基于FPGA的增益可配置无线轮轨力测量电路设计

王出航，陈 思

(长春师范大学计算机科学与技术学院，吉林 长春 130032)

1 研究背景

随着我国铁路进入高速时代，平稳性和舒适性成为人们关注的焦点，而轮轨力测量是评价这两者的重要方法之一[1]。轮轨力测量也是轨道车辆动力学测试的重要内容，其反映了轨道车辆的脱轨机理。目前轮轨力测量主要通过连续测量作用在测力轮上的横向和垂向力，信号采集通过集流环获取应变片传感器的应变信号，放大和处理后传输给上位机[2]。但这种方法在传输数据过程中会引入噪声，影响测量精度，刘庆杰[3]提出了基于集合经验模态分解与小波变换相结合的方法来去噪。为了进一步提高测量精度，张冉佳[4]提出了基于遗传算法优化的神经网络轮轨力精确预测方法。此外，轮轨力测量也得到了广泛应用，田光荣[5]通过利用测量的轮轨力数据，实现对铁路货车运行状态准确评价。祖宏林[6]通过分析测量的轮轨力，对高速铁路轨道状态进行有效的评估。以上轮轨力测量都通过有线方式传输，存在布线复杂、不便于检查维修等缺点[7]。于是，基于列车安全性、测量精确性和设备便携性的要求，无线测量技术的应用显得尤为迫切。通过无线通信技术可以降低投资成本，数据连通性强，有较强的系统鲁棒性。且无线通信技术可以进行远程控制，以网络方式访问。随着FPGA在微弱和高精度信号采集中的应用[7-8]，其设计灵活、可靠性高、速度快以及可验证等优势在数据采集领域得到了完全体现。

采用FPGA设计轮轨力测量电路，可对增益进行配置，实现宽范围的放大倍率，并通过ZigBee无线方式将测量的数据进行传输，从而保证轮轨力数据信息的可靠性和安全性。

2 电路方案设计

从设计灵活和降低成本等方面考虑，电路设计不采用传统集成微处理器方式，而是采用FPGA作为主控，型号为XC6SLX16FTG256，其通过控制多路开关选择某一路应变片传感器信号输入放大电路，然后经过A/D转换送入FPGA，再由FPGA进行分析后发送至ZigBee无线通信电路，由ZigBee组网发送至上位机，整个电路原理框图如图1所示。

3 电路详细设计

电路实现对微弱轮轨力信号测量，主要包括多路开关选择电路、增益可配置放大电路、A/D转换电路以及ZigBee无线通信电路，接下来对各个模块进行详细设计。

3.1 多路开关选择电路

由于需要对多路传感器信号进行采集，为了降低成本和复杂度，共用放大和A/D转换电路。而电子多路开关具有高速切换能力，且引入干扰很小，其在数据采集系统得到了广泛应用。因此采用MAX338，通过FPGA控制其地址选择A0～A2和使能EN引脚，实现对多路输入的选择。具体电路如图2所示。

图2 多路开关选择电路原理图

使能引脚高电平有效，低电平时输入输出断开。A0～A2为“000”时，输入N01有效。以此类推，A0～A2为“111”时，输入N08有效。

3.2 增益可配置放大电路

应变片传感器信号为微伏级信号，需要根据不同环境情况放大相应倍率，为了放大到该倍率范围，采用两级放大电路。第一级采用固定放大倍率为100，第二级采用FPGA控制数字电阻器来配置一定范围的倍率。此外，还设计有防浪涌和滤波电路。具体电路原理如图3所示。

图3中第一级放大由放大器AD621构成，通过连接引脚1和8确定其固定放大倍率为100。第二级放大由放大器AD620和数字电位器MCP41010构成，放大倍率可通过FPGA控制MCP41010的阻止来实现，具体为FPGA通过SPI接口与MCP41010通信来配置变阻器阻值。为了提高电路的可靠性和抗干扰能力，图3设计有由C4、C5、D2和C6、C7、D3组成的防浪涌电路，以及由运放LTC6261与R4、R5、C3、C8组成的巴特沃斯滤波器电路。经过放大的信号由Aout输出。

3.3 A/D转换电路

采用AD7988-1作为A/D转换芯片，实现模拟信号到数字信号的转换。AD7988-1为逐次逼近型快速、低功耗、单电源、精密16位ADC，其提供片内采样保持，没有任何流水线延迟。A/D转换电路原理如图4所示。

AD7988-1与FPGA采用三线式连接方式，SDI与VIO连接，CNV上升沿启动模数转换，SDO进入高阻态。转换完成后，AD7988-1进入采集阶段并进入省电模式。CNV变为低电平时，转换结果最高位输出至SDO，剩余数据位随后依次输出。

3.4 ZigBee无线通信电路

ZigBee无线通信电路主要由TI公司的CC2530F256芯片构成，FPGA与其通过串口连接，用于发出命令、读取状态、自动操作和确定无线设备事件的顺序。其电路原理如图5所示。

图5 ZigBee无线通信电路原理图

FPGA内部设计有波特率发送器、串口接收器和串口发送器来实现与CC2530F256通信。其中串口发送器的作用是将准备输出的并行数据按照基本串口帧格式转换为TXD信号串行输出；串口接收器接收RXD串行信号，并将其转换为并行数据；波特率发生器就是专门产生一个远远高于波特率的本地时钟信号对输入RXD不断采样，使接收器与发送器保持同步。其中接收器和发送器状态机如图6所示。

图6 串口通信状态机

4 结语

综上所述，本文设计了基于FPGA XC6SLX16FTG256和ZigBee CC2530F256的无线轮轨力测量电路，充分利用FPGA内部逻辑单元提供IO、SPI、串口，扩展多路开关选择、增益可配置放大、A/D转换以及ZigBee无线通信电路，并对各电路原理进行了详细描述。无线轮轨力测量电路的实现能有效精确采集轮轨力数值并远程传输，为脱轨机理研究提供基础，为车辆运行安全和舒适性提供保障，具有良好的应用前景。