引言 铁路轨道平整度的参数是否能满足铁路检测的要求，与驾驶安全和乘客舒适有关。铁路探测器是一种收集和处理轨道距离、水平、轨道方向、高低参数的铁路轨道检测设备。其中，轨道方向和高低收集电路的设计更为复杂。本文主要介绍了铁路探测器中轨道方向和高低参数收集的硬件和软件设计。 1 总体设计系统 铁路探测器采用两个单轴光纤陀螺仪作为轨道和高低参数的传感器，用硬件电路实现数据采集。陀螺仪是一种角速传感器，具有精度高、响应快、抗震等优点。随着性价比的提高，在民用领域得到了广泛的应用。两个单轴光纤陀螺仪用于测量铁路平顺度的中轨方向和高低变化。陀螺仪输出的电压信号与角速度有一定的比例关系，通过收集电压信号推导角速度，然后通过积分处理计算角度变化，最后根据铁路平滑度检测的一些算法反映铁路轨道方向和高度参数的变化曲线。
数据采集系统结构框图如图1所示。该系统包括数据采集模块、数据处理模块和数据传输模块。数据采集模块包括信号调理电路和高速公路A/D转换电路的主要功能是调节两路陀螺仪信号A/D转换；数据处理模块主要实现响应采集命令、完成陀螺信号积分处理等功能；数据传输模块负责将数据处理模块处理后的数据上传到上位机。上位机主要实现数据收集、数据格式转换、数据存储、数据调用、数据分析和良好的人机交互。此外，该系统还通过数据传输模块实现与其他数据采集系统的数据交互。 由于铁路轨道相对温和，陀螺仪输出信号较弱，容易被其他噪声污染淹没，前端陀螺仪信号能否妥善处理与整个系统设计的成败有关。以下是陀螺仪信号采集电路在系统中的设计。 2 硬件设计 系统数据采集原理如图2所示。首先对陀螺仪输出信号进行信号过滤、信号放大、信号平移等信号调节措施，然后对调节后的信号进行调节A/D最后，用单片机收集和处理信号，并将数据处理结果上传到上位机进行数据显示。
该系统选用的陀螺仪信号输出电压范围为-3～ 3 V，输出电压在实际使用中-O.03～ O.03 V之间浮动。由于陀螺输出信号较弱，选择A/D芯片的有效转换电压范围为0~3 V，因此，陀螺仪输出信号放大10倍，平移1.5 V，这样就可以保证信号在A/D在芯片的有效信号采集范围内。设置陀螺输出信号为Vin，进入A/D芯片的信号电压为Vi，那么就有： Vi=10×Vin 1.5 V 由于Vin如果在这里平移1，输出电压信号非常弱.5 V陀螺仪信号的准确性将直接降低，因此对信号平移电路的设计提出了很高的要求。因此，在电路中使用ADR433A芯片，尽量确保获得1.5 V电压精度。根据上述分析，设计的信号采集电路如图3所示。A/D采用转换芯片ADS8381。
3 软件设计 3.1 软件流程
如图4所示。接到启动命令后，系统开始启动系统电路。启动后，系统首先等待收集触发信号。收到收集触发信号时，单片机分别选择两种方式发送信号A/D芯片工作，A/D芯片分别为两个陀螺仪输出数据A/D转换。由于选用的A/D芯片的转换率为580 kHz，能够在0.18 ms内部完成100次数据采集，实际上每个陀螺信号采集50次寻求平均值，因此可以认为两个信号同时采集。然后，单片机分别对收集到的两组数据进行数据和角速度计算，以获得角度值，并将这两组数据上传到上位机进行后续处理。 3.2 推导电压补偿 陀螺仪在静态状态下输出的电压信号为零，当陀螺仪的姿态不断变化时，其输出信号也会发生变化。根据陀螺仪的这一特点，检测仪在运行前默认输出的电压为0 V，并以平移的1.5 V相对零点。在实验过程中，发现采集的轨道方向、高低数据和理论计算值波动较大，系统中采用电压补偿方法解决这一问题。本文提出了动态电压补偿方法，提高了实际相对零精度。在介绍这种方法之前，先说明一些符号的含义。 SF：标度因数(比例系数)。 Ugyro：陀螺仪输出信号电压。 Ucode：理想状态下，A/D转换前获取电压转换的二进制编码。理想情况下，P·Ucode=10·Ugyro 1.5 V。 注意：A/D转换前获得的电压是陀螺输出信号放大10倍，平移1.5 V后的信号。 Ucode0:在实际测量条件下，A/D转换前获取电压转换的二进制编码。 ω：陀螺输出角速度。ω=Ugyro/SF=（P·Ucode-1.5 V）/（10SF）。
理论上，陀螺仪的输出信号被放大10倍平移1.5 V，陀螺输出信号经单片机处理后上传至上位机。陀螺仪的角度计算如下：
以上是理想情况下推导的角度计算公式，但根据实验收集的数据，静态情况下每次采集的数据会在常数上下浮动。为减少电路对采集数据的影响，采用动态电压补偿法计算推导角度。陀螺仪连续状态角度推导:
其中，Ucode0表示静态情况下，相对电压经过A/D芯片转换后的二进制；Ucode.i表示实时收集的电压通过A/D芯片转换后的二进制；ti表示每次的积分时间。 4 实验分析 动态电压补偿前收集的数据如表1所列。
理论上，陀螺仪在静态状态下输出的电压应为0 V，对应的角度也应0°，即使考虑到其他干扰，收集的数据也会在0°附近浮动。但从表中可以看出，轨道方向的角度为1.44°浮动，高低角度为2.3°浮动。 动态电压补偿后收集的数据如表2所列，表中有两组起点收集的5个数据。
从表中可以看出，采集角度为0°附近的浮动很小，数据稳定性得到了很好的改善，起点数据也相对稳定。通过多次收集探测器相对零信号，数据的相对零不稳定性得到了很好的解决。 结语 铁路探测器采用两个单轴光纤陀螺仪作为铁路平滑度的两个参数轨道方向和高低传感器，完成铁路轨道平滑度的高速、高精度数据采集。同时，通过与以往采集的数据进行比较分析，采用动态电压补偿方法解决了数据的相对零浮动问题，满足了实际工程的需要
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