基于MEMS技術(shù)的智能感知節(jié)點(diǎn)單元設(shè)計(jì)

任曉琨 荊立雄

摘 要：文中介紹了一種面向綜合化航空電子系統(tǒng)的智能感知節(jié)點(diǎn)單元的設(shè)計(jì)。智能感知節(jié)點(diǎn)單元體積極小，重量極輕，可以安裝到機(jī)上空間狹小的區(qū)域。同時(shí)智能感知節(jié)點(diǎn)單元縮小了與機(jī)上傳感器間的距離，減輕了線纜重量，減少了傳輸路徑上的耦合干擾，提升了信號(hào)傳輸質(zhì)量。智能感知節(jié)點(diǎn)單元具備一定的數(shù)據(jù)快速處理能力，可將二次處理數(shù)據(jù)通過(guò)總線上報(bào)至分布式采集單元RDC，減輕RDC的數(shù)據(jù)運(yùn)算負(fù)擔(dān)。同時(shí)智能感知節(jié)點(diǎn)單元可以接收RDC指令，進(jìn)行局部傳感器激勵(lì)信號(hào)的輸出控制。

關(guān)鍵詞：智能感知節(jié)點(diǎn)單元;RDC;綜合化航空電子設(shè)備;傳感器互聯(lián);耦合干擾;數(shù)據(jù)處理

中圖分類號(hào)：TP23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）04-00-03

0 引 言

近年來(lái)，綜合化航空電子系統(tǒng)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，異構(gòu)平臺(tái)分布式系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，打破了系統(tǒng)邊界，在傳感器、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)處理方面進(jìn)行深度融合。異構(gòu)平臺(tái)分布式系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器RDC、核心處理機(jī)組網(wǎng)構(gòu)成，而智能感知節(jié)點(diǎn)單元作為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器RDC的觸手，將采集位置向傳感器近端更進(jìn)一步拓展，減輕線纜重量，減少傳輸路徑上的耦合干擾，提升信號(hào)傳輸質(zhì)量。

綜合化的系統(tǒng)架構(gòu)必然要求智能感知節(jié)點(diǎn)單元體積和重量更小，集成度更高，且應(yīng)具有數(shù)據(jù)快速處理和總線通信能力。MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時(shí)間短[1]。MEMS技術(shù)的以上特點(diǎn)使其特別適用于智能感知節(jié)點(diǎn)單元。

1 整體設(shè)計(jì)框架

按照綜合化系統(tǒng)框架，每個(gè)接口區(qū)小系統(tǒng)由兩個(gè)雙余度的RDC和若干個(gè)智能采集終端組成，共同完成系統(tǒng)的采集和解算任務(wù)，為核心處理區(qū)提供飛機(jī)各部件的信息和健康狀態(tài)信息。根據(jù)接口區(qū)的總體需求，以雙余度RDC作為接口區(qū)局部計(jì)算資源和控制中心，并通過(guò)局部總線構(gòu)成以RDC為局部大腦、智能采集終端為觸手的集數(shù)據(jù)采集和輸出控制于一體的分布式控制和管理平臺(tái)。整個(gè)接口區(qū)的解算和智能管理軟件駐留在RDC當(dāng)中，其主要功能是向核心處理區(qū)提供局部接口區(qū)的完整信息，并完成核心處理區(qū)對(duì)機(jī)電系統(tǒng)要求的控制工作。

每個(gè)智能感知節(jié)點(diǎn)采集局部的溫度、濕度和大氣壓力等信息，在智能傳感器端根據(jù)RDC設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行底層數(shù)據(jù)預(yù)處理和濾波。智能感知節(jié)點(diǎn)本身不考慮余度設(shè)計(jì)，需要在搭建接口區(qū)網(wǎng)絡(luò)時(shí)在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)置多個(gè)智能感知節(jié)點(diǎn)以提高局部的可靠性。智能感知節(jié)點(diǎn)將收集的數(shù)據(jù)經(jīng)提高精度運(yùn)算后通過(guò)局部總線（接口區(qū)網(wǎng)絡(luò)）上報(bào)RDC，由RDC對(duì)感知目標(biāo)多個(gè)位置的多個(gè)狀態(tài)做進(jìn)一步的數(shù)據(jù)融合，從而對(duì)感知目標(biāo)進(jìn)行PHM分析。

2 智能感知節(jié)點(diǎn)單元硬件設(shè)計(jì)

每個(gè)智能感知單元需要具備以下功能：

（1）具備溫度、濕度、壓力、加速度等信息采集功能;

（2）具備0～10 V差分電壓、PT1000電阻輸入信號(hào)、熱電偶（K分度0～50 mV）輸入信號(hào)和0～3 000 Hz頻率輸入信號(hào)的采集功能;

（3）具備局部總線和RS 422總線通信能力;

（4）具備PWM輸出控制功能。

其中0～10 V差分電壓、PT1000電阻輸入信號(hào)、熱電偶（K分度0～50 mV）輸入信號(hào)和0～3 000 Hz頻率輸入信號(hào)的采集、局部總線、RS 422總線均采用通用技術(shù)實(shí)現(xiàn)，在此不再贅述。溫度、濕度、壓力、加速度等信息的采集通過(guò)MEMS集成芯片實(shí)現(xiàn)。

2.1 溫度信息采集

溫度型MEMS傳感器主要性能指標(biāo)如下：

（1）測(cè)量范圍-55 ℃～+125 ℃;

（2）典型測(cè)量精度值±0.5 ℃;

（3）-25 ℃～+100 ℃條件下最大精度誤差±2 ℃;

（4）超低功耗，典型操作消耗電流125 μA;

（5）支持I2C/SMBus接口;

（6）測(cè)量數(shù)據(jù)分辨率9～12位可配置;

（7）9位最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為150 ms。

MEMS傳感器由于內(nèi)部集成度高，且集成有A/D轉(zhuǎn)換芯片，因此可直接將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)I2C接口輸出。溫度型MEMS傳感器電路原理如圖1所示。

該傳感器采用3.3 V電壓供電，在靠近VDD引腳處放置100 nF的去耦電容，SCL和SDA連接主處理芯片STM32，通過(guò)10 kΩ電阻上拉至3.3 V預(yù)置高電平。A0，A1，A2為地址位，可通過(guò)上下拉實(shí)現(xiàn)芯片擴(kuò)展，最多可通過(guò)1對(duì)I2C總線控制8個(gè)I2C從站，現(xiàn)只接1個(gè)I2C從站，A0，A1，A2全部下拉。O.S./INT為報(bào)警輸出管腳。I2C主站寫(xiě)入該傳感器溫度寄存器中的報(bào)警值和報(bào)警容限次數(shù)，當(dāng)采集值連續(xù)超過(guò)報(bào)警容限次數(shù)時(shí)，O.S./INT管腳輸出被激活，輸出低電平。

2.2 壓力信息采集

壓力型MEMS傳感器主要性能指標(biāo)如下：

（1）測(cè)量范圍為260～1 260 mbar;

（2）最高測(cè)量分辨率可達(dá)0.020 mbar;

（3）高過(guò)壓承受能力，最大可達(dá)20倍滿量程壓力且不受損;

（4）超低功耗，不超過(guò)30 μA;

（5）具有內(nèi)嵌溫度補(bǔ)償功能;

（6）內(nèi)嵌24位ADC;

（7）數(shù)據(jù)輸出率可選：1～25 Hz;

（8）支持SPI和I2C接口;

（9）最高能承受10 000g的沖擊量;

（10）無(wú)鉛小封裝，尺寸為3 mm×3 mm×1 mm。

該壓力型傳感器供電和I/O端口供電均為3.3 V，供電引腳處選用10 μF和100 nF電容濾波。采集的數(shù)據(jù)通過(guò)4線制SPI接口傳輸數(shù)據(jù)給處理器芯片。第9引腳和第11引腳是兩個(gè)中斷輸出管腳。通過(guò)SPI對(duì)內(nèi)部寄存器的值進(jìn)行預(yù)設(shè)，如INT1和INT2工作模式，可以實(shí)現(xiàn)壓力過(guò)高輸出、壓力過(guò)低輸出或數(shù)據(jù)采集完成的READY信號(hào)。

2.3 濕度信息采集

相對(duì)濕度型MEMS傳感器主要性能指標(biāo)如下：

（1）測(cè)量精度±1.5% RH;

（2）可重復(fù)性0.15% RH;

（3）最小分辨率為0.01% RH;

（4）25 ℃環(huán)境溫度下，遲滯為±0.8% RH;

（5）測(cè)量范圍為0～100% RH;

（6）長(zhǎng)期漂移小于0.25% RH/y;

（7）支持I2C接口。

STM32處理器芯片通過(guò)I2C總線對(duì)該MEMS芯片的工作模式進(jìn)行配置，實(shí)時(shí)讀取傳感器采集的濕度參數(shù)。

2.4 加速度信息采集

加速度MEMS傳感器主要性能指標(biāo)如下：

（1）三軸方向最大測(cè)量范圍為±16g;

（2）具有兩個(gè)可編程中斷信號(hào)輸出引腳;

（3）超低功耗，不超過(guò)30 μA;

（4）內(nèi)嵌溫度補(bǔ)償功能;

（5）內(nèi)置16位A/D;

（6）數(shù)據(jù)輸出率可選：1～5 Hz;

（7）支持SPI和I2C接口;

（8）無(wú)鉛小封裝，尺寸為3 mm×3 mm×1 mm。

加速度傳感器電路原理圖如圖2所示。

3 智能感知節(jié)點(diǎn)單元軟件設(shè)計(jì)

智能感知節(jié)點(diǎn)單元軟件為RDC軟件的執(zhí)行提供數(shù)據(jù)支持和輸出執(zhí)行響應(yīng)，通過(guò)局部數(shù)據(jù)總線完成數(shù)據(jù)上傳和下行，主要包括底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)，BIT及故障處理，通信管理和用于演示驗(yàn)證的人機(jī)界面等。

3.1 底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)

智能感知節(jié)點(diǎn)單元主要的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序包括I2C接口MEMS傳感器驅(qū)動(dòng)程序、SPI接口MEMS傳感器驅(qū)動(dòng)程序、局部總線通信驅(qū)動(dòng)程序、RS 422總線通信驅(qū)動(dòng)程序、看門(mén)狗驅(qū)動(dòng)程序、離散量輸入驅(qū)動(dòng)程序、模擬量輸入驅(qū)動(dòng)程序和離散量輸出驅(qū)動(dòng)程序等。

由于各模塊之間需要通過(guò)局部總線進(jìn)行信息交互，故各模塊均為智能模塊，需要有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序支持。

3.2 BIT及故障處理

智能感知節(jié)點(diǎn)單元的BIT包括上電BIT和周期BIT兩部分。

上電BIT是上電后在完成必要的硬件初始化后進(jìn)行硬件自測(cè)試。上電BIT盡可能測(cè)試更多的硬件部件。

進(jìn)入正常工作模式后，利用應(yīng)用任務(wù)間的空閑時(shí)間對(duì)硬件進(jìn)行測(cè)試。采用系統(tǒng)工作狀態(tài)非破壞測(cè)試算法，受周期時(shí)間限制;當(dāng)BIT報(bào)故障時(shí)，上報(bào)信息在RDC的存儲(chǔ)器上進(jìn)行故障信息儲(chǔ)存，并隔離處理故障。

3.3 通信管理

智能感知節(jié)點(diǎn)單元主要完成局部總線、RS 422總線通信數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送處理、數(shù)據(jù)解析、打包及有效檢測(cè)等。當(dāng)RS 422數(shù)據(jù)校驗(yàn)連續(xù)一段時(shí)間未通過(guò)時(shí)，通過(guò)局部總線上報(bào)數(shù)據(jù)故障。局部總線會(huì)進(jìn)行總線故障判定，若局部總線存在通信故障，則通過(guò)RS 422上報(bào)。

3.4 人機(jī)界面

為對(duì)UIN的功能進(jìn)行演示驗(yàn)證，對(duì)傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀顯示，特設(shè)計(jì)人機(jī)界面。接收局部總線轉(zhuǎn)USB端口或者RS 422端口傳來(lái)的數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示[2-4]。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)基于MEMS芯片和高集成度芯片技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了超小體積、超低功耗的智能感知節(jié)點(diǎn)單元的設(shè)計(jì)。最終實(shí)現(xiàn)的智能感知節(jié)點(diǎn)單元體積僅為50 mm（長(zhǎng)）×50 mm（寬）×20 mm（高），功耗低于5 W，具備自身故障檢測(cè)能力，作為RDC的觸手，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了信號(hào)近端采集，解決了RDC區(qū)域集中采集和部分信號(hào)要求近端采集的矛盾，完善了分布式航電系統(tǒng)架構(gòu)。

參 考 文 獻(xiàn)

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