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

        2019-07-25 01:44:04任曉琨荊立雄
        物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2019年4期
        關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)處理

        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)點單元的設(shè)計。智能感知節(jié)點單元體積極小,重量極輕,可以安裝到機(jī)上空間狹小的區(qū)域。同時智能感知節(jié)點單元縮小了與機(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,提升了信號傳輸質(zhì)量。智能感知節(jié)點單元具備一定的數(shù)據(jù)快速處理能力,可將二次處理數(shù)據(jù)通過總線上報至分布式采集單元RDC,減輕RDC的數(shù)據(jù)運算負(fù)擔(dān)。同時智能感知節(jié)點單元可以接收RDC指令,進(jìn)行局部傳感器激勵信號的輸出控制。

        關(guān)鍵詞:智能感知節(jié)點單元;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:TP23文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:2095-1302(2019)04-00-03

        0 引 言

        近年來,綜合化航空電子系統(tǒng)得到了長足發(fā)展,異構(gòu)平臺分布式系統(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)時間短[1]。MEMS技術(shù)的以上特點使其特別適用于智能感知節(jié)點單元。

        1 整體設(shè)計框架

        按照綜合化系統(tǒng)框架,每個接口區(qū)小系統(tǒng)由兩個雙余度的RDC和若干個智能采集終端組成,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)局部計算資源和控制中心,并通過局部總線構(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。整個接口區(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)對機(jī)電系統(tǒng)要求的控制工作。

        每個智能感知節(jié)點采集局部的溫度、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)點本身不考慮余度設(shè)計,需要在搭建接口區(qū)網(wǎng)絡(luò)時在關(guān)鍵節(jié)點設(shè)置多個智能感知節(jié)點以提高局部的可靠性。智能感知節(jié)點將收集的數(shù)據(jù)經(jīng)提高精度運算后通過局部總線(接口區(qū)網(wǎng)絡(luò))上報RDC,由RDC對感知目標(biāo)多個位置的多個狀態(tài)做進(jìn)一步的數(shù)據(jù)融合,從而對感知目標(biāo)進(jìn)行PHM分析。

        2 智能感知節(jié)點單元硬件設(shè)計

        每個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、熱電偶(K分度0~50 mV)輸入信號和0~3 000 Hz頻率輸入信號的采集功能;

        (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、熱電偶(K分度0~50 mV)輸入信號和0~3 000 Hz頻率輸入信號的采集、局部總線、RS 422總線均采用通用技術(shù)實現(xiàn),在此不再贅述。溫度、濕度、壓力、加速度等信息的采集通過MEMS集成芯片實現(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)測量范圍-55 ℃~+125 ℃;

        (2)典型測量精度值±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)測量數(shù)據(jù)分辨率9~12位可配置;

        (7)9位最大轉(zhuǎn)換時間為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,可通過上下拉實現(xiàn)芯片擴(kuò)展,最多可通過1對I2C總線控制8個I2C從站,現(xiàn)只接1個I2C從站,A0,A1,A2全部下拉。O.S./INT為報警輸出管腳。I2C主站寫入該傳感器溫度寄存器中的報警值和報警容限次數(shù),當(dāng)采集值連續(xù)超過報警容限次數(shù)時,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)測量范圍為260~1 260 mbar;

        (2)最高測量分辨率可達(dá)0.020 mbar;

        (3)高過壓承受能力,最大可達(dá)20倍滿量程壓力且不受損;

        (4)超低功耗,不超過30 μA;

        (5)具有內(nèi)嵌溫度補償功能;

        (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引腳是兩個中斷輸出管腳。通過SPI對內(nèi)部寄存器的值進(jìn)行預(yù)設(shè),如INT1和INT2工作模式,可以實現(xiàn)壓力過高輸出、壓力過低輸出或數(shù)據(jù)采集完成的READY信號。

        2.3 濕度信息采集

        相對濕度型MEMS傳感器主要性能指標(biāo)如下:

        (1)測量精度±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)測量范圍為0~100% RH;

        (6)長期漂移小于0.25% RH/y;

        (7)支持I2C接口。

        STM32處理器芯片通過I2C總線對該MEMS芯片的工作模式進(jìn)行配置,實時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)三軸方向最大測量范圍為±16g;

        (2)具有兩個可編程中斷信號輸出引腳;

        (3)超低功耗,不超過30 μA;

        (4)內(nèi)嵌溫度補償功能;

        (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)點單元軟件設(shè)計

        智能感知節(jié)點單元軟件為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,BIT及故障處理,通信管理和用于演示驗證的人機(jī)界面等。

        3.1 底層設(shè)備驅(qū)動

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

        由于各模塊之間需要通過局部總線進(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)動程序支持。

        3.2 BIT及故障處理

        智能感知節(jié)點單元的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)行硬件自測試。上電BIT盡可能測試更多的硬件部件。

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

        3.3 通信管理

        智能感知節(jié)點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、打包及有效檢測等。當(dāng)RS 422數(shù)據(jù)校驗連續(xù)一段時間未通過時,通過局部總線上報數(shù)據(jù)故障。局部總線會進(jìn)行總線故障判定,若局部總線存在通信故障,則通過RS 422上報。

        3.4 人機(jī)界面

        為對UIN的功能進(jìn)行演示驗證,對傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀顯示,特設(shè)計人機(jī)界面。接收局部總線轉(zhuǎn)USB端口或者RS 422端口傳來的數(shù)據(jù),并實時顯示[2-4]。

        4 結(jié) 語

        通過基于MEMS芯片和高集成度芯片技術(shù),實現(xiàn)了超小體積、超低功耗的智能感知節(jié)點單元的設(shè)計。最終實現(xiàn)的智能感知節(jié)點單元體積僅為50 mm(長)×50 mm(寬)×20 mm(高),功耗低于5 W,具備自身故障檢測能力,作為RDC的觸手,進(jìn)一步實現(xiàn)了信號近端采集,解決了RDC區(qū)域集中采集和部分信號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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