CN208350719U - 一种钢轨裂纹声发射信号高速采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及高速数据采集领域，公开了一种钢轨裂纹声发射信号高速采集装置。该高速采集装置主要采用“处理器+FPGA”的双嵌入式系统架构，其中FPGA部分主要实现采集和运算的功能，而处理器则主要完成数据传输、缓存及辅助运算的功能。本实用新型可以实现钢轨裂纹声发射信号高速采集对采集装置低功耗、高性能、高稳定、易部署的要求；其嵌入式结构，缩小了设备的整体体积，更适用于在铁路轨旁安装；通过在FPGA运算本公司自行研发的算法判断钢轨是否有裂纹、掉块产生并预警，保障了行车安全。

Description

一种钢轨裂纹声发射信号高速采集装置

技术领域

本实用新型涉及声发射信号采集技术领域，尤其涉及一种应用于钢轨裂纹声发射信号高速采集装置。

背景技术

材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射(AcousticEmission,简称AE),有时也称为应力波发射。钢轨在应力作用下的变形与裂纹扩展，是钢轨结构失效的重要机制。钢轨在断裂时发出的弹性波，经介质传播到达钢轨表面，引起表面的机械振动。声发射传感器将表面的瞬态位移转换成电信号。声发射信号经钢轨裂纹声发射信号高速采集装置放大、处理后，其波形或特性参数被记录与显示。最后，经数据的分析与解释，判定出钢轨的特性。

声发射传感器采集到声发射信号转换为电信号，实际应用中，钢轨裂纹声发射信号高速采集装置其实是对电信号进行采集。目前市面上并没有一款专门针对钢轨声发射信号进行高速采集的装置。如果使用现有电信号采集装置采集钢轨声发射信号仍有许多缺点：(1)现有采集装置为通用型信号采集装置，结构功能繁复，成本偏高。(2)现有采集装置只具备信号采集功能，为满足数据分析功能往往需要增加工控机等运算处理设备，增加系统的整体尺寸，使得现场安装施工条件恶劣，并大量增加了成本。(3)为满足钢轨旁安装设备的强电磁干扰环境及恶劣的天气环境，且满足声发射信号采集必要的采样率、采样精度等条件，造成采用现有采集装置选型困难。

为克服现有采集装置及采集信号问题，本实用新型发明提出了一种基于钢轨裂纹声发射信号高速采集装置，该采集装置采用低功耗、高性能、高稳定、易部署的要求；结合其嵌入式结构，缩小了设备的整体体积，更适用于在铁路轨旁安装；通过在FPGA运算本公司自行研发的高速算法判断钢轨是否有裂纹、掉块产生并预警，保障行车安全。按照国标电子电路电磁兼容性要求进行设计，满足钢轨旁安装设备的强电磁干扰环境及恶劣的天气环境的工作要求。

发明内容

本实用新型的目的在于，提出一种钢轨裂纹声发射信号高速采集装置，其体积小巧，具有双嵌入式系统，能够实现实时高速采集、实时传输、同步运算、数据暂存、参数配置、自动校时、功能自检、自复位等功能，并具备电源指示灯、运行指示灯及通讯指示灯显示；

为实现高速采集功能，采集装置以300kHz～1MHz采样率持续采样，在FPGA中判断是否过车，有过车则发出“算法触发信号”。在没有“算法触发信号”时，采集装置进入待机工作模式：以60s为周期(可设定)发送心跳信号；同时，采集装置自动判断当前各传感器是否正常，如果不正常，则发送传感器故障报警信号；在“算法触发信号”到来时，采集装置进行算法运算模式：调用“裂纹损伤判定算法”进行实时运算，若发现报警，则发出裂纹报警信号。同时将各传感器原码信号通过以太网接口输出。当算法运算模式下，在FPGA中判断是否过车结束，若过车结束则取消触发信号，采集装置恢复待机工作模式。

进一步的裂纹伤损判定算法的理论依据来源于断裂力学和声发射信号处理，弹性材料在发生裂纹萌生、裂纹发展、甚至掉块或断裂时，一部分能量以伴生声发射信号释放。安装在钢轨底部的定制声发射传感器被动采集这些这些伴生声发射信号，然后经过事件截取、预处理、Wigner-Vill高阶谱(4阶)表征、特征提取、聚类分析、并最终根据聚类结果进行分类报警。

为实现实时传输功能，该采集装置在算法模式下时，通过千兆以太网通道传输当前所有接入通道的采集原码数据(校准后2Byte原码，开放二次校准零度和满度，作为参数配置)，传输过程与采集过程应同步进行，所有数据在采集过程完毕后3分钟内完成传输。

进一步的，在算法模式下，在FPGA中调用“裂纹损伤判定算法”进行实时运算，若有报警则发出裂纹报警信号，同时将报警原码数据上传。

为实现数据暂存功能，当采集装置判定以太网中断时，在算法运算模式下的所有原码数据暂存于采集装置中(带时标)，存储于固态硬盘。通讯恢复后，暂存数据自动上传。若下次列车经过(即进入算法运算模式)时，通信网络仍未恢复，则暂存的上次算法运算模式下的原码数据中，除有运算报警产生的原码数据外，丢弃其余所有数据，用来保存本次算法运算模式下的原码数据。

优选的，采集装置参数配置可通过以太网口或RS232串口实现。当以太网通讯正常时，采集装置可以通过以太网通道自动对时，使设备的时间与服务器时间一致，对时精度100ms。

进一步的，采集装置在正常工作时，能实时监测网络通讯、存储空间、传感器信号等是否正常，出现故障能及时报警。采集装置可以将相关参数恢复出厂设置，也可通过以太网口远程复位。

优选的，采集装置AD采集模块满足的技术指标为：1)采集装置在处理板的时序控制下，所有通道同步采集；2)采样通道：16Ch(按4Ch/Module配置)；3)采样率：最大1MSps，分段可调；4)采样信号输入范围：±12V(100k～300kHz)；5)增益误差：≦0.05％；6)-3db带宽：≥1MHz；7)分辨率：16位(有效位≥15位)；8)功耗：<20W等。

本实用新型是以“嵌入式处理器+FPGA”为核心的嵌入式系统。硬件层部分主要包含嵌入式处理器、存储器(SDRAM、ROM、Flash等)、通用设备接口和I/O接口(A/D、D/A、I/O等)。在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，构成了一个嵌入式核心控制模块。其中操作系统和应用程序都固化在ROM中。

具体的，本实用新型由7块PCB板组成，其中包括1块主板、1块背板、1块电源与状态指示板、4块数据采集板。其中背板作为信号转接的载体，通过32Pin插槽与电源与状态指示板以及4块数据采集板电性连接，通过150Pin插槽与主板电性连接，具有很好的抗震性，以及电磁兼容性。

其中，位于主板上的嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，本部分主要是实现传输、暂存两大功能，以及辅助运算的功能，并且整个系统的功耗必须控制在20W内，在处理器部分的系统功耗应控制在3W内。在处理器外围在考虑不占用多余的面积下设计丰富的接口资源。其资源如下：1)USB OTG调试接口1路(必需)，该接口用于通过PC机下载更新处理器程序。2)1000M以太网接口1路(必需)，该接口用于1000M以太网通讯，可以适应10/100/1000M的接口要求。3)RS-232串口1路(必需)，在调试阶段该串口是调试监控接口，在产品阶段作为设备通讯接口使用。4)1G DDR3内存(必需)，组成处理器最小系统必备。5)启动程序代码存储eMMC(必需)，组成处理器最小系统必备，注意该资源的使用必需在IMX6D的配置程序中设置为强制从eMMC启动，这个配置修改在开发板里没有，需要freescale技术支持。因为配置启动引脚与外扩访问FPGA的数据引脚是复用的。6)16G固态硬盘(必需)，该硬盘使用mSATA接口的半高固态硬盘，处理器通过miniPCIe访问mSATA硬盘。7)CAN接口1路(可选)，适应未来工业控制使用设计1路CAN接口。8)HDMI接口1路(可选)，为方便调试，设计HDMI接口，在调试时可以连接HDMI接口的显示器使用。9)PCIe总线设计为与FPGA的通讯接口。10)GPIO0，GPIO1这个是使用处理器的通用IO口连接FPGA，典型用法是利用这两个GPIO做FPGA的触发输入和触发输出。11)FPGA Program SPI 1路，这路为SPI接口。用于通过处理器下载FPGA的程序。

其中，位于主板上的FPGA承担系统中的任务有：1)管理数据采集；2)同CPU通讯(PCIe接口)；3)数据本地缓存(DDR)；4)数据运算(FFT)。

进一步的，在正常工作模式时，即采用“多次触发采集模式”。当过车时，启用“多次触发采集模式”下的高速采样，在非过车状态时，启用“多次触发采集模式”下的“低速采集”。在“高速采集”和“低速采集”状态间切换的信号即计轴传感器信号(理解为“外部结束信号”)。最终进入“停止采集”状态的条件则必须为“软件强制停止命令”。

具体的，是否过车的判断采用外部触发信号，具体可以为计轴信号、连锁信号、压电传感器信号等，的信号输出作为判断依据。任一外部触发信号(4个方向)有信号输入，即可判定来车；所有外不触发源在一定时间(参数)内没有信号输入，即认为过车结束。

本实用新型的SoC解决方案需要能提供多种电压的电源，这些电源可以激活同步开、关这些供电电压。它们能够高效地进行DC/DC转换，以尽量减少转换期间的功率损失。

其中，电源和状态指示板承担系统供电和状态指示及串口通信的功能。该板具有DC电源输入接口，通断电源按钮，系统复位按钮，供电电源指示，系统运行指示，网络连接指示，RS232串口这些功能。

具体的，I/O接口，RS232串口，网络接口，电源输入接口,数据采集卡上的信号输入接口这些接口完全实现PCB安装与使用。接口都有防浪涌设计TVS，防静电设计ESD。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型详细原理框图；

图2为本实用新型数据采集管理工作状态图；

图3为本实用新型装置裂纹损伤判定算法流程图；

图4为本实用新型主板原理框图；

图5为本实用新型数据采集板原理框图；

图6为本实用新型背板原理框图；

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本使用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1、图2所示，本实用新型主要提供一种钢轨裂纹声发射信号高速采集装置。其系统主要采用“嵌入式处理器i.MX6+FPGA(Cyclone)”的架构，通过数据采集板上面采集通道(Q9接口)连接安装于钢轨上的压电传感器采集钢轨的声发射信号。在没有过车时，采集装置进入待机工作模式，以60s为周期(可设定)发送心跳信号；同时，采集装置中FPGA自动判断当前各传感器是否正常，如果不正常，则发送传感器故障报警信号并通过千兆以太网将报警信号上传至服务器。当计轴传感器监测到过车信号，将过车信号通过光隔离输入传输至FPGA，FPGA判断有车辆经过时开始对钢轨声发射信号进行600kHz采样率高速采集，持续采集到FPGA判断过车结束，采集装置恢复待机工作模式。采集到的声发射信号通过输入保护、仪表运放和ADC转换整理后传输至FPGA器件进行数据处理。FPGA调用内部的“裂纹损伤判定算法”对采集到的声发射信号进行实时运算分析，判断钢轨是否有裂纹产生，如有报警信号则将报警信号及报警原码数据通过PCIe总线上传至i.MX6嵌入式处理器，处理器再将数据听过千兆网络接口上传至服务器。如果以太网络中断时则将数据暂存于固态硬盘存储。FPGA采用4路TTL(TTL：Transistor Transistor Logic)控制其数据传输。可以通过千兆以太网口和RS232接口对i.MX6嵌入式处理器进行参数配置。电源和状态指示板上通过接DC24V电源输入并对电源进行转换给整个采集装置供电。指示板上电源指示灯指示电源状态，通讯指示灯通过电性连接到嵌入式处理器显示千兆网络接口的通信状态，运行指示灯通过电性连接显示FPGA的运行状态。

如图3所示，为本实用新型高速采集装置的裂纹损伤判定算法业务流。采集装置可持续不间断采集，采集的数据通过裂纹损伤判定算法进行数据切割分为多个数据包，数据包大小(取n点为一个数据包)可配置；切割后数据可用于过车判断，当判定为过车数据时，则将过车期间的数据保存，然后通过算法实时对过车数据进行滤波处理、运算分析、判断过车数据中是否有伤损信号，当有伤损信号时，提取相应的特征数据并把伤损报警信息实时通过以太网上传至上位机处理。

主板(处理器)承担数据处理、存储、传输，接口通信，状态指示电路和DI/O功能。主板资源框图如图4所示。处理器使用i.MX6Q四核处理器，在处理器外围的接口资源包括：1)USB OTG调试接口1路，该接口用于通过PC机下载更新处理器程序。2)1000M以太网接口1路，该接口用于1000M以太网通讯，可以适应10/100/1000M的接口要求。3)RS-232串口1路，在调试阶段该串口是调试监控接口，在产品阶段作为设备通讯接口使用。4)1G DDR3内存，组成处理器最小系统必备。5)启动程序代码存储eMMC，组成处理器最小系统必备，注意该资源的使用必需在IMX6D的配置程序中设置为强制从eMMC启动，这个配置修改在开发板里没有，需要freescale技术支持。因为配置启动引脚与外扩访问FPGA的数据引脚是复用的。6)16G固态硬盘，该硬盘使用mSATA接口的半高固态硬盘，处理器通过miniPCIe访问mSATA硬盘。7)CAN接口1路(可选)，适应未来工业控制使用设计1路CAN接口。8)HDMI接口1路(可选)，为方便调试，设计HDMI接口，在调试时可以连接HDMI接口的显示器使用。9)PCIe总线设计为与FPGA的通讯接口。10)GPIO0，GPIO1这个是使用处理器的通用IO口连接FPGA，典型用法是利用这两个GPIO做FPGA的触发输入和触发输出。11)FPGA Program SPI 1路，这路为SPI接口。用于通过处理器下载FPGA的程序。

数据采集板承担信号调理，数据转换的功能，数据采集板每套卡4张，每张4路采集通道，每套共16路采集通道。原理框图如图5所示。

背板主要用于转接主板、电源和状态指示板、数据采集板上的各种信号，背板上有对应电路板的插槽，具有很好的抗震性和通风性，以及电磁兼容性，原理框图如图6所示。

Claims (8)

1.一种钢轨裂纹声发射信号高速采集装置，将数据采集面板上的采集通道连接于钢轨上的压电传感器，用以采集钢轨的声发射信号，其特征在于，包括通过PCIe总线连接的嵌入式处理器单元和FPGA单元，电性连接的信号采集单元及FPGA单元，以及通过电性连接给各单元供电的电源模块，同时电源模块上搭载有指示采集装置电源、通信、运行状态的指示灯，采集单元能够通过与压电传感器连接采集钢轨的声发射信号。

2.如权利要求1所述钢轨裂纹声发射信号高速采集装置，其特征在于，所述数据采集装置为4*4结构，每套卡4张、每张4路采集通道，共16路采集通道。

3.如权利要求1所述钢轨裂纹声发射信号高速采集装置，其特征在于，所述嵌入式处理器单元和FPGA单元的硬件层部分包括嵌入式处理器、FGPA单元、存储器、通用设备接口和I/O接口在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，构成了一个嵌入式核心控制模块，其中操作系统和应用程序都固化在ROM中。

4.如权利要求1所述钢轨裂纹声发射信号高速采集装置，其特征在于，所述FPGA采用4路TTL控制其数据传输，可以通过千兆以太网口和RS232接口对i.MX6嵌入式处理器进行参数配置。

5.如权利要求1所述钢轨裂纹声发射信号高速采集装置，其特征在于，所述采集装置采用AD采集模块，其单机需要满足的技术指标包括：采集装置在处理板的时序控制下，所有通道同步采集；采样通道：16Ch，按4Ch/Module配置；采样率：最大采样率1MSps，分段可调；采样信号输入范围：±12V，频率100k～300kHz；增益误差：≦0.05％；-3db带宽：≥1MHz；分辨率：有效位≥15位；功耗：<20W。

6.如权利要求1所述钢轨裂纹声发射信号高速采集装置，其特征在于，所述装置在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，构成了一个嵌入式核心控制模块，具体由7块PCB板组成，包括1块主板、1块背板、1块电源与状态指示板、4块数据采集板，其中背板作为信号转接的载体，通过32Pin插槽与电源与状态指示板以及4块数据采集板电性连接，通过150Pin插槽与主板电性连接构成整个采集装置。

7.如权利要求1所述的钢轨裂纹声发射信号高速采集装置，其特征在于：所述采集装置参数配置可通过以太网口或RS232串口实现；当以太网通讯正常时，采集装置可以通过以太网通道自动对时，使设备的时间与服务器时间一致，对时精度100ms。

8.如权利要求1所述的钢轨裂纹声发射信号高速采集装置，其特征在于：所述嵌入式处理器的外围接口具体包括：USB OTG调试接口1路，该接口用于通过PC机下载更新处理器程序；1000M以太网接口1路，该接口用于1000M以太网通讯，可以适应10/100/1000M的接口要求；RS-232串口1路，在调试阶段该串口是调试监控接口，在产品阶段作为设备通讯接口使用；1G DDR3内存，组成处理器最小系统必备；启动程序代码存储eMMC；mSATA固态硬盘接口、CAN总线接口、HDMI高清数据接口、PCIe总线设计为与FPGA的通讯接口、GPIO接口以及SPI接口。