基于嵌入式以太網(wǎng)的高速列車交會氣動特性實車測試系統(tǒng)*

韓 錕

(中南大學交通運輸工程學院，湖南長沙410075)

高速列車交會時，兩車之間的氣流受到擠壓，產(chǎn)生很強的瞬態(tài)壓力變化和氣動力變化，將惡化車輛系統(tǒng)動力學特性、破壞車輛局部結(jié)構(gòu)［1－4］，并可能引起乘客耳鳴、頭暈、嘔吐［5－6］，嚴重影響行車安全性和乘坐舒適性。因此，必須對高速列車交會氣動特性進行實車試驗研究，為列車運行安全性、舒適性評估和外形優(yōu)化設計提供依據(jù)。高速列車交會氣動特性實車測試數(shù)據(jù)復雜、測點多且相對分散［7］，測試難度較大。目前，國內(nèi)外高速列車空氣動力特性試驗中所采用的測試系統(tǒng)種類繁多，基本都是根據(jù)任務特定需求研制，具有代表性的是基于計算機和內(nèi)插式A/D采集卡的測試系統(tǒng)(PCDAQ式)［7－10］，某些實車試驗系統(tǒng)和動模型試驗系統(tǒng)中還引進了一些專用自動測試系統(tǒng)(ATS)，如美國IOTECH 的DaqBook216數(shù)據(jù)采集箱［11］和NI公司的PXI/CompactPCI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。上述測試系統(tǒng)在測量精度、數(shù)據(jù)處理、存儲、再利用方面較早期的模擬測試系統(tǒng)有了很大的提高，但PC－DAQ式測試系統(tǒng)存在信號調(diào)理與信號采集分離而導致的集成度低、多路被測信號需從車外引入計算機而導致的布線復雜、計算機內(nèi)部的電磁干擾很容易對AD數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾、多臺采集設備相互獨立而導致的時間基準不統(tǒng)一等問題，而專用ATS則價格昂貴、通用性差，多為國外產(chǎn)品，維護和升級換代困難。本文結(jié)合大量工程實踐，設計了基于嵌入式以太網(wǎng)技術的高速列車交會氣動參數(shù)分布式實車測試系統(tǒng)。應用結(jié)果表明，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、靈活可靠、性價比高，大大減小了實車試驗布線工作量，可為高速列車氣動性能試驗研究提供重要的測試手段。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用兩級計算機結(jié)構(gòu)，如圖1所示。上位計算機采用虛擬儀器技術，完成數(shù)據(jù)的顯示、分析、處理及對下位機的控制、管理等功能;下位機系統(tǒng)基于嵌入式以太網(wǎng)技術，構(gòu)成智能測量模塊，主要完成動態(tài)壓力信號調(diào)理、多傳感器數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸?shù)裙δ?，此外，它還具備標準的網(wǎng)絡接口和時間統(tǒng)一的支持能力，既可作為獨立的儀器使用，也可多個模塊組合成分布式網(wǎng)絡測試系統(tǒng);上、下位機通過以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。

圖1 交會氣動參數(shù)實車測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig．1 Structure of aerodynamic parameters test system

2 系統(tǒng)硬件設計

2．1 動態(tài)壓力傳感器及其信號調(diào)理

為滿足交會壓力波實車測量需要，動態(tài)壓力傳感器的選擇應以測量精度高、安裝方便、靈敏度高、動態(tài)響應速度快、對流場影響小為原則。MEMS微型壓力傳感器具有體積小、定點性好、頻響高的特點［12］，為交會壓力波測量帶來了新手段。試驗選用的超薄型壓力傳感器，其硅壓力敏感元件采用MEMS技術、硅硅直接鍵合技術制造，在具有高靈敏度、優(yōu)良穩(wěn)定性、優(yōu)良動態(tài)性能的同時具有超薄的厚度(綜合力敏結(jié)構(gòu)與襯底加固結(jié)構(gòu)總厚度僅為0．6 mm)。傳感器總厚度僅為1．2 mm，引出線為4 mm寬、0．15 mm厚的柔性引線，對流場影響很小，且可直接粘貼在車體表面，解決了車體表面不允許鉆孔的難題。

動態(tài)壓力傳感器內(nèi)部為全橋結(jié)構(gòu)，必須向電橋提供激勵電源。用恒定電流激勵的電橋比用恒定電壓激勵的電橋有更好的線性［13］，且有利于在一定程度上改善傳感器的溫漂特性［14］，所以，設計1 mA恒流源為傳感器供電。恒流源由TL431和NPN三極管組成，傳感器接在Vcc和節(jié)點3之間［15］。電路原理如圖2所示。

圖2 TL431和NPN三極管組成的恒流源Fig．2 A constant current source composed by TL431 and the NPN triode

動態(tài)壓力傳感器輸出的是毫伏量級的微弱信號，極易受到噪聲、失調(diào)和增益誤差的影響，必須先進行放大;另外，為防止信號在采樣時發(fā)生混疊，還需進行抗混疊低通濾波。考慮到實車測試對系統(tǒng)精度和結(jié)構(gòu)的特殊要求，采用具有可設置增益、輸出失調(diào)、故障檢測、輸出箝位和低通濾波器等功能的零漂移儀表用放大器AD8555，實現(xiàn)動態(tài)壓力信號的放大和濾波，使系統(tǒng)的前向通道設計與調(diào)整大大簡化。信號調(diào)理部分的電路如圖3所示。

圖3中，AD8555的 Digin引腳接主控芯片STM32F207ZGT6的通用IO口，傳輸主控芯片對AD8555的設置信號;傳感器輸出的差分信號濾波后接到AD8555的VPOS和VNEG端。研究表明，當列車速度為120～300 km/h時，交會壓力波頭波和尾波的頻率約為 20～ 50 Hz［16］，故在 Filt/Digout和VSS間連接 0．1 μF 電容，與內(nèi)部電阻 RF(取 16 kΩ)構(gòu)成截止頻率100 Hz的低通濾波器，實現(xiàn)采樣前抗混疊低通濾波。

圖3 信號調(diào)理電路Fig．3 Signal conditioning circuit

2．2 動態(tài)壓力信號的采集與傳輸

動態(tài)壓力信號采集模塊選用32位ARM Cortex－M3內(nèi)核的STM32F207ZGT6作為主控芯片，主頻為 120 MHz，片內(nèi)自帶 1Mbyte Flash、128+4Kbyte SRAM、3個A/D轉(zhuǎn)換器、1個10/100 Ethernet MAC等豐富的資源。其中3個A/D轉(zhuǎn)換器能實現(xiàn)多通道12位轉(zhuǎn)換精度、0．5 μs轉(zhuǎn)換速度的AD采樣。系統(tǒng)設計時，直接利用片內(nèi)ADC進行數(shù)據(jù)采集，配置為規(guī)則連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，通過定時器來觸發(fā)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后使用DMA方式將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊RAM中，然后由以太網(wǎng)控制器將數(shù)據(jù)回傳至上位機。由于片內(nèi)帶有MAC，只需加上1塊物理層芯片即可完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸工作。物理層收發(fā)器使用 Realtek公司的 RTL8201BL，其與STM32F207ZGT6的接口如圖4所示，接口方式為MII。其中MIDO信號需通過1個10KΩ的電阻上拉為高電平。

3 系統(tǒng)軟件設計

3．1 軟件架構(gòu)

為實現(xiàn)各測點的網(wǎng)絡化管理和降低嵌入式數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)計算量，系統(tǒng)采用服務器/客戶端模式:數(shù)據(jù)采集模塊作為嵌入式服務器，負責交會壓力波等信號的采集;以PC機作為客戶端，對從服務器獲得的采集數(shù)據(jù)進行復雜的分析處理。通訊流程如圖5所示。服務器在指定端口等待客戶端的連接請求，當PC機應用程序向服務器發(fā)出連接請求時，建立與客戶端的連接，然后，啟動數(shù)據(jù)采集，再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇蛻舳耍詈箨P閉連接。

圖4 RTL8201BL與STM32F207ZGT6的連接圖Fig．4 Connection diagram of RTL8201BL and STM32F207ZGT6

圖5 網(wǎng)絡通信流程圖Fig．5 Network communication diagram

3．2 網(wǎng)絡通信程序

嵌入式服務器端通信程序在無操作系統(tǒng)LwIP協(xié)議棧基礎上開發(fā)。LwIP是TCP/IP協(xié)議棧的一個實現(xiàn)，它的目的是減少內(nèi)存使用率和代碼大小，適用于資源受限的嵌入式系統(tǒng)［17］。LwIP包含IP、UDP、ICMP、TCP等協(xié)議模塊，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕到y(tǒng)采用面向連接的TCP協(xié)議。

嵌入式服務器應用程序主要包括配置模塊、初始化模塊和傳輸模塊。其中，配置模塊主要完成MAC層配置參數(shù)設置(包括鏈路層通信方式及PHY芯片工作模式的設置)和LwIP初始化配置(如初始化動態(tài)存儲區(qū)和內(nèi)存池、設置服務器IP地址、子網(wǎng)掩碼及網(wǎng)關等)，分別由函數(shù)ETH_StructInit()和LwIP_Init()實現(xiàn)。初始化模塊的主要功能是創(chuàng)建1個新的TCP連接，如果創(chuàng)建成功，則為該連接分配1個IP地址和端口號并允許任一本地接口訪問，然后開啟監(jiān)聽狀態(tài)，注冊回調(diào)函數(shù)。數(shù)據(jù)傳輸由回調(diào)函數(shù)完成，當客戶端發(fā)起數(shù)據(jù)請求時，微控制器收到以太網(wǎng)硬件中斷請求，在服務器和客戶端3次握手后進入通信連接狀態(tài)，服務器調(diào)用初始化模塊中注冊的回調(diào)函數(shù)處理客戶端請求，并將數(shù)據(jù)報文發(fā)送給客戶端。數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，釋放連接，等待下一次客戶端數(shù)據(jù)請求。系統(tǒng)自定義報文包括數(shù)據(jù)包長度、采樣周期、動態(tài)壓力波、車速等數(shù)據(jù)，按一定的順序進行存放，便于客戶端應用程序解析后正確進行顯示及處理。

客戶端應用程序采用NI公司的LabVIEW軟件開發(fā)。LabVIEW具有強大的網(wǎng)絡通信功能，支持TCP/IP、UDP等協(xié)議，能方便地實現(xiàn)局域網(wǎng)通信?？蛻舳顺绦虿捎肨CP節(jié)點來實現(xiàn)與嵌入式服務器的通信。該節(jié)點提供了1個簡單的途徑訪問TCP網(wǎng)絡服務，應用時可根據(jù)需要設置本地緩存、本地IP、通信端口、遠程服務器 IP等參數(shù)，利用TCP Read子VI讀出數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)測試

為方便實驗室調(diào)試，采用高性能信號發(fā)生器模擬兩列CRH2動車組以速度250 km/h等速交會時一路車外測點交會壓力波信號、一路車內(nèi)測點壓力波信號和一路車速脈沖信號，進行數(shù)據(jù)采集和傳輸調(diào)試。其中兩路交會壓力波信號與STM32F207ZGT6的ADC模塊連接實現(xiàn)采集，采樣頻率設為1 kHz;一路車速脈沖信號與TIM4的通道1連接，采用該定時器的輸入捕獲模式實現(xiàn)列車速度測量。客戶端應用程序接收數(shù)據(jù)并顯示采集波形的測試結(jié)果如圖6所示。測試結(jié)果表明:系統(tǒng)配置及數(shù)據(jù)傳輸速率均滿足列車速度為120～300 km/h交會時采集交會壓力波信號的需要。

圖6 客戶端應用程序采集界面Fig．6 Interface of client application

5 結(jié)論

(1)系統(tǒng)充分利用新一代嵌入式微控制器STM32的高效性和低功耗性，在傳感器現(xiàn)場級實現(xiàn)了信號調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換以及數(shù)字信號傳輸，從而比傳統(tǒng)插卡式PC－DAQ采集系統(tǒng)具有更強的抗干擾能力。

(2)系統(tǒng)基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡化智能采集模塊實現(xiàn)了Ethernet和TCP/IP協(xié)議，方便組成網(wǎng)絡化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)的兼容性、可擴展性和數(shù)據(jù)管理的方便性大大高于傳統(tǒng)集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

(3)實驗證明系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，應用于高速列車空氣動力學實車試驗，可有效解決傳統(tǒng)插卡式PC－DAQ采集系統(tǒng)布線復雜、易受干擾、難以擴展的問題，具有廣闊的應用前景。

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