数据实时采集铁轨沿线噪声监测系统应用研究

摘 要：基于DSP技术的铁轨沿线噪声监测系统完成了数据采集、数据处理、信号A/D转换、数据存储和上位机监控界面开发等。监测系统采用以太网实现了底层数据与云平台之间的远程通信，采用HTTP协议完成了数据读取。DSP完成了采集数据的预处理，降低了上位机压力，提高了系统整体性能。测试结果表明，系统采集精度达到了0.2级相对误差范围，满足工业设计要求。1/3倍频程和算法处理，得到了分频最大振级和Z振级数据，该数据可以作为噪音是否超标评判依据。该噪声监测系统传感节点数据采集精确、运行稳定和上位机界面交互友好，可满足铁轨沿线环境噪声监测需求。

关键词：数据实时采集；铁轨沿线；噪声监测系统

为了实现大规模噪声采集装置的部署，设计了一套数据采集精度高、价格低廉、可用性高和适合大区域铁轨沿线部署的铁轨沿线噪声监测系统[2]。该系统数据存储采用了OneNet云平台技术，采用了基于TCP/IP的远程宽带网络实现噪声数据传输，数据网关采用了ADS1256芯片完成了A/D转换，噪声监测节点采用了DSP数字信号处理芯片TMS320VC-5509完成噪声数据采集与预处理。该铁轨沿线噪声监测系统实现了噪声数据的实时采集、实时传输、实时存储与实时分析和上位机界面监控一体，能够完成噪声数据信号是否超标监测任务，具备一定的推广价值。

一、噪声监测系统总体设计

铁轨沿线噪声监测系统主要由噪声数据监测、数据汇聚接入与数据远程传输、数据存储与数据处理云中心和实时监控系统组成。数据监测主要通过TMS320VC5509数字信号处理器完成噪声信号的采集与处理，数据传输主要由数据汇聚网关和远程传输网络组成。传输网络将网关汇聚噪声数据传送至OneNet云平台，完成消息路由、数据处理与存储。监控中心通过噪声监测数据，进而研判噪声数据是否超出国家法定指标。

二、噪声监测系统硬件设计

铁轨沿线噪声监测系统硬件主要包括了信号幅值调理、信号A/D转换、数字信号处理与SRAM存储模块和以太网传输等。信号A/D数模转换采用了ADS1256进行数据采集与处理，它能够完成精准的噪声数据采集与预处理。数字信号处理采用了TMS320VC5509芯片，它能够完成多总线、流水型的数据处理功能。

（一）信号调理电路设计

该模块的核心任务是完成电流转换成电压的电路功能。振动传感器首先将采集的噪声信号转换成电流信号，然后将电流信号通过转换电路转化成便于采集的电压信号。电流信号经过电流放大电路、调零点电路、差分放大电路和调量程电路的处理，便完成了电流与电压的转换过程[5]。电流检测放大电路模块的主要功能是完成电流信号不易监测而实行电压转成（电压=UA），调零点电路模块主要是完成跟随电压UB的输出，其中UA=UB。调量程电路主要是完成初始电压的放大，从而得到放大数倍的输出电压UO。

（二）信号转换电路设计

信号调理电路输出的电压信号UO通过电压分压输入端传送至ADS1256的AIN0端口，高频噪声干扰信号通过低通滤波RC电路来进行处理。A/D转换通过ADR4525处理器电路实现模拟电压信号与数字电压信号的转换。

（三）以太网传输网络电路设计

为了完成数字电压信号的远程传输，DSP芯片通过SPI接口与SPI总线实现了与以太网W5500的通信功能。W5500是基于TCP/IP、10/100M-MAC地址/PHY的硬件结构，能够满足DPS大规模数据的吞吐与输出。为了降低电磁信号干扰造成数据丢失的概率，交换机与W5500之间搭建了网络稳压器，进而实现噪声传感器节点之间的隔离与保护[7]。

三、系统软件设计

（一）上位机与下位机软件流程设计

噪声监测系统的上位机采用了VS.NET，利用C#程序和HTTP来实现云平台数据的读取并根据噪声评价指标来研判噪声是否超出国家规定范围。

噪声监测系统的下位机主要是完成了DSP芯片的数据处理功能设计。当监测系统在采集噪声信号的时候，若定时器出现程序中断，则将噪声数据传输至OneNet云平台进行数据存储。DPS的程序流程主要包括噪声数据采集、噪声数据算法处理和噪声处理数据传输。当下位机DSP系统处理完数据之后，需要将数据传输至云平台。远程传输网络采用了http协议构建POST报文，利用TCP三次握手连接完成了数据传输。

（二）DSP数据采集

DSP芯片与ADS1256之间是利用SPI总线技术进行数据交互，DSP对ADS1256的寄存器进行配置，配置程序如下：

ADS-1256 Wreg（Status，0x09）;" " ADS-1256状态位控制

ADS-1256 Wreg （Mux，0x00）;" " ADS-1256通道开启控制

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

ADS-1256-Wreg （Drate，0x06）;" " ADS-1256数据转换速率控制

（三）算法处理程序

DSP芯片进行定时器初始化操作中，采用了TIM0_Init（）函数进行处理。当定时器设置的轮转周期结束时，系统自动调用voidTIM0_IRQn（void）函数进行噪声数据算法处理[9]。本系统的DSP芯片的Clock频率值为148MHz，定时器的轮转周期时间为：

（1）

其中，Freq为DSP芯片的Clock频率，Period为定时器的预设值。

噪声监测系统通过FTT频域分析变换方法计算出4～200Hz和1～80Hz范围内的幅值谱，利用1/3倍频程谱和Z记权处理。

四、监测系统性能测试

噪声监测系统利用信号源的电压信号与对比信号的振动幅值差异，来判断该系统数据采集节点的性能。噪声数据采集节点信号测试结果如表1所示。从表1可以看出，实际电压与监测电压的相对误差幅值均小于0.2%。测试结果表明，数据采集节点的精度值达到了工业检测0.2级，满足系统监测要求。