基于MEMS的列車舒適度、平穩(wěn)性無線傳感器設(shè)計(jì)

陳景琪，張 兵，蘇燕辰

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都 610031)

0 引言

隨著國內(nèi)高速鐵路的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，對(duì)列車車輛運(yùn)行品質(zhì)的要求也日益提升。目前，評(píng)價(jià)列車車輛運(yùn)行品質(zhì)的主要指標(biāo)是UIC513《鐵路車輛內(nèi)旅客振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則》[1]和GB5595-85《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》[2]中規(guī)定的列車舒適度和平穩(wěn)性。因此，在列車運(yùn)行過程中，對(duì)列車舒適度和平穩(wěn)性指標(biāo)進(jìn)行在線監(jiān)測，對(duì)于研究和改善列車車輛運(yùn)行品質(zhì)具有重要意義。

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外現(xiàn)有的列車平穩(wěn)性、舒適度測試儀，主要是利用單片機(jī)、DSP、SOPC、虛擬儀器等技術(shù)研制的，它們均采用傳統(tǒng)有線分立式加速度傳感器，具有調(diào)理、采集、計(jì)算、存儲(chǔ)、通信等獨(dú)立電路模塊[3-5]。文中提出了一種基于MEMS的列車舒適度、平穩(wěn)性無線傳感器，采用MEMS加速度傳感器，在ARM內(nèi)實(shí)現(xiàn)并優(yōu)化了列車舒適度和平穩(wěn)性算法，利用藍(lán)牙無線通信技術(shù)與Android上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)列車舒適度、平穩(wěn)性的在線監(jiān)測。該設(shè)計(jì)采用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)理念，將傳感器、微控制器、電池、藍(lán)牙通信模塊集成到與傳統(tǒng)加速度傳感器大小的空間內(nèi)，并且無需布線，僅需1臺(tái)無線手持終端便能完成測量，降低了測試儀器的復(fù)雜性，簡化了測試步驟。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，列車舒適度、平穩(wěn)性無線傳感器由傳感器模塊、微控制器、無線通信模塊、電源管理模塊組成。傳感器模塊負(fù)責(zé)將被測信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬電信號(hào)，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送給微控制器[6]。微控制器作為控制、運(yùn)算中心，連續(xù)采集傳感器數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)計(jì)算舒適度、平穩(wěn)性指標(biāo)指標(biāo)，并將計(jì)算結(jié)果通過無線通信模塊發(fā)送出去，還要通過電源管理模塊來協(xié)調(diào)管理各模塊的電源。無線通訊模塊負(fù)責(zé)傳感器與無線手持終端之間的數(shù)據(jù)的收發(fā)。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

列車舒適度、平穩(wěn)性無線傳感器加上1臺(tái)無線手持終端，即構(gòu)成一套便攜式列車舒適度、平穩(wěn)性測試儀。無線手持終端可以是任何具有藍(lán)牙通信且能安裝應(yīng)用軟件的終端，如智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦等。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2．1傳感器模塊[7]

傳感器模塊要完成被測信號(hào)到模擬電的轉(zhuǎn)換、抗混疊濾波、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字控制接口等功能。同時(shí)，無線傳感器因受體積、電能的限制，不能使用傳統(tǒng)的分立式加速度傳感器。被測信號(hào)是列車車體的加速度信號(hào)，其加速度幅值不大于±2 g，人敏感的振動(dòng)頻率在40 Hz以內(nèi)。

考慮以上因素，傳感器采ADXL362，它是一款3軸MEMS加速度計(jì)，量程在±2～±16 g范圍內(nèi)可程控，不發(fā)生混疊的最高采樣頻率為200 Hz，內(nèi)部集成硬件抗混疊濾波器和A/D轉(zhuǎn)換器，還具有超低功耗、高分辨率高、SPI數(shù)字接口特點(diǎn)，電路圖如圖2所示。

圖2 硬件電路圖

2．2微控制器模塊

由于舒適度和平穩(wěn)性算法涉及大量的FFT、濾波等運(yùn)算，這就要求CPU具有較大的RAM和較高的工作頻率。設(shè)計(jì)采用STM32F103T8作為系統(tǒng)的主控芯片，STM32F103T8是一顆基于ARM Cortex M3內(nèi)核的高性能、低成本、低功耗的32位MCU，最高時(shí)鐘頻率可達(dá)72 MHz，內(nèi)部具有64 KB的FLASH和20 KB的RAM以及硬件乘法、除法器，還具有豐富的外設(shè)，如定時(shí)器、SPI、UART等，完全滿足系統(tǒng)的需求。

微控制器模塊電路如圖2所示，由MCU、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、調(diào)試接口、退耦電容、啟動(dòng)電阻組成。時(shí)鐘電路采用8 MHz精密有源晶振，復(fù)位電路采用CAT809S電壓監(jiān)控芯片保證穩(wěn)定復(fù)位，調(diào)試接口采用兩線制SWD接口下載和調(diào)試程序，使用低串聯(lián)電阻和電感的100 nF瓷片電容作為電源管腳的退耦電容，使用100 kΩ下拉電阻將STM32F103T8的BOOT0拉低，使系統(tǒng)復(fù)位后自動(dòng)從用戶閃存執(zhí)行程序。

2．3無線通信模塊

為使設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的兼容性和便攜性，無線舒適度、平穩(wěn)性傳感器采用了具有串口接口的藍(lán)牙通信模塊BLK-MD-BC04-B來實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)收發(fā)，這樣避免了無線手持終端的硬件設(shè)計(jì)，只要在任意一部移動(dòng)通信設(shè)備終端上安裝配套的軟件，即可通過藍(lán)牙與無線傳感器建立通信，靈活、方便。

藍(lán)牙無線通信模塊的電路圖如圖2所示，MCU通過串口控制BLK-MD-BC04-B實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)。BLK-MD-BC04-B采用BlueCore4-Ext芯片，遵循V2．1+EDR藍(lán)牙規(guī)范，內(nèi)置PCB射頻天線和8Mbit Flash，支持鏈接7個(gè)從設(shè)備，具有成本低、體積小、功耗低、收發(fā)靈敏性高等優(yōu)點(diǎn)。

2．4電源管理模塊

電源管理模塊電路圖如圖5所示，由鋰電池充電電路、單鍵開關(guān)機(jī)電路、電量測量電路、系統(tǒng)電源穩(wěn)壓電路組成。外部電源通過MiniUSB-B型接口連接到LN2054恒流恒壓線性電源管理芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)單節(jié)鋰電池的充電管理，最大充電電流設(shè)置為500 mA．單鍵開關(guān)機(jī)電路實(shí)質(zhì)上是由1只P溝道MOSFET管AO3401、1只NPN三極管9013、2只二極管BAT54HT1G、1個(gè)按鍵和一些阻容構(gòu)成的雙穩(wěn)態(tài)電路[9]，按鍵的閉合能夠翻轉(zhuǎn)雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)，并且按鍵的狀態(tài)通過KEY_POWER能夠被MCU檢測到，MCU同時(shí)也能夠通過PWR_CTRL來控制雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)單鍵開關(guān)機(jī)和按鍵功能。由于MCU是+3．3 V系統(tǒng)，鋰電池滿電壓是+4．2 V，因此電量測量電路需要用電阻進(jìn)行分壓后才能進(jìn)行測量。系統(tǒng)電源穩(wěn)壓電路的效率直接關(guān)系到系統(tǒng)功耗，使用低壓差線性穩(wěn)壓芯片TPS793333DBVRQ1，它在100 mA輸出電流時(shí)的輸入輸出電壓差還不到80 mV，完全滿足系統(tǒng)低功耗的電源需求。

3 軟件設(shè)計(jì)

3．1ARM下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)及算法驗(yàn)證

ARM下位機(jī)軟件流程圖如圖3所示，主要包括數(shù)據(jù)采集、舒適度計(jì)算、平穩(wěn)性計(jì)算、數(shù)據(jù)收發(fā)和電源管理5個(gè)部分。按下電源鍵后，系統(tǒng)上電進(jìn)入主函數(shù)，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，如初始化系統(tǒng)時(shí)鐘、關(guān)閉系統(tǒng)中斷、設(shè)置中斷映射表等。初始化完畢后，系統(tǒng)需要檢測電源電壓是否充足，若電量不足，則電源指示燈閃爍，直到釋放電源鍵后關(guān)機(jī)；若電量正常，則在長按電源鍵超過3 s后，初始化MEMS加速度計(jì)和藍(lán)牙通信模塊，MEMS加速度計(jì)配置為SPI通信接口、采樣頻率200 Hz、開啟內(nèi)部抗混疊濾波功能、±2 g量程、外部時(shí)鐘和外部觸發(fā)模式，藍(lán)牙通信模塊配置為UART通信模式、波特率為38 400 bps．配置完成后，開啟定時(shí)器3，以200 Hz的頻率觸發(fā)MEMS并采集數(shù)據(jù)，在while(1)循環(huán)通過查詢標(biāo)識(shí)變量來完成以下4件事：2 s計(jì)算和發(fā)送1次橫向和垂向平穩(wěn)性；5 s計(jì)算和發(fā)送1次舒適度；電源鍵關(guān)機(jī)檢測；電量過低檢測。其中平穩(wěn)性和舒適度計(jì)算時(shí)間較長，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，平穩(wěn)性計(jì)算大概需要15 ms，舒適度計(jì)算則需要500 ms左右。2 s計(jì)算1次平穩(wěn)性，5 s計(jì)算1次舒適度，滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。若期間有長按電源鍵或檢測到電源電量過低，系統(tǒng)都會(huì)向上位機(jī)發(fā)送相應(yīng)的通知，然后關(guān)機(jī)。

圖3 ARM上位機(jī)軟件流程圖

平穩(wěn)性和舒適度指標(biāo)嚴(yán)格按照UIC513《鐵路車輛內(nèi)旅客振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則》和GB5595-85《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》中的定義和計(jì)算方法來實(shí)現(xiàn)。為了驗(yàn)證該無線傳感器計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，將相同工況下無線傳感器計(jì)算得到的測試值和利用UIC513和GB5595-85在計(jì)算機(jī)上計(jì)算得到的計(jì)算值進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)兩者的計(jì)算結(jié)果是一致的，比較的數(shù)據(jù)見表1。

3．2基于Android的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

考慮手持終端的便攜性和列車環(huán)境的復(fù)雜性，上位機(jī)軟件不僅要求可靠性高，還要求具有良好的擴(kuò)展性和可移植性。該設(shè)計(jì)基于Android移動(dòng)平臺(tái)，利用內(nèi)置的藍(lán)牙通信模塊和GPS模塊，結(jié)合Java語言，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一套能夠快速連接無線舒適度、平穩(wěn)性傳感器的上位機(jī)服務(wù)軟件。軟件運(yùn)行界面如圖4所示，具有連接斷開設(shè)備、實(shí)時(shí)繪制數(shù)據(jù)曲線、保存接收數(shù)據(jù)、查看軟件說明和指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等功能。

表1 測試值與計(jì)算值比較

圖4 Android上位機(jī)軟件運(yùn)行界面

圖5為列車舒適度、平穩(wěn)性無線傳感器實(shí)物。

圖5 列車舒適度、平穩(wěn)性無線傳感器實(shí)物

4 結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)的無線列車舒適度、平穩(wěn)性傳感器，結(jié)合MEMS、藍(lán)牙、Android平臺(tái)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了列車舒適度、平穩(wěn)性的實(shí)時(shí)測量。該設(shè)計(jì)具有小巧靈活、安裝方便快捷；無需布線和專用測試設(shè)備，僅需1臺(tái)Android移動(dòng)終端即可完成測量等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)證明：該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、性能良好，非常具有實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]UIC Code 513 Guidelines for Evaluating Passenger Comfort in Relation to Vibration in Railway Vehicles．

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[7]吳艷．基于MEMS傳感器的無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究：[學(xué)位論文]．杭州：杭州電子科技大學(xué)，2011．

作者簡介：陳景琪(1990—)，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)化儀器儀表及嵌入式系統(tǒng)。E-mail：cjqhyy@qq．com