高溫磁懸浮車輛狀態檢測系統設計

朱明隆　陳建政

摘 要：以高溫磁懸浮車輛的各物理狀態為研究對象，設計了一套嵌入式車輛狀態檢測系統。該系統將傳感器、信號調理模塊、嵌入式數據監測和計算機系統集成為車上和車下兩個部分，在不影響車輛運行狀態的前提下，對車輛的運行狀態進行實時監測。分析了檢測系統的特點，介紹了其設計原理和思路，給出了采集系統框架圖，詳細闡述了各模塊的功能實現流程。結果表明，該采集系統具有成本低、準確度高、功耗小等特點，較好的解決了數據采集系統實時性和準確性的問題。

關鍵詞：磁懸浮車輛；狀態檢測；嵌入式系統

引言

隨著社會的發展和城市人口的激增，尾氣排放和交通擁擠等日益嚴重，成為阻礙社會發展的重要因素之一。事實證明，解決這一問題最有效的措施就是完善城市軌道交通系統。高速、環保、舒適的磁懸浮車輛是未來理想的交通工具。磁懸浮技術因其無接觸的特點，可以有效避免物體之間的摩擦和磨損，延長設備的使用壽命，改善設備的運行條件，在交通領域有廣闊的應用前景[1-3]。將高溫超導技術融入磁懸浮車輛可以進一步降低維護費用，進一步推動磁懸浮技術的普及。

目前日本的中低速磁懸浮車技術已經成熟，但是超導臨界溫度仍然較低，維護費用昂貴。而國內的高溫超導磁懸浮技術還處于技術攻關階段，隨著相關設計驗證實驗的展開，需要大量實驗數據來幫助優化車輛結構設計。而隨著車輛運行速度的提升，更需要開展實時檢測以便判斷列車狀態。因此本文設計了一種高溫磁懸浮車輛動態檢測系統，該系統可以對車輛各運行參數在線實時檢測和分析，無線數據傳輸技術的使用更提高了整個系統的便攜性。

1 檢測系統特點及技術要求

高溫磁懸浮車輛狀態檢測系統采用分布式結構，如圖1所示。數據檢測系統及計算平臺實現各物理狀態信號采集和計算。整個網絡通過Wi-Fi實現相互通信，計算平臺的人機交互界面可以動態顯示分析車輛的運行狀態，并可對整個實驗臺的參數進行調整。

車輛狀態檢測是一個持續過程，車輛在實驗臺上運行的過程中，特別是線路曲率發生變化時，其運行速度、懸浮高度和車身平穩性都有較明顯的變化。因此這些時間節點是監測重點。根據研究背景和技術要求，監測設備要求小型化、低功耗，具備無線傳輸功能。因此檢測系統的設計要點為：

（1）多信號處理技術。檢測系統采集量包括：反射式激光、對射式光電、力、速度、溫度、加速度和角加速度信號，其中激光傳感器輸出數字信號，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，所以需要實現多種信號的調理。

（2）多變量同步采集。國內對列車舒適度和動力學性能的評估算法主要根據GB5599-85。如果各個物理量不具有良好的實時性，將會使車輛運行狀態的計算結果出現較大偏差，失去可信度。

（3）高速無線傳輸技術。系統需要在較高采樣頻率下采物理多種量，系統需要具備高速無線傳輸功能來實現對車輛狀態的實時監控。

（4）低功耗。便攜式車輛狀態檢測系統由鋰電池供電，為了能提高有效工作時間需要對設備進行低功耗的設計。

（5）嵌入式軟硬件技術。為了提高系統的實時性需要對數據做多線程并行處理。

2 檢測系統結構設計方案

為了滿足各項指標，整個檢測系統由車上的嵌入式數據采集系統和上位機計算平臺兩部分組成。下位機的嵌入式系統采集各傳感器數據并做實時處理，存儲原始數據并通過Wi-Fi網絡傳輸到上位控制終端，實驗人員可以通過人機交互界面對實驗臺控制器做出調整，模擬各類工況。整個系統結構如圖2所示。

2.1 核心處理器

此次設計的核心處理器采用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72MHz。系統通過合理利用片內的各種功能，大大降低了外圍電路的復雜性和系統成本，系統采用8M晶振來提供系統時鐘，通過J-LINK調試接口在線對系統進行調試。它還集成了RTC時鐘的日歷功能，有效滿足系統設計的需要。

2.2 DC-DC電源模塊

本系統采用12V鋰電池串聯作為電源，通過LM 7805、AMS1117將單一電源轉化為5V和3.3V，從而對各傳感器、核心處理器和各外設芯片供電。具體實現電路如圖3所示。

2.3 傳感器信號處理

為了對車輛的整體狀態進行監控，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各有不同。對于輸出是數字信號的傳感器，由于主控芯片支持SPI、I2C等總線，可以直接與主控芯片相連。但是對于輸出模擬信號的傳感器，在其后端需要使用模擬-數字轉換芯片來做數字化處理。本次設計的轉換芯片采用ADI公司的AD7606，由于數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。為了統一傳感器的輸出信號，所以需要對傳感器的信號進行處理。具體處理方法如表1所示。

表1 傳感器信號處理方法

3 嵌入式采集系統軟件設計

為了監控車輛整體狀態，需要在較高采集頻率下對多類傳感器實現同步采集。采集到的數據應實時傳輸給計算平臺進行處理，為了滿足同步采集和高速數據傳輸的要求，系統采用ARM Cortex-M3核心處理器STM32F103上嵌入實時操作系統RT-Thread作為數據采集系統的核心。

RT-Thread作為一款開源操作系統，支持LWIP輕型TCP/IP協議棧，還具有多線程實時處理功能。STM32和RT-Thread的系統架構可以提高MCU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]。本次設計采用RealView MDK開發套件為平臺，此套件源自于德國Keil公司，是ARM公司目前最新推出的嵌入式軟件開發工具，其程序結構流程圖如圖4所示。

4 數據處理軟件設計

上位控制機通過Wi-Fi與檢測系統相連，監控車輛實時運動狀態。人機交互界面可以動態顯示車輛運行狀態并做離線數據分析。在實驗中，上位控制機還能調整實驗臺設備來模擬各種不同的工況。

上位機人機交互界面如圖5所示。

5 結束語

基于STM32F103的高溫磁懸浮車輛狀態檢測系統通過對各類傳感器信號調理，實現了對傳感器數據的自動采集、存儲和發送。與傳統檢測系統相比，此次設計降低了成本和功耗，提高了數據采集的實時性和準確性。此設計對今后高溫磁懸浮技術的研究和車輛性能的提升做出了積極的貢獻。

參考文獻

[1]周慶瑞，金鋒.新興城市軌道交通[M].中國鐵道出版社，2005.

[2]鄧小星.中低速磁浮車輛動力學性能研究[D].西南交通大學，2007.

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[4]朱傳宏，張麗全.嵌入式實時操作系統RT-Thread在SEP4020上的移植[J].計算機與數字工程，2010（11）.

[5]鄧霏，陳建政，李文寶.便攜式廣義舒適度檢測系統設計[J].2012，32（11）：3225-3227，3231.