基于MEMS的列车舒适度、平稳性无线传感器设计

2014-03-22陈景琪苏燕辰

仪表技术与传感器 2014年11期

陈景琪，张兵，苏燕辰

(西南交通大学机械工程学院，四川成都 610031)

0 引言

随着国内高速铁路的快速发展和人们生活水平的不断提高，对列车车辆运行品质的要求也日益提升。目前，评价列车车辆运行品质的主要指标是UIC513《铁路车辆内旅客振动舒适性评价准则》[1]和GB5595-85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》[2]中规定的列车舒适度和平稳性。因此，在列车运行过程中，对列车舒适度和平稳性指标进行在线监测，对于研究和改善列车车辆运行品质具有重要意义。

经调研发现，国内外现有的列车平稳性、舒适度测试仪，主要是利用单片机、DSP、SOPC、虚拟仪器等技术研制的，它们均采用传统有线分立式加速度传感器，具有调理、采集、计算、存储、通信等独立电路模块[3-5]。文中提出了一种基于MEMS的列车舒适度、平稳性无线传感器，采用MEMS加速度传感器，在ARM内实现并优化了列车舒适度和平稳性算法，利用蓝牙无线通信技术与Android上位机进行数据交换，实现列车舒适度、平稳性的在线监测。该设计采用物联网设计理念，将传感器、微控制器、电池、蓝牙通信模块集成到与传统加速度传感器大小的空间内，并且无需布线，仅需1台无线手持终端便能完成测量，降低了测试仪器的复杂性，简化了测试步骤。

1 系统总体方案设计

系统总体框图如图1所示，列车舒适度、平稳性无线传感器由传感器模块、微控制器、无线通信模块、电源管理模块组成。传感器模块负责将被测信号转化为模拟电信号，再经过模数转换为数字信号传送给微控制器[6]。微控制器作为控制、运算中心，连续采集传感器数据并实时计算舒适度、平稳性指标指标，并将计算结果通过无线通信模块发送出去，还要通过电源管理模块来协调管理各模块的电源。无线通讯模块负责传感器与无线手持终端之间的数据的收发。

图1 系统总体框图

列车舒适度、平稳性无线传感器加上1台无线手持终端，即构成一套便携式列车舒适度、平稳性测试仪。无线手持终端可以是任何具有蓝牙通信且能安装应用软件的终端，如智能手机、平板电脑、笔记本电脑等。

2 硬件电路设计

2．1传感器模块[7]

传感器模块要完成被测信号到模拟电的转换、抗混叠滤波、A/D转换、数字控制接口等功能。同时，无线传感器因受体积、电能的限制，不能使用传统的分立式加速度传感器。被测信号是列车车体的加速度信号，其加速度幅值不大于±2 g，人敏感的振动频率在40 Hz以内。

考虑以上因素，传感器采ADXL362，它是一款3轴MEMS加速度计，量程在±2～±16 g范围内可程控，不发生混叠的最高采样频率为200 Hz，内部集成硬件抗混叠滤波器和A/D转换器，还具有超低功耗、高分辨率高、SPI数字接口特点，电路图如图2所示。

图2 硬件电路图

2．2微控制器模块

由于舒适度和平稳性算法涉及大量的FFT、滤波等运算，这就要求CPU具有较大的RAM和较高的工作频率。设计采用STM32F103T8作为系统的主控芯片，STM32F103T8是一颗基于ARM Cortex M3内核的高性能、低成本、低功耗的32位MCU，最高时钟频率可达72 MHz，内部具有64 KB的FLASH和20 KB的RAM以及硬件乘法、除法器，还具有丰富的外设，如定时器、SPI、UART等，完全满足系统的需求。

微控制器模块电路如图2所示，由MCU、时钟电路、复位电路、调试接口、退耦电容、启动电阻组成。时钟电路采用8 MHz精密有源晶振，复位电路采用CAT809S电压监控芯片保证稳定复位，调试接口采用两线制SWD接口下载和调试程序，使用低串联电阻和电感的100 nF瓷片电容作为电源管脚的退耦电容，使用100 kΩ下拉电阻将STM32F103T8的BOOT0拉低，使系统复位后自动从用户闪存执行程序。

2．3无线通信模块

为使设计具有较强的兼容性和便携性，无线舒适度、平稳性传感器采用了具有串口接口的蓝牙通信模块BLK-MD-BC04-B来实现无线数据收发，这样避免了无线手持终端的硬件设计，只要在任意一部移动通信设备终端上安装配套的软件，即可通过蓝牙与无线传感器建立通信，灵活、方便。

蓝牙无线通信模块的电路图如图2所示，MCU通过串口控制BLK-MD-BC04-B实现数据收发。BLK-MD-BC04-B采用BlueCore4-Ext芯片，遵循V2．1+EDR蓝牙规范，内置PCB射频天线和8Mbit Flash，支持链接7个从设备，具有成本低、体积小、功耗低、收发灵敏性高等优点。

2．4电源管理模块

电源管理模块电路图如图5所示，由锂电池充电电路、单键开关机电路、电量测量电路、系统电源稳压电路组成。外部电源通过MiniUSB-B型接口连接到LN2054恒流恒压线性电源管理芯片实现对单节锂电池的充电管理，最大充电电流设置为500 mA．单键开关机电路实质上是由1只P沟道MOSFET管AO3401、1只NPN三极管9013、2只二极管BAT54HT1G、1个按键和一些阻容构成的双稳态电路[9]，按键的闭合能够翻转双稳态电路的状态，并且按键的状态通过KEY_POWER能够被MCU检测到，MCU同时也能够通过PWR_CTRL来控制双稳态电路的状态，从而实现单键开关机和按键功能。由于MCU是+3．3 V系统，锂电池满电压是+4．2 V，因此电量测量电路需要用电阻进行分压后才能进行测量。系统电源稳压电路的效率直接关系到系统功耗，使用低压差线性稳压芯片TPS793333DBVRQ1，它在100 mA输出电流时的输入输出电压差还不到80 mV，完全满足系统低功耗的电源需求。

3 软件设计

3．1ARM下位机软件设计及算法验证

ARM下位机软件流程图如图3所示，主要包括数据采集、舒适度计算、平稳性计算、数据收发和电源管理5个部分。按下电源键后，系统上电进入主函数，首先进行系统初始化，如初始化系统时钟、关闭系统中断、设置中断映射表等。初始化完毕后，系统需要检测电源电压是否充足，若电量不足，则电源指示灯闪烁，直到释放电源键后关机；若电量正常，则在长按电源键超过3 s后，初始化MEMS加速度计和蓝牙通信模块，MEMS加速度计配置为SPI通信接口、采样频率200 Hz、开启内部抗混叠滤波功能、±2 g量程、外部时钟和外部触发模式，蓝牙通信模块配置为UART通信模式、波特率为38 400 bps．配置完成后，开启定时器3，以200 Hz的频率触发MEMS并采集数据，在while(1)循环通过查询标识变量来完成以下4件事：2 s计算和发送1次横向和垂向平稳性；5 s计算和发送1次舒适度；电源键关机检测；电量过低检测。其中平稳性和舒适度计算时间较长，经实验测试，平稳性计算大概需要15 ms，舒适度计算则需要500 ms左右。2 s计算1次平稳性，5 s计算1次舒适度，满足系统的实时性要求。若期间有长按电源键或检测到电源电量过低，系统都会向上位机发送相应的通知，然后关机。

图3 ARM上位机软件流程图

平稳性和舒适度指标严格按照UIC513《铁路车辆内旅客振动舒适性评价准则》和GB5595-85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》中的定义和计算方法来实现。为了验证该无线传感器计算结果的准确性，在振动试验台上进行了实验，将相同工况下无线传感器计算得到的测试值和利用UIC513和GB5595-85在计算机上计算得到的计算值进行了比较，发现两者的计算结果是一致的，比较的数据见表1。

3．2基于Android的上位机软件设计

考虑手持终端的便携性和列车环境的复杂性，上位机软件不仅要求可靠性高，还要求具有良好的扩展性和可移植性。该设计基于Android移动平台，利用内置的蓝牙通信模块和GPS模块，结合Java语言，设计和实现了一套能够快速连接无线舒适度、平稳性传感器的上位机服务软件。软件运行界面如图4所示，具有连接断开设备、实时绘制数据曲线、保存接收数据、查看软件说明和指标评价标准等功能。