高溫磁懸浮車輛狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱明隆　陳建政

摘 要：以高溫磁懸浮車輛的各物理狀態(tài)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一套嵌入式車輛狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)將傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、嵌入式數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成為車上和車下兩個(gè)部分，在不影響車輛運(yùn)行狀態(tài)的前提下，對(duì)車輛的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。分析了檢測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)，介紹了其設(shè)計(jì)原理和思路，給出了采集系統(tǒng)框架圖，詳細(xì)闡述了各模塊的功能實(shí)現(xiàn)流程。結(jié)果表明，該采集系統(tǒng)具有成本低、準(zhǔn)確度高、功耗小等特點(diǎn)，較好的解決了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的問題。

關(guān)鍵詞：磁懸浮車輛；狀態(tài)檢測(cè)；嵌入式系統(tǒng)

引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和城市人口的激增，尾氣排放和交通擁擠等日益嚴(yán)重，成為阻礙社會(huì)發(fā)展的重要因素之一。事實(shí)證明，解決這一問題最有效的措施就是完善城市軌道交通系統(tǒng)。高速、環(huán)保、舒適的磁懸浮車輛是未來理想的交通工具。磁懸浮技術(shù)因其無接觸的特點(diǎn)，可以有效避免物體之間的摩擦和磨損，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，改善設(shè)備的運(yùn)行條件，在交通領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。將高溫超導(dǎo)技術(shù)融入磁懸浮車輛可以進(jìn)一步降低維護(hù)費(fèi)用，進(jìn)一步推動(dòng)磁懸浮技術(shù)的普及。

目前日本的中低速磁懸浮車技術(shù)已經(jīng)成熟，但是超導(dǎo)臨界溫度仍然較低，維護(hù)費(fèi)用昂貴。而國(guó)內(nèi)的高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)還處于技術(shù)攻關(guān)階段，隨著相關(guān)設(shè)計(jì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的展開，需要大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來幫助優(yōu)化車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。而隨著車輛運(yùn)行速度的提升，更需要開展實(shí)時(shí)檢測(cè)以便判斷列車狀態(tài)。因此本文設(shè)計(jì)了一種高溫磁懸浮車輛動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對(duì)車輛各運(yùn)行參數(shù)在線實(shí)時(shí)檢測(cè)和分析，無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的使用更提高了整個(gè)系統(tǒng)的便攜性。

1 檢測(cè)系統(tǒng)特點(diǎn)及技術(shù)要求

高溫磁懸浮車輛狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)及計(jì)算平臺(tái)實(shí)現(xiàn)各物理狀態(tài)信號(hào)采集和計(jì)算。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通過Wi-Fi實(shí)現(xiàn)相互通信，計(jì)算平臺(tái)的人機(jī)交互界面可以動(dòng)態(tài)顯示分析車輛的運(yùn)行狀態(tài)，并可對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

車輛狀態(tài)檢測(cè)是一個(gè)持續(xù)過程，車輛在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上運(yùn)行的過程中，特別是線路曲率發(fā)生變化時(shí)，其運(yùn)行速度、懸浮高度和車身平穩(wěn)性都有較明顯的變化。因此這些時(shí)間節(jié)點(diǎn)是監(jiān)測(cè)重點(diǎn)。根據(jù)研究背景和技術(shù)要求，監(jiān)測(cè)設(shè)備要求小型化、低功耗，具備無線傳輸功能。因此檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)為：

（1）多信號(hào)處理技術(shù)。檢測(cè)系統(tǒng)采集量包括：反射式激光、對(duì)射式光電、力、速度、溫度、加速度和角加速度信號(hào)，其中激光傳感器輸出數(shù)字信號(hào)，光電、力、速度、溫度、加速度和角加速度傳感器輸出是模擬信號(hào)，所以需要實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)的調(diào)理。

（2）多變量同步采集。國(guó)內(nèi)對(duì)列車舒適度和動(dòng)力學(xué)性能的評(píng)估算法主要根據(jù)GB5599-85。如果各個(gè)物理量不具有良好的實(shí)時(shí)性，將會(huì)使車輛運(yùn)行狀態(tài)的計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)較大偏差，失去可信度。

（3）高速無線傳輸技術(shù)。系統(tǒng)需要在較高采樣頻率下采物理多種量，系統(tǒng)需要具備高速無線傳輸功能來實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（4）低功耗。便攜式車輛狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)由鋰電池供電，為了能提高有效工作時(shí)間需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行低功耗的設(shè)計(jì)。

（5）嵌入式軟硬件技術(shù)。為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性需要對(duì)數(shù)據(jù)做多線程并行處理。

2 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

為了滿足各項(xiàng)指標(biāo)，整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)由車上的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位機(jī)計(jì)算平臺(tái)兩部分組成。下位機(jī)的嵌入式系統(tǒng)采集各傳感器數(shù)據(jù)并做實(shí)時(shí)處理，存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)并通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔豢刂平K端，實(shí)驗(yàn)人員可以通過人機(jī)交互界面對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制器做出調(diào)整，模擬各類工況。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 核心處理器

此次設(shè)計(jì)的核心處理器采用STM32F103芯片，該芯片采用高性能、低成本、低功耗的Cortex-M3內(nèi)核，采用3.3V直流供電，具有32位芯片的處理速度和性能，最高處理速度可達(dá)72MHz。系統(tǒng)通過合理利用片內(nèi)的各種功能，大大降低了外圍電路的復(fù)雜性和系統(tǒng)成本，系統(tǒng)采用8M晶振來提供系統(tǒng)時(shí)鐘，通過J-LINK調(diào)試接口在線對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。它還集成了RTC時(shí)鐘的日歷功能，有效滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要。

2.2 DC-DC電源模塊

本系統(tǒng)采用12V鋰電池串聯(lián)作為電源，通過LM 7805、AMS1117將單一電源轉(zhuǎn)化為5V和3.3V，從而對(duì)各傳感器、核心處理器和各外設(shè)芯片供電。具體實(shí)現(xiàn)電路如圖3所示。

2.3 傳感器信號(hào)處理

為了對(duì)車輛的整體狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，需要在車體上布置多種不同類型的傳感器，而這些傳感器的輸出信號(hào)各有不同。對(duì)于輸出是數(shù)字信號(hào)的傳感器，由于主控芯片支持SPI、I2C等總線，可以直接與主控芯片相連。但是對(duì)于輸出模擬信號(hào)的傳感器，在其后端需要使用模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片來做數(shù)字化處理。本次設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換芯片采用ADI公司的AD7606，由于數(shù)字部分的供電都采用5V的形式，所以AD7606的輸入端的要求為0-5V電壓信號(hào)。為了統(tǒng)一傳感器的輸出信號(hào)，所以需要對(duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行處理。具體處理方法如表1所示。

表1 傳感器信號(hào)處理方法

3 嵌入式采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了監(jiān)控車輛整體狀態(tài)，需要在較高采集頻率下對(duì)多類傳感器實(shí)現(xiàn)同步采集。采集到的數(shù)據(jù)應(yīng)實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行處理，為了滿足同步采集和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，系統(tǒng)采用ARM Cortex-M3核心處理器STM32F103上嵌入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RT-Thread作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心。

RT-Thread作為一款開源操作系統(tǒng)，支持LWIP輕型TCP/IP協(xié)議棧，還具有多線程實(shí)時(shí)處理功能。STM32和RT-Thread的系統(tǒng)架構(gòu)可以提高M(jìn)CU的使用效率，從而有效的解決采集變量高度同步的問題[4-5]。本次設(shè)計(jì)采用RealView MDK開發(fā)套件為平臺(tái)，此套件源自于德國(guó)Keil公司，是ARM公司目前最新推出的嵌入式軟件開發(fā)工具，其程序結(jié)構(gòu)流程圖如圖4所示。

4 數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)

上位控制機(jī)通過Wi-Fi與檢測(cè)系統(tǒng)相連，監(jiān)控車輛實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。人機(jī)交互界面可以動(dòng)態(tài)顯示車輛運(yùn)行狀態(tài)并做離線數(shù)據(jù)分析。在實(shí)驗(yàn)中，上位控制機(jī)還能調(diào)整實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)備來模擬各種不同的工況。

上位機(jī)人機(jī)交互界面如圖5所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于STM32F103的高溫磁懸浮車輛狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)通過對(duì)各類傳感器信號(hào)調(diào)理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、存儲(chǔ)和發(fā)送。與傳統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)相比，此次設(shè)計(jì)降低了成本和功耗，提高了數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。此設(shè)計(jì)對(duì)今后高溫磁懸浮技術(shù)的研究和車輛性能的提升做出了積極的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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