技术与市场创新与实践２０２１年第２８卷第５期
许晓东，彭冬良，许晋荣，肖 曦
（大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室，湖南株洲４１２０００）
摘 要：轨道交通车辆在手动驾驶模式下，司控器级位数据的精确采集是车辆正常运行的重要保证。针对司控器模拟量采集系统可靠性不高和级位数据采集精度不够的问题，提出一种司控器模拟量高精度采集模块的设计方法。重点从司控器级位数据采集系统架构、采集模块硬件设计和软件开发流程的各环节提高模拟量的采集精度。采集模块的两组板件并联为司控器供电并分别采集司控器级位数据。通过试验方法计算出一元线性回归方程的参数，采集模块精度满足司控器级位数据采集要求。 关键词：轨道交通；司控器；模拟量采集；一元线性回归
Ｄｅｓｉｇｎｏｆｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎａｌｏｇａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅｆｏｒ
ｄｒｉｖｅｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｏｆｒａｉｌｔｒａｎｓｉｔｖｅｈｉｃｌｅ
ＸＵＸｉａｏｄｏｎｇ，ＰＥＮＧＤｏｎｇｌｉａｎｇ，ＸＵＪｉｎｒｏｎｇ，ＸＩＡＯＸｉ
（ＴｈｅＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＨｅａｖｙＤｕｔｙＡＣＤｒｉｖｅＥｌｅｃｔｒｉｃＬｏｃｏｍｏｔｉｖｅＳｙｓｔｅｍｓＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，
Ｚｈｕｚｈｏｕ４１２０００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｈｅｎｔｈｅｒａｉｌｔｒａｎｓｉｔｖｅｈｉｃｌｅｉｓｉｎｔｈｅｍａｎｕａｌｄｒｉｖｉｎｇｍｏｄｅ，ｔｈｅａｃｃｕｒａｔｅｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎｏｆｄｒｉｖｅｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ’ｓｌｅｖｅｌｄａｔａｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｇｕａｒａｎｔｅｅｆｏｒｔｈｅｎｏｒｍａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｌｏｗｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄｌｏｗｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆａｎａｌｏｇｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｏｆｄｒｉｖｅｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ａｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｏｆｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎａｌｏｇｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅｆｏｒｄｒｉｖｅｒｃｏｎ ｔｒｏｌｌｅｒｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｆｏｃｕｓｅｓｏｎｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆａｎａｌｏｇｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｆｒｏｍｔｈｅａｓｐｅｃｔｓｏ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＲａｉｌＴｒａｎｓｉｔ；ＤｒｉｖｅｒＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ＡｎａｌｏｇＤａｔａＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ＬｉｎｅａｒＲｅｇｒｅｓｓｉｏｎＷｉｔｈＯｎｅＶａｒｉａｂｌｅ
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－８５５４．２０２１．０５．００６
麦弗逊式独立悬架
引言
安全性、可靠性一直是轨道交通行业发展的基本原则和永恒研究的课题［１］。牵引和制动控制直接
影响车辆的运行安全。因此，行业对牵引、制动的精确控制要求越来越高。在手动驾驶模式下司控器是控制牵引、制动指令施加的终端设备，对司控器输出数据的精确采集是车辆安全、可靠运行的前提。
司控器控制系统如图１所示，通常模拟量采集模块为司控器提供电源，并采集司控器的级位数据。模拟量采集模块将采集的数据经过运算后发送给列车控制模块（ＶＣＭ）。ＶＣＭ根据司控方向信号和级位数据向牵引控制单元（ＤＣＵ）和制动控制单元（ＢＣＵ）发送控制指令［２］。
车辆若采用单一模块为司控器供电并采集司控器级位数据，当该模块故障时将直接影响司控器控制系统的正常工作。同时，若模块提供的电源精度不高时，将使牵引级位及制动级位采集的电压值存在偏差，影响牵引和制动的精确控制。针对以上问题，本文设计的模拟量采集模块采用Ａ、Ｂ两组板件并联为司控器供电并分别采集司控器级位数据。此外，两组板件分别回采司控器两端的电源电压数据，进而确定最大级位电压，
进一步提高司控器信号的采集精度。
图１ 司控器控制系统
方案设计
１ １ 系统方案
图２为司控器模拟量采集系统组成，模拟量采集模块内配
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创新与实践
ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＡＮＤＭＡＲＫＥＴ
Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．５，２０２１
置两组相同的模拟量采集板件，分别通过防反二极管并联为电位器提供热备冗余供电。由于供电电压自身的误差和防反二极管分压的影响，不能直接使用额定供电电压来确定司控器的最大级位电压。因此两组模拟量采集板件分别对二极管后的供电电压进行回采，取平均值作为司控器两端的电压。同时，两组模拟量采集板件分别采集电位器的级位电压，正常情况下取平均值后将数据上报给ＶＣＭ
。
图２ 司控器模拟量采集系统
１ ２ 工作模式
１）正常情况下，两组模拟量采集板件的数据取平均值发送给ＶＣＭ。
２）当一块模拟量采集板件故障时，则直接取正常工作的模拟量采集板件的数据发送给Ｖ
ＣＭ。３）当两组模拟量采集板件同时故障或两者的数据差值超出接受范围时，则向ＶＣＭ发送零数据。１ ３ 级位曲线
司控器电位器的电压曲线如图３所示。模拟量采集模块采集电位器两端电压确定最大牵引级位、最大制动级位电压Ｖｍａｘ和零位电压Ｖｍｉｎ。遵循电位器电压与级位的对应关系，ＶＣＭ根据模拟量采集模块采集的电位器分压值完成对车辆进
行牵引和制动控制。
硝酸铂
图３ 电位器级位曲线
硬件设计
如图４所示，模拟量信号处理电路包括滤波、运算放大、跟随和Ａ／
Ｄ转换。模拟量信号在电路中经过合适的低通滤波器和运算放大器处理后接入Ａ／Ｄ转换芯片。模拟量处理电路供电与ＣＰＵ（中央处理器）供电隔离，防止两者电源信号的相互干扰，影响系统正常工作。Ａ／Ｄ转换芯片通过特定的通信方式将数据发送到ＣＰＵ中。ＣＰＵ经过运算、校准后得到本路采集
的司控器模拟量电压。
图４ 模拟量采集通道硬件功能框图
模拟量采集电路采用差分输入方式采集信号。相比于单端输入采集，差分输入方式可以有效抑制外界共模噪声对电路
的影响，从而有效提高采集电路的精度［３］
。
Ａ／Ｄ转换芯片的位数直接影响模拟量采集的精度［４］
整流桥堆
。本
文采用ＴＩ公司的ＡＤＳ８６８８ＩＤＢＴ芯片。ＡＤＳ８６８８ＩＤＢＴ为１６位高精度Ａ／
Ｄ转换芯片，具备８路模拟量采集通道，支持与ＣＰＵ通过ＳＰＩ进行通信，采样频率为５００ｋ／ｓ。 软件设计３ １ 软件流程
模拟量采集软件主要流程如图５
所示。
图５ 模拟量采集软件流程
３ １ １ 信号采样、滤波
系统获得一组采集数据，滤除样本的最大值和最小值后，取平均值作为采样值。３ １ ２ 数据转换
ＡＤＳ８６８８ＩＤＢＴ芯片将采集的模拟量转化为１６位数字量值，数字量值并非实际的电压值，需要再根据一一对应进行转换。如图６所示，实际电压值Ｖｉｎ和ＡＤ采样数字量值Ｖａｄ呈线性关系，１６位ＡＤ采样芯片最大数字量值为６５５３５，对应最大的采样电压ＶＤＤ
。
图６ ＡＤ采样线性关系图
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技术与市场
创新与实践
２０２１年第２８卷第５期
ＡＤ采样线性关系式为：
ＶｉｎＶａｄ＝ＶＤＤ
６
５５３５（１）
由（１）式得实际电压值为：
Ｖｉｎ＝ＶＤＤ×Ｖａｄ６５５３５
（２）
３ ２ 数据校正３ ２ １ 校正原理
通常模拟量采集值与实际值存在误差，需要对采集数据进行校准从而提高数据的精度。模拟量数据满足一定的线性条件，软件采用一元线性回归算法对数据进行校准。
一元线性回归数学模型为：
ｙｔ＝ｋｘｔ＋ｂ＋εｔ
（ｔ＝１，２，…，Ｔ）（３）式中，ｙｔ为ｔ时刻的实际值，ｘｔ代表ｔ时刻的采集值，Ｔ为样本数量，ｋ、ｂ为待估计参数。εｔ为试验扰动带来的随机误差。根据最小二乘法可的待估计参数：
ｂ＝Ｔ∑Ｔｔ＝１ｘｔｙｔ－∑Ｔｔ＝１ｘｔ∑Ｔｔ＝１ｙｔＴ∑Ｔｔ＝１ｘ２ｔ－∑Ｔｔ＝１ｘ()ｔ２
（４）
ｋ＝∑Ｔ
ｔ＝１（ｙｔ－珋ｙ）Ｔ－ｂ
∑Ｔｔ＝１ｘｔ－
珋()ｘＴ
（５）
其中：
珋ｘ＝
∑Ｔ
ｔ＝１ｘｔ
Ｔ
（６）
珋ｙ＝
∑Ｔ
ｔ＝１ｙｔ
Ｔ
（７）
将（６）（７）式代入待估计参数方程中，通过试验数据可得到（３）式一元线性回归的修正方程。３ ２ ２ 校正参数计算
在无校正算法的情况下，试验给定已知的模拟量电压值，记录Ａ、Ｂ两组模拟量采集板件的采集值。试验结果如表１所示。
表１ 校正参数计算试验
实际值１２３４５６７８９１０Ａ板测量值１．００３２．００２３．００１４．００１５．０００５．９９９６．９９９８．０００９．００２１０．０００Ｂ板测量值
１．００５
过滤网篮２．００２
３．００１
４．００１
５．０００
船用锚机５．９９９
６．９９７
７．９９８
９．００１
１０．０００
根据试验数据，代入（４）（５）式分别计算Ａ、Ｂ两组模拟量采集板件的一元线性回归的修正方程。计算得Ａ组模拟量采集板件的一元线性回归方程的参数为：
ｋＡ＝１．００５８ｂＡ＝
０．{００３４（８）
则Ａ组模拟量采集板件的一元线性回归方程为：
ｙＡ＝１．００５８ｘＡ＋
０．００３４（９）
Ｂ组模拟量采集板件的一元线性回归方程的参数为：
ｋＢ＝
１．００６２ｂＢ＝－
０．{便携式鱼缸
００１７（１０）则Ｂ组模拟量采集板件的一元线性回归方程为：
ｙＢ＝１．００６２ｘＢ－
０．００１７（１１）
结语
本文提出一种司控器模拟量高精度采集模块的设计方法。主要从车辆司控器数据采集系统架构、采集模块硬件设计和软件开发流程的各环节提高模拟量的采集精度。采集模块的两组板件并联为司控器供电并分别采集司控器级位数据。通过试验方法计算一元线性回归方程的参数，试验表明，电压数据采集精度达到０．１％，满足司控器级位数据采集精度要求。
参考文献：
［１］ 唐冈林，赵文斌，周雪冬．列控车载设备高精度模拟量输
入输出模块设计［Ｊ］．机车电传动，２０１８（２）：４５－４８．
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［３］ 崔永俊，张祥，刘坤，等．分布式远程模拟量信号采集系
统设计［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１９（２）：６０－６５．［４］ 孙士诚．机床嵌入式数控系统中模拟量Ｉ／Ｏ单元
研究［Ｄ］．广州：华南理工大学，２０１５．
［５］ 陆晓珩，高延兵，瞿建农，等．一种线性回归方法的
应用［
Ｊ］．中国测试，２０１２（３８）：１１－１３．作者简介：
许晓东（１９９１—），男，河北张家口人，硕士，助理工程师，从事轨道车辆智能网络产品研发工作。
彭冬良（１９６４—），男，湖南益阳人，学士，正高级工程师，从事列车控制及网络通信工作。
许晋荣（１９８３—），男，湖南永州人，学士，助理工程师，从事列车控制及网络通信工作。
肖曦（１９８９—），男，湖南衡阳人，硕士，工程师，从事轨道车辆智能网络产品研发工作。
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