基于嵌入式以太网的高速列车交会气动特性实车测试系统*

韩 锟

(中南大学交通运输工程学院，湖南长沙410075)

高速列车交会时，两车之间的气流受到挤压，产生很强的瞬态压力变化和气动力变化，将恶化车辆系统动力学特性、破坏车辆局部结构［1－4］，并可能引起乘客耳鸣、头晕、呕吐［5－6］，严重影响行车安全性和乘坐舒适性。因此，必须对高速列车交会气动特性进行实车试验研究，为列车运行安全性、舒适性评估和外形优化设计提供依据。高速列车交会气动特性实车测试数据复杂、测点多且相对分散［7］，测试难度较大。目前，国内外高速列车空气动力特性试验中所采用的测试系统种类繁多，基本都是根据任务特定需求研制，具有代表性的是基于计算机和内插式A/D采集卡的测试系统(PCDAQ式)［7－10］，某些实车试验系统和动模型试验系统中还引进了一些专用自动测试系统(ATS)，如美国IOTECH 的DaqBook216数据采集箱［11］和NI公司的PXI/CompactPCI数据采集系统。上述测试系统在测量精度、数据处理、存储、再利用方面较早期的模拟测试系统有了很大的提高，但PC－DAQ式测试系统存在信号调理与信号采集分离而导致的集成度低、多路被测信号需从车外引入计算机而导致的布线复杂、计算机内部的电磁干扰很容易对AD数据产生干扰、多台采集设备相互独立而导致的时间基准不统一等问题，而专用ATS则价格昂贵、通用性差，多为国外产品，维护和升级换代困难。本文结合大量工程实践，设计了基于嵌入式以太网技术的高速列车交会气动参数分布式实车测试系统。应用结果表明，系统结构紧凑、灵活可靠、性价比高，大大减小了实车试验布线工作量，可为高速列车气动性能试验研究提供重要的测试手段。

1 系统总体结构

系统采用两级计算机结构，如图1所示。上位计算机采用虚拟仪器技术，完成数据的显示、分析、处理及对下位机的控制、管理等功能;下位机系统基于嵌入式以太网技术，构成智能测量模块，主要完成动态压力信号调理、多传感器数据采集、存储、传输等功能，此外，它还具备标准的网络接口和时间统一的支持能力，既可作为独立的仪器使用，也可多个模块组合成分布式网络测试系统;上、下位机通过以太网传输数据。

图1 交会气动参数实车测试系统结构框图Fig．1 Structure of aerodynamic parameters test system

2 系统硬件设计

2．1 动态压力传感器及其信号调理

为满足交会压力波实车测量需要，动态压力传感器的选择应以测量精度高、安装方便、灵敏度高、动态响应速度快、对流场影响小为原则。MEMS微型压力传感器具有体积小、定点性好、频响高的特点［12］，为交会压力波测量带来了新手段。试验选用的超薄型压力传感器，其硅压力敏感元件采用MEMS技术、硅硅直接键合技术制造，在具有高灵敏度、优良稳定性、优良动态性能的同时具有超薄的厚度(综合力敏结构与衬底加固结构总厚度仅为0．6 mm)。传感器总厚度仅为1．2 mm，引出线为4 mm宽、0．15 mm厚的柔性引线，对流场影响很小，且可直接粘贴在车体表面，解决了车体表面不允许钻孔的难题。

动态压力传感器内部为全桥结构，必须向电桥提供激励电源。用恒定电流激励的电桥比用恒定电压激励的电桥有更好的线性［13］，且有利于在一定程度上改善传感器的温漂特性［14］，所以，设计1 mA恒流源为传感器供电。恒流源由TL431和NPN三极管组成，传感器接在Vcc和节点3之间［15］。电路原理如图2所示。

图2 TL431和NPN三极管组成的恒流源Fig．2 A constant current source composed by TL431 and the NPN triode

动态压力传感器输出的是毫伏量级的微弱信号，极易受到噪声、失调和增益误差的影响，必须先进行放大;另外，为防止信号在采样时发生混叠，还需进行抗混叠低通滤波。考虑到实车测试对系统精度和结构的特殊要求，采用具有可设置增益、输出失调、故障检测、输出箝位和低通滤波器等功能的零漂移仪表用放大器AD8555，实现动态压力信号的放大和滤波，使系统的前向通道设计与调整大大简化。信号调理部分的电路如图3所示。

图3中，AD8555的 Digin引脚接主控芯片STM32F207ZGT6的通用IO口，传输主控芯片对AD8555的设置信号;传感器输出的差分信号滤波后接到AD8555的VPOS和VNEG端。研究表明，当列车速度为120～300 km/h时，交会压力波头波和尾波的频率约为 20～ 50 Hz［16］，故在 Filt/Digout和VSS间连接 0．1 μF 电容，与内部电阻 RF(取 16 kΩ)构成截止频率100 Hz的低通滤波器，实现采样前抗混叠低通滤波。

图3 信号调理电路Fig．3 Signal conditioning circuit

2．2 动态压力信号的采集与传输

动态压力信号采集模块选用32位ARM Cortex－M3内核的STM32F207ZGT6作为主控芯片，主频为 120 MHz，片内自带 1Mbyte Flash、128+4Kbyte SRAM、3个A/D转换器、1个10/100 Ethernet MAC等丰富的资源。其中3个A/D转换器能实现多通道12位转换精度、0．5 μs转换速度的AD采样。系统设计时，直接利用片内ADC进行数据采集，配置为规则连续转换模式，通过定时器来触发转换，转换完成后使用DMA方式将转换数据传输到SRAM中，然后由以太网控制器将数据回传至上位机。由于片内带有MAC，只需加上1块物理层芯片即可完成以太网数据传输工作。物理层收发器使用 Realtek公司的 RTL8201BL，其与STM32F207ZGT6的接口如图4所示，接口方式为MII。其中MIDO信号需通过1个10KΩ的电阻上拉为高电平。

3 系统软件设计

3．1 软件架构

为实现各测点的网络化管理和降低嵌入式数据采集模块的数据计算量，系统采用服务器/客户端模式:数据采集模块作为嵌入式服务器，负责交会压力波等信号的采集;以PC机作为客户端，对从服务器获得的采集数据进行复杂的分析处理。通讯流程如图5所示。服务器在指定端口等待客户端的连接请求，当PC机应用程序向服务器发出连接请求时，建立与客户端的连接，然后，启动数据采集，再将数据传输到客户端，最后关闭连接。

图4 RTL8201BL与STM32F207ZGT6的连接图Fig．4 Connection diagram of RTL8201BL and STM32F207ZGT6

图5 网络通信流程图Fig．5 Network communication diagram

3．2 网络通信程序

嵌入式服务器端通信程序在无操作系统LwIP协议栈基础上开发。LwIP是TCP/IP协议栈的一个实现，它的目的是减少内存使用率和代码大小，适用于资源受限的嵌入式系统［17］。LwIP包含IP、UDP、ICMP、TCP等协议模块，为保证数据传输的可靠性，系统采用面向连接的TCP协议。

嵌入式服务器应用程序主要包括配置模块、初始化模块和传输模块。其中，配置模块主要完成MAC层配置参数设置(包括链路层通信方式及PHY芯片工作模式的设置)和LwIP初始化配置(如初始化动态存储区和内存池、设置服务器IP地址、子网掩码及网关等)，分别由函数ETH_StructInit()和LwIP_Init()实现。初始化模块的主要功能是创建1个新的TCP连接，如果创建成功，则为该连接分配1个IP地址和端口号并允许任一本地接口访问，然后开启监听状态，注册回调函数。数据传输由回调函数完成，当客户端发起数据请求时，微控制器收到以太网硬件中断请求，在服务器和客户端3次握手后进入通信连接状态，服务器调用初始化模块中注册的回调函数处理客户端请求，并将数据报文发送给客户端。数据发送完毕，释放连接，等待下一次客户端数据请求。系统自定义报文包括数据包长度、采样周期、动态压力波、车速等数据，按一定的顺序进行存放，便于客户端应用程序解析后正确进行显示及处理。

客户端应用程序采用NI公司的LabVIEW软件开发。LabVIEW具有强大的网络通信功能，支持TCP/IP、UDP等协议，能方便地实现局域网通信。客户端程序采用TCP节点来实现与嵌入式服务器的通信。该节点提供了1个简单的途径访问TCP网络服务，应用时可根据需要设置本地缓存、本地IP、通信端口、远程服务器 IP等参数，利用TCP Read子VI读出数据。

4 系统测试

为方便实验室调试，采用高性能信号发生器模拟两列CRH2动车组以速度250 km/h等速交会时一路车外测点交会压力波信号、一路车内测点压力波信号和一路车速脉冲信号，进行数据采集和传输调试。其中两路交会压力波信号与STM32F207ZGT6的ADC模块连接实现采集，采样频率设为1 kHz;一路车速脉冲信号与TIM4的通道1连接，采用该定时器的输入捕获模式实现列车速度测量。客户端应用程序接收数据并显示采集波形的测试结果如图6所示。测试结果表明:系统配置及数据传输速率均满足列车速度为120～300 km/h交会时采集交会压力波信号的需要。

图6 客户端应用程序采集界面Fig．6 Interface of client application

5 结论

(1)系统充分利用新一代嵌入式微控制器STM32的高效性和低功耗性，在传感器现场级实现了信号调理、AD转换以及数字信号传输，从而比传统插卡式PC－DAQ采集系统具有更强的抗干扰能力。

(2)系统基于以太网的网络化智能采集模块实现了Ethernet和TCP/IP协议，方便组成网络化数据采集系统，系统的兼容性、可扩展性和数据管理的方便性大大高于传统集中式数据采集系统。

(3)实验证明系统稳定、可靠，应用于高速列车空气动力学实车试验，可有效解决传统插卡式PC－DAQ采集系统布线复杂、易受干扰、难以扩展的问题，具有广阔的应用前景。

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