鐵路檢測儀中陀螺儀的信號采集電路設(shè)計

摘要：鐵路檢測儀系統(tǒng)設(shè)計中，采用光纖陀螺儀完成對鐵路平順度相關(guān)參數(shù)的采集，使用電壓補償方法解決所采集角度的相對零點數(shù)據(jù)浮動問題，并推導(dǎo)了該方法的計算過程。實驗表明，該方法達到了預(yù)期目標，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性得到明顯改善。
關(guān)鍵詞：鐵路平順度；光纖陀螺儀；電壓補償

引言
鐵路軌道平順度的各項參數(shù)能否滿足鐵路檢測要求，關(guān)系著行車安全和乘客的舒適度。鐵路檢測儀是對鐵路的軌距、水平、軌向、高低等參數(shù)進行采集并處理的鐵路軌道檢測設(shè)備。其中，軌向和高低采集電路的設(shè)計比較復(fù)雜。本文主要介紹在鐵路檢測儀中，軌向和高低兩個參數(shù)采集的硬件和軟件設(shè)計。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計
鐵路檢測儀利用兩個單軸光纖陀螺儀分別作為軌向和高低兩個參數(shù)的傳感器，配合硬件電路實現(xiàn)這兩個參數(shù)的數(shù)據(jù)采集。陀螺儀是一種角速度傳感器，它具有精度高、響應(yīng)快、抗震動等優(yōu)點。隨著其性價比的提高，目前已經(jīng)在民用領(lǐng)域里得到廣泛應(yīng)用。該檢測儀中利用兩個單軸光纖陀螺儀測量鐵路平順度中軌向和高低的變化。陀螺儀輸出的電壓信號與角速度具有一定的比例關(guān)系，通過采集電壓信號推導(dǎo)出角速度，然后再通過積分處理計算出角度變化，最后根據(jù)鐵路平順度檢測的一些算法映射出鐵路的軌向和高低兩個參數(shù)的變化曲線。
檢測儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊。數(shù)據(jù)采集模塊包括信號調(diào)理電路和高速A／D轉(zhuǎn)換電路，其主要功能是完成對兩路陀螺儀信號的調(diào)理和A／D轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)處理模塊主要實現(xiàn)響應(yīng)采集命令、完成陀螺信號的積分處理等功能；數(shù)據(jù)傳輸模塊則負責(zé)把數(shù)據(jù)處理模塊處理后的數(shù)據(jù)上傳給上位機。上位機主要實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的接收、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)調(diào)用、數(shù)據(jù)分析以及良好的人機交互等功能。另外，該系統(tǒng)還要通過數(shù)據(jù)傳輸模塊實現(xiàn)與其他數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互等功能。

由于鐵路軌道比較平緩，陀螺儀輸出的信號較微弱，易受其他噪聲污染而被淹沒，所以前端陀螺儀信號能否得到妥善處理關(guān)系到整個系統(tǒng)設(shè)計的成敗。下面詳細介紹系統(tǒng)中陀螺儀信號采集電路的設(shè)計。

2 硬件設(shè)計
系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集原理如圖2所示。首先對陀螺儀輸出信號進行信號濾波、信號放大、信號平移等信號調(diào)理措施，然后對調(diào)理后的信號進行A／D轉(zhuǎn)換，最后用單片機對信號進行采集和處理，并把數(shù)據(jù)處理結(jié)果上傳給上位機進行數(shù)據(jù)顯示等。