基于FPGA的铁路轨道检测技术的研究

论文摘要

对铁路轨道进行静态几何参数的检测是铁路部门的一项常规工作,使用轨道检查仪能大幅度降低检测人员的工作量。随着近几年我国铁路建设的跨越式发展,对轨道检查仪器的性能提出了诸多新的要求。本文在参考国内外轨道检测技术的发展基础上,采用了以FPGA技术为核心的嵌入式智能仪器设计方案。利用FPGA芯片可编程设计的特点,用软件的思路对软硬件进行了设计,并且在SOPC Builder软件中构建模块化硬件系统,满足了自动化、智能化检测的要求。本论文主要完成了一下几个方面的工作：首先,介绍了轨道检查仪的研究背景,调查了轨道检查仪的发展和研究现状,并分析了现有轨道检查仪的优劣,对本课题的研究指明了方向；同时,运用智能仪器技术和嵌入式技术进行开发,明确了本论文的研究目的、主要内容。其次,对轨道检查仪的检测系统进行总体设计。对所检测的里程、轨距、水平三个参数的要求标准的需求进行了传感器以及外围器件的选型,确定了以NiosⅡ软核处理器,从硬件和软件两个方面对设计方案分别进行了详尽地说明。在充分考虑系统可靠性、成本以及需求等因素的前提下,对系统各部分功能电路进行了具体的设计,包括CPU和外围设备控制器模块、模拟信号调理电路、数据采集电路、编码器数字接口电路、传感器电路、人机接口电路以及其它辅助电路等；软件系统的设计分为启动层程序、驱动层和应用层设计。最后,对整个系统进行了系统功能模块的测试,达到了对三参数(里程、轨距、水平)检测标准的设计要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 轨道检查仪国内外发展
• 1.1.3 课题研究目的和意义
• 1.2 智能仪器技术
• 1.2.1 智能仪器的结构
• 1.2.2 智能仪器的主要功能和特点
• 1.2.3 FPGA技术在智能仪器中的应用
• 1.3 本文主要的研究工作
• 1.4 本章小结
• 第二章 检测系统总体设计
• 2.1 检测系统功能需求分析
• 2.1.1 总体功能需求分析
• 2.1.2 三参数技术规范要求
• 2.2 总体测量方案设计
• 2.2.1 轨道检测的几何参数
• 2.2.2 测量结构
• 2.2.3 传感器选型
• 2.3 系统硬件总体设计
• 2.4 软件总体设计方案
• 2.4.1 软件开发环境
• 2.4.2 软件总体方案
• 2.5 本章小结
• 第三章 检测系统硬件电路设计与研究
• 3.1 嵌入式SOPC系统模块构建
• 3.2 NiosⅡ软核嵌入式处理器
• 3.2.1 NiosⅡ处理器概述
• 3.2.2 NiosⅡ软核的SOPC系统开发环境
• 3.2.3 NiosⅡ处理器的优势
• 3.3 位移倾角传感器电路设计
• 3.3.1 模拟信号输入电路
• 3.3.2 A/D转换器的选型
• 3.4 增量式光电编码器计数电路设计
• 3.5 存储器电路设计
• 3.5.1 片内存储器
• 3.5.2 SDRAM控制器
• 3.5.3 CFI Flash控制器
• 3.6 通信模块的设计
• 3.7 人机接口设计
• 3.7.1 键盘接口电路
• 3.7.2 LCD接口电路
• 3.8 其它辅助电路设计
• 3.8.1 电源电路设计
• 3.8.2 系统时钟电路
• 3.8.3 复位电路
• 3.8.4 编程与调试接口电路
• 3.9 本章小结
• 第四章 检测系统软件设计
• 4.1 SOPC系统软件概述
• 4.1.1 基于NiosⅡ的SOPC系统软件
• 4.1.2 SOPC软件开发环境及开发流程
• 4.2 启动层程序
• 4.3 驱动层程序设计
• 4.3.1 键盘驱动程序
• 4.3.2 LCD驱动程序
• 4.3.3 A/D转换驱动程序
• 4.3.4 串口通信驱动程序
• 4.4 本章小结
• 第五章 FPGA仿真结果与分析
• 5.1 数字电路仿真
• 5.1.1 数字仿真概述
• 5.1.2 测试平台
• 5.2 FPGA的仿真
• 5.2.1 ADC接口模块仿真
• 5.2.2 数字接口模块仿真
• 5.2.3 串口通信模块仿真
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的主要研究成果
• 1. 科研情况
• 2. 发表论文情况