扰动非常敏感，极微小的扰动就会打破列车悬浮平衡。叶晟季[3]指出，磁浮列车与轨道间气隙越小，吸力越大，必须适时改变电流调整吸引力以维持稳定悬浮。张悦[4]总结了对悬浮控制系统的要求，包括良好的动态响应能力、无稳态误差、采取设备冗余设计、较好的鲁棒性和自适应调整能力、满足乘坐舒适性要求。悬浮控制系统是整个中低速磁浮列车的关键功能单元，其主要设备有悬浮控制器、悬浮传感器、悬浮电磁铁以及供电电源等[5],是一个开环不稳定且存在外界干扰的非线性系统[6]。悬浮控制器通过传感器接收间隙值和加速度值，通过控制芯片计算出控制量，最终由电磁铁输出电磁力实现悬浮[7-8]，其各部件的工作状态影响着整个系统的稳定运行，其中悬浮间隙值、电磁铁电流值、温度值、悬浮架振动值是影响悬浮控制系统状态的重要指标。为更好地研究和评价磁浮车辆悬浮控制系统性能，需要研制一种悬浮状态数据采集及处理系统。相关研究中，张靓等[9]认为悬浮控制系统的数据采集与处理应解决运动控制与数据采集同步、数据实时显示、数据处理三个技术问题。关新等[10]、曾学明等[11]利用DSP芯片设计了悬浮控制系统的数据采集与实时处理系统，实现了同步数据采集与处理、快速控制等功能，且DSP芯片有强大的片内外设保证了系统的低成本。本文研制了一种数据采集与处理系统，实现了悬浮控制器及悬浮架关键运行数据的采集及其调试、数据校验、数据分析，可通过此系统提供的数据及分析研究悬浮系统状态，从而为悬浮系统改进提供依据。

1 系统架构

悬浮控制系统的数据采集系统安装在悬浮架底部，其运行环境具有接近悬浮系统、户外运行、环境复杂、有电磁干扰等特点[12]，因此设计需考虑满足以上运行环境的要求。

根据对测试数据及运行环境的综合考量，设计了磁浮列车悬浮状态数据采集系统的整体方案：由数据采集电路板、标准位移传感器、加速度传感器、温度传感器、电流传感器、可充电电池及三通接头构成，如图1所示。数据采集系统独立于列车悬浮控制系统，其中标准位移传感器、加速度传感器、可充电电池及数据采集电路板组成数据采集器单元，固定在磁浮列车底部悬浮传感器上，不影响正常安全行车。标准位移传感器采用激光位移传感器，用于测量悬浮间隙。数据采集器壳体内部加速度传感器用于测量悬浮架振动。温度传感器及电流传感器则安装于电磁铁表面及电路中，用于测量电磁铁线圈温度和工作电流；悬浮间隙等信号则直接利用悬浮控制器中悬浮传感器中信号。

图1 系统构成框图Fig.1 System composition block diagram

磁浮列车悬浮状态数据采集系统实时采集磁浮列车运行过程中悬浮间隙波动、悬浮架振动、悬浮电磁铁工作电流、悬浮电磁铁线圈表面温度等数据，由标准接口将数据发送到上位计算机进行数据记录保存。

三通接头安装于悬浮控制器与悬浮传感器之间。使用时将悬浮控制器电缆接入三通接头，并通过通信电缆将三通接头与数据采集器相连。数据采集器的输入电源线与悬浮传感器24 V直流电源线相并联，电池或悬浮控制器采用保护电路避免相互影响。悬浮传感器除3路间隙和2路(或3路)加速度信号输出给悬浮控制器之外，还有一路总线输出。总线输出包含3路间隙和2路(或3路)加速度全部测量信号。数据采集器通过三通接头获取悬浮传感器总线输出信号[13]，因此对悬浮控制不产生影响。

数据采集器内置可充电电池，在悬浮传感器24 V直流电源掉电时可让数据采集器持续工作8 h以上。

数据采集器壳体采用高强度铝合金制造，以保证列车运行时各部件不会脱落。数据采集器壳体通过两个M6螺栓旋入传感器安装翼上的两个M6螺纹孔来紧固连接。壳体带有盖板，设有密封件，以防水防尘。

2 硬件设计与实现

2.1 传感器选择

加速度传感器选用MEAS4610-005，其主要技术指标如表1所示。

表1 加速度传感器主要技术指标Tab.1 Main technical indexes of acceleration sensor

电流传感器选用霍尔开口式电流传感器，可用于测量直流、交流、脉冲电流，具有精度和线性度高、响应时间短、频带宽等优点，开口式结构使得在安装电流传感器时无需断开电磁铁，其性能指标如表2所示。

表2 电流传感器主要技术指标Tab.2 Main technical indexes of current sensor

标准位移传感器选用基于三角式反射原理的激光位移传感器，其主要技术指标如表3所示。

表3 激光位移传感器主要技术指标Tab.3 Main technical indexes of laser displacement sensor

设最小轨缝为4 mm，位移传感器的取样周期为100 μs，则计算出识别轨缝的最大行车速度为

满足中低速磁浮列车最高120 km/h的取样速度要求。

温度传感器选用贴片式PT100铂热电阻传感器，以便于粘贴在电磁铁线圈表面，测量范围为-50～300 ℃。

2.2 电路设计

数据采集器电路板的作用是采集各传感器信号，由各传感器信号调理电路、A/D转换电路、FPGA控制芯片、RS485接口电路、电源电路等组成，如图2所示。数据采集器采用24 V直流供电，信号调理电路将各传感器信号调理成适合A/D芯片输入的信号，经A/D芯片转换成数字量传输给FPGA芯片，RS485接口电路接收悬浮传感器加速度信号和间隙信号后传输给FPGA芯片，FPGA中嵌入式程序采集各传感器测量信号以及采集由悬浮传感器三通接口发送过来的悬浮传感器数据，并实时将采集到的数据传输到上位机[14]。

图2 电路原理框图Fig.2 Circuit schematic diagram

数据采集器的电路设计如图3所示，电源电路包含极性保护、浪涌保护、共模滤波、电压测量、+24 V转+15 V、+24 V转+5 V、+15 V转-15 V等电路单元。

图3 电源电路Fig.3 The power supply circuit

信号调理电路输入各传感器信号，对传感器信号进行滤波和电平转换，再输出给A/D模数转换电路。PT100温度传感器采用三线制形式，以消除导线带来的测量误差，且采用恒流源驱动和仪用放大器放大，提高抗电磁干扰能力。

三通接头由悬浮传感器连接器、传感器电缆连接器、悬浮传感器总线输出接口组成，如图4所示，其作用是在不影响悬浮传感器正常工作前提下将悬浮传感器加速度信号(Acc1、Acc2、Acc3)和间隙信号(Gap1、Gap2、Gap3)输入到数据采集器中。

图4 三通接头连接原理图Fig.4 Tee joint connection schematic diagram

数据采集器采用FPGA可编程逻辑芯片EP1C3T100为控制芯片，电路中还有复位芯片MAX809TEUR，程序存储芯片EPCS1SI8N，100MHz有源时钟芯片。A/D芯片选用Maxim公司的MAX1316ECM+，MAX1316ECM+是8通道14位模拟-数字转换器，支持0～5 V模拟输入电压信号，8个通道同时工作可达到2.5×105次/s的转换速率。

3 软件设计

FPGA芯片程序主要实现对硬件A/D转换芯片的控制，包括采样标准位移传感器测量的悬浮间隙、加速度传感器测量的悬浮架振动量、电流传感器测量的悬浮电磁铁工作电流、温度传感器测量的电磁铁线圈表面温度等，同时还通过三通接头接收悬浮传感器传送过来的包含悬浮间隙和加速度信号，实时将以上测量信号的A/D转换数据和悬浮传感器数据打包成1个数据帧，并生成CRC16校验码，然后按UART协议发送给上位机[15-17]。程序流程框图见图5。程序设计使用Altera Quartus Ⅱ可编辑逻辑设计环境。

图5 程序流程框图Fig.5 The program process diagram

4 接口调试

(1)地面调试：磁浮列车悬浮状态数据采集系统不安装在磁浮列车上，调试系统各个接口，使软件采集到的数据都是准确无误的。

(2)车上静态调试：磁浮列车悬浮状态数据采集系统安装在磁浮列车上，当磁浮列车静浮时，调试系统各个接口，使软件采集到的数据都是准确无误的。

(3)车上动态调试：悬浮状态数据采集与处理系统安装在磁浮列车上，当磁浮列车在线上运行时，调试系统各个接口，使软件采集到的数据都是准确无误的，并利用软件对采集到的数据进行分析。

5 试验测试

5.1 悬浮状态数据采集

将数据采集器固定在磁浮列车底部悬浮传感器上，电流传感器及温度传感器固定在悬浮电磁铁上，计算机置于车厢内。连接并固定计算机与数据采集器通信电缆以及数据采集器与各传感器之间的信号、供电电缆，在非运营时段按照运营规范运行2 h，利用软件自动采集记录数据。

5.2 悬浮状态数据处理

在进行数据分析之前先对数据进行校验和滤波，以确保采集到的数据准确无误。

5.2.1数据校验

数据校验采用“帧序号+海明码校验”的校验方式。

“有血肉的，不再被洪水灭绝”，猛兽也是有血肉的，也不会被灭绝，当然条件是“凡流人血的，他的血也必被人所流，因为，神造人，是照自己的形象造的”，就是说，猛兽不得伤人。我们虽然时常可以在雨后看到虹，可是世界上不断有地方在发洪水，尽管没有诺亚方舟时期的大洪水那样大。可见，上帝并没有履行承诺。何况，大洪水是大灾难，无论对人类，还是动物、植物，都是灾难，是毁灭，是大恶，用大恶如何消灭恶呢？

(1)帧序号。各传感器的数据、标识符、帧序号组成一帧数据，数据帧以0xAABB作为开始，以0xCCDD作为结尾，各传感器传送给计算机的数据都是以无符号16位数据进行传输，帧序号也为无符号16位整型数据，从0x0～0xFFFF进行循环累加，如表4所示。在保存数据之前，判断帧序号是否连续，以确定数据是否丢失。

表4 悬浮状态数据采集与处理系统数据帧组成Tab.4 The levitation state’s data collection and processing system’s data frame composition

(2)海明码(Hamming code)校验。在对悬浮状态的数据进行采集、传递过程中，设备采用良好的屏蔽、接地措施，传输电缆采用双绞屏蔽电缆，并通过差分485信号进行传输，在通信过程中并不会出现很多的数据位错误，采用海明码校验不仅可以有效地发现错误的数据帧，还可以有效地将数据从错误中恢复过来。

5.2.2数据滤波

悬浮状态数据采集与处理系统中悬浮传感器、激光位移传感器、标准加速度传感器等自身都带有滤波功能[18-19]。系统直接采集温度传感器PT1000的数据传递给计算机，进行滤波前的电磁铁温度部分数据如图6所示。

图6 采集到的原始的电磁铁温度数据曲线Fig.6 Original data curve of electromagnet temperature

计算机需要经过“限幅平均滤波”之后才能对数据进行分析。

(1)限幅。限幅的主要作用是克服因偶然因素引起的脉冲干扰，限幅算法是对每次采集到的新值进行判断：如果本次值与上次值之差小于等于T(T为一确定温度值),则本次值有效，如果本次值与上次值之差大于T,则本次值无效,放弃本次值,用上次值代替本次值。根据实际采集的数据分析，每两个数据之间(即0.2 ms的时间内)的温度变化不可能超过1 ℃，因此在本次测试过程中T选取1 ℃。对图6进行限幅计算后的电磁铁温度变化曲线如图7所示。

图7 进行限幅计算后的电磁铁温度数据曲线Fig.7 Data curve of electromagnet temperature after limiting calculation

(2)递推平均。递推平均算法的主要作用是对数据进行平滑处理，该处理过程对周期性干扰有良好的抑制作用。在进行计算时把连续N个采样值看成一个队列，队列的长度固定为N，每次采集一个新数据放入队尾,并丢掉原来队首的一个数据(先进先出原则)，将队列中的N个数据进行算术平均运算,就可获得新的滤波结果。在实际运算中N取2500，即0.5 s。经过递推平均处理后的电磁铁温度变化曲线如图8所示。

图8 进行递推平均后的电磁铁温度数据曲线Fig.8 Data curve of electromagnetic temperature after recursive averaging

5.3 悬浮状态数据分析

5.3.1频谱分析

对采集到的标准加速度信号进行快速傅里叶变换(FFT)，计算其时域信号的单边且已缩放的幅度谱。标准加速度信号的单边幅度谱如图9所示。由图9可以看出，除了直流分量，在频率为6 Hz左右有微弱的加速度信号。

图9 标准加速度频谱图Fig.9 Standard acceleration spectrum

5.3.2功率谱分析

对采集到的激光位移传感器数据通过快速基2FFT算法计算实数值序列的快速傅里叶变换并缩放幅度平方得到激光位移传感器的功率谱，取其单边功率谱绘制波形，如图10所示。由图10可以看出，除了功率谱的直流分量，其他的频率点没有明显的功率信号。

图10 激光位移传感器功率谱图Fig.10 Power spectrum of laser displacement sensor

5.3.3能耗分析

根据功耗(功率)的计算公式P=UI，悬浮电磁铁的电压取330 V，只要计算出电磁铁在各个状态下的电流值便可得到电磁铁的功耗。

(1)磁悬浮列车静浮时功耗。根据真有效值计算公式，当磁浮列车静浮时电磁铁的电流真有效值为16.758 A，则静浮时悬浮功耗为

P=UI=330 V×16.758 A≈5.53 kW

(2)磁悬浮列车运动时功耗。当磁浮列车运动时电磁铁的电流真有效值为17.088 A，则列车运动时悬浮功耗为

P=UI=330 V×17.088 A≈5.64 kW

5.3.4相关性分析

(1)传感器输出数据与外置激光位移传感器数据相关性分析。由图11可以看出，悬浮传感器和激光位移传感器的输出基本一致，计算悬浮间隙传感器的输出与激光位移传感器的Spearman秩相关系数为0.996，表明间隙传感器输出值和激光位移传感器输出值接近完全单调相关。

图11 传感器3路间隙(Gap1, Gap2, Gap3)与激光传感器输出曲线Fig.11 Levitation sensor’s 3 gaps (Gap1, Gap2, Gap3)and laser sensor’s output curve

(2)传感器加速度和标准加速度相关性分析。由图12可以看出，悬浮传感器加速度信号和标准加速度传感器的输出基本一致，计算悬浮间隙传感器的加速度输出与标准加速度传感器的Spearman秩相关系数为0.998，表明间隙传感器加速度输出值和标准加速度传感器输出接近完全单调相关。

图12 传感器加速度和标准加速度曲线Fig.12 Sensor acceleration and standard acceleration curve

(3)悬浮电流与电磁铁温度分析。对相同时间内的电流及温度数据绘制曲线，如图13、图14所示。在相同的时间段内，由于车辆运行时有风冷的作用，悬浮电磁铁的温度并未出现明显的变化。

图13 电磁铁电流数据曲线Fig.13 Data curve of electromagnet current

图14 电磁铁温度数据曲线Fig.14 Data curve of electromagnet temperature

5.3.5列车速度与位置分析

(1)列车速度计算。低速磁浮列车的轨道由很多的F轨拼接而成，在各节F轨之间存在轨缝，在车辆运行过程中，传感器经过这些轨缝会产生如图15所示的信号。

图15 悬浮传感器3路间隙(Gap1, Gap2, Gap3)与激光传感器数据波形图Fig.15 Levitation sensor’s 3 gaps (Gap1, Gap2, Gap3) and laser sensor’s data waveform curve

传感器各探头之间的距离是固定的97.5 mm，数据的采样频率是5000 Hz。假设Gap1、Gap2在过接缝时的间隙最大值位于数据中的帧序号分别为a1、a2，则可以得出两个探头过接缝的时间差为

列车的速度为

在实际运行过程中，同时对3路间隙传感器过接缝的时间差进行计算，可计算出速度值，对其进行算术平均运算，就得到计算车速[20-21]。

根据以上计算方法，由测试的数据分析可知，计算结果与车辆仪表显示数据基本吻合。

(2)列车运动距离计算。根据时间的采样数据及速度计算得出。相邻两个速度值不同时软件按匀加速或匀减速处理，从而累计相加得到位置里程值。根据速度的计算方式，假如在计算速度为v1、v2、v3时采集到的数据在数据队列中的数据序号分别为b1、b2、b3，则从b1到b3车辆运动的距离为

车辆运动的距离为各段运动距离的累加，根据以上计算方法，由测试的数据分析可知，计算结果与车辆仪表显示里程数据基本吻合。

6 结论

本文设计了一套悬浮状态数据采集系统，能在不影响磁浮列车正常运行的前提下方便地安装于既有中低速磁浮列车悬浮传感器和电磁铁上，该系统能实现对悬浮电流、电磁铁温度、悬浮间隙、悬浮架振动加速度和传感器信号等数据的采集和分析。通过试验对比验证了系统硬件和软件具有较高的可靠性，所提方法和系统能为悬浮控制系统的改进提供依据。