基于STM32的轉轍機接點(diǎn)深度低功耗監測系統設計*

*基金項目：天津市大學(xué)生創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)訓練計劃項目，項目編號：202210066090

轉轍機是完成道岔轉換的重要設備，也是信號系統中的主要控制對象之一。道岔控制電路作為鐵路聯(lián)鎖系統中的基本電路，無(wú)論是啟動(dòng)電路還是表示電路均需要通過(guò)轉轍機內部接點(diǎn)系統通斷關(guān)系來(lái)實(shí)現。因此，轉轍機接點(diǎn)系統的可靠性直接影響到鐵路的運輸安全及行車(chē)效率。我國TB/T 3113—2015 中對轉轍機動(dòng)接點(diǎn)柱打入靜接點(diǎn)環(huán)的深度規定為不低于4 mm^[1]，只有當轉轍機動(dòng)接點(diǎn)打入靜接點(diǎn)合理的深度情況下才能保證控制線(xiàn)路的通斷關(guān)系^[2]。目前測量接點(diǎn)深度的方法主要采用直接測量法，該方法需借助測距工具如卡尺等完成，由于接點(diǎn)座結構復雜，整套操作流程費時(shí)費力。測量時(shí)需要開(kāi)啟轉轍機機蓋，全套流程需在鐵路施工天窗內完成^[3]，費時(shí)費力，無(wú)法在列車(chē)運行狀態(tài)下進(jìn)行，更談不上實(shí)時(shí)監測。因此，為了確保接點(diǎn)深度性能要求，研發(fā)專(zhuān)用，實(shí)時(shí)，準確的測量系統是當前亟需解決的問(wèn)題。

當前，伴隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的逐步完善，低成本、低功耗、廣覆蓋、大連接的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)為監測系統提供新的技術(shù)支持及保障，本系統充分利用STM32L071CBT6 微處理器和遠傳終端的休眠喚醒技術(shù)，大大降低了系統的整體功耗。且整套系統無(wú)需串入轉轍機接點(diǎn)電路，在不改變既有電路完整性，不影響既有聯(lián)鎖電路的情況下實(shí)現了數據采集至數據庫傳輸、存儲及回放功能，同時(shí)配備有故障狀態(tài)下的實(shí)時(shí)報警功能，有利于及時(shí)發(fā)現和排除故障。

1 系統基本構成

系統安全可靠是監測系統首要條件，本系統采用成熟的元器件及技術(shù)，以保障系統穩定可靠及運行安全。近些年隨著(zhù)信息化的不斷推進(jìn)，傳感器采集終端、連接技術(shù)及數據平臺的不斷發(fā)展，為物聯(lián)網(wǎng)系統的發(fā)展注入了強有力的動(dòng)力^[4]。本系統包含3 層次，如圖1 所示。

圖1 系統結構框圖

1）數據采集層。本層硬件由主控芯片及各控制，采集模塊組成。主要包括接點(diǎn)深度傳感器，外觸發(fā)模塊，SIM800發(fā)射模塊及外部存儲模塊。主控完成對數據的處理，分裝后通過(guò)SIM800 模塊發(fā)布。選擇Keil5 作為開(kāi)發(fā)環(huán)境完成對系統的開(kāi)發(fā)設計，借助C 編程語(yǔ)言對完成采集傳輸系統設計調試，通過(guò)配置I/O 完成各子單元的驅動(dòng)及模塊間通訊功能。

2）數據傳輸層。智能網(wǎng)關(guān)接收到數據采集層數據后，進(jìn)行數據轉換，通過(guò)公網(wǎng)基站以無(wú)線(xiàn)通訊方式傳輸到數據應用層。模塊與應用層服務(wù)器通過(guò)TCP協(xié)議建立連接，采用MQTT 通訊協(xié)議。

3）數據應用層。在本系統中，使用云服務(wù)器作為系統服務(wù)端。與傳統物理服務(wù)器相比，具有資費低、穩定、性能高，更新設備或數據轉移時(shí)更靈活等優(yōu)勢。本系統采用VSCODE 開(kāi)發(fā)后來(lái)數據管理、操作界面。

本方案設計時(shí)采用成熟的STM32 主控芯片及外置采集傳輸模塊、選用可靠的數據傳輸協(xié)議及穩定的云服務(wù)器。在分析完成各模塊功能的基礎上，通過(guò)外部連接電路的合理配置，有效控制各模塊的實(shí)際功耗，解決了電流互感器作為觸發(fā)傳感器時(shí)無(wú)法觸發(fā)及誤觸發(fā)問(wèn)題。并通過(guò)數據庫的有效過(guò)來(lái)及人性化的UI 界面，完成了人性化的人機交互界面設計。

2 系統硬件配置

系統主控芯片選擇STM32L071CBT6，相比傳統STM32F 系列，STM32L 系列具有兩種新的模式：低功耗運行和低功耗睡眠模式，該芯片采用32 位ARM 內核，主頻高達可達72 MHz，集成定時(shí)器、模數轉換器、外觸發(fā)接口^[5]。良好的系統配置可有效降低外部電路硬件設計的難度，提升系統可靠性。系統外圍硬件電路主要包含低功耗電源控制，接點(diǎn)深度模塊，外部觸發(fā)模塊，EEPROM 存儲模塊和數據傳輸模塊。

由于系統采用3.6 V 鋰電池供電，設備功耗將直接影響到設備的可用性，本系統通過(guò)硬件電路設計通過(guò)I/O 輸出控制外部模塊的供電電源接口達到觸發(fā)、休眠循環(huán)模式降低工作周期的功耗。

2.1 電源控制

在電路硬件設計過(guò)程中，主控芯片的低功耗僅為低功耗系統開(kāi)發(fā)的一部分，外圍器件功耗同樣起至關(guān)重要作用。該系統供電來(lái)自于內置3.6 V 鋰電池，其擔負著(zhù)3.3 V 主控芯片，4.0 V 發(fā)射模塊等多種外圍電路的電壓需求。方案中主控采用通用BOOST 結構、電壓型 PFM控制模式的DC-DC 轉換電路，發(fā)射模塊采用外部電源管理電路，在無(wú)需傳輸時(shí)，關(guān)閉模塊供電接口，以達到最優(yōu)的功耗狀態(tài)。結合系統軟件控制，系統充分挖掘STM32 處理器的待機休眠模式，待機時(shí)主控1.8 V 供電區，內部及外部時(shí)鐘關(guān)閉，系統內部電壓檢測器進(jìn)入低功耗模式，在無(wú)道岔轉換發(fā)生時(shí)，主控及外置模塊均處于休眠狀態(tài)，在有道岔轉換動(dòng)作時(shí)通過(guò)合理管理電源系統降低工作周期功耗，待監測完成后重新進(jìn)入休眠狀態(tài)。通過(guò)借助于這種特殊的電源管理及控制邏輯將系統待機功耗降低至微安級。

2.2 接點(diǎn)深度模塊

接點(diǎn)深度采用GMR 巨磁阻傳感器TLE5012B，該傳感器為非接觸式15 位絕對角度位置傳感器，該傳感器內部集成四個(gè)單獨的GMR 元件組成惠斯通電橋，有效消除溫度效應。通過(guò)徑向鐵釹硼強磁模塊，感應出接點(diǎn)座動(dòng)接點(diǎn)座轉角量，再通過(guò)接點(diǎn)轉臂產(chǎn)半徑R 獲取動(dòng)接點(diǎn)柱打入靜接點(diǎn)環(huán)的深度，該數值實(shí)時(shí)存入系統外置AT24C256 EEPROM存儲器，主控器同時(shí)進(jìn)入深度判別環(huán)節，根據數據分析結果做出相應處理。該模塊采用半雙工的SPI 通信協(xié)議，如圖2 所示，通過(guò)更改控制主控芯片的管腳的輸出類(lèi)型控制接發(fā)數據模式，發(fā)送狀態(tài)下采用推挽輸出，收數時(shí)為開(kāi)漏輸出，完成數據雙向通信。

圖2 接點(diǎn)深度傳感器

2.3 外部觸發(fā)模塊

外部觸發(fā)模塊由轉轍機電流采集感應器和信號處理電路組成，感應器采用開(kāi)合式電流互感器SCT013-005，如圖3 所示。該互感器輸出電壓為5 A-1 V 輸出。而主控芯片STM32 規定只有當觸發(fā)管腳接收到峰值高于2 V 的脈沖時(shí)，系統才能從休眠模式中喚醒，且不接受負脈沖，因此該互感器輸出的交流電壓信號不能夠直接作為喚醒信號使用，本電路采用通過(guò)REF193 穩壓芯片喚醒管腳構建外圍喚醒電路，如圖4 所示。并結合轉轍機轉換道岔時(shí)的動(dòng)作時(shí)間通過(guò)軟件配置STM32 時(shí)鐘定時(shí)器TM1 的中斷及系統看門(mén)狗，在滿(mǎn)足觸發(fā)的同時(shí)有效避免道岔轉換過(guò)程中的連續誤觸發(fā)。

圖3 電流互感器

2.4 數據發(fā)射模塊

本系統采用sim800C 模塊，通過(guò)主控芯片的串口輸出AT 指令發(fā)出控制命令。模塊連接成功TCP 后進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )透傳模式，完成接點(diǎn)位移數據至服務(wù)器的傳輸任務(wù)。在設計發(fā)射模塊電路時(shí)，SMI800C 低功耗發(fā)射模塊詳情中提到其休眠功耗0.6 mA，且供電電源需要具備在突發(fā)模式時(shí)提供高達2 A 的峰值電流需求^[7]，對于有源供電方案該性能很容易滿(mǎn)足，但對于電池供電系統而言，該待機功耗過(guò)大，峰值電流過(guò)高。因此需設計一套專(zhuān)注的電源管理電路。通過(guò)充分比較各芯片性能，最終本方案中選用TPS63020 器件，該原件能滿(mǎn)足系統輸出能力強，自身消耗小的性能需求，是專(zhuān)用便攜式電子產(chǎn)品設計的穩壓芯片。其輸入電壓范圍為1.8 V~5.5 V，克服了隨著(zhù)監測設備電池供電時(shí)間長(cháng)，電壓降低無(wú)法放電的現象，如圖5 所示，通過(guò)主控芯片PB2 管腳控制芯片的工作狀態(tài)滿(mǎn)足發(fā)射模塊工作能量需求，其靜態(tài)功耗低至25 μA，峰值電流滿(mǎn)足2 A 輸出要求。

3 系統軟件設計

本系統采用 Keil 軟件編程，實(shí)現對外圍模塊的控制及初始化配置，并將數據寫(xiě)入AT24C128 EEPROM存儲，通過(guò) SIM800 無(wú)傳輸模塊建立與云平臺之間的聯(lián)系。實(shí)現過(guò)程如下，當外部傳感器檢測到轉轍機啟動(dòng)的脈沖信號后監測系統啟動(dòng)并立即進(jìn)入工作狀態(tài)，待工作周期完成后對接點(diǎn)深度進(jìn)行判斷，做出相應處理。滿(mǎn)足要求時(shí)系統立即進(jìn)入休眠狀態(tài)以降低功耗，不滿(mǎn)足時(shí)將觸發(fā)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，發(fā)出報警信息的同時(shí)將數據實(shí)時(shí)反饋至監控服務(wù)器后進(jìn)入休眠狀態(tài)，此外系統還具備自動(dòng)數據回收功能，可通過(guò)上位機設置數據定時(shí)回傳時(shí)間，主程序流程圖如圖6 所示。

圖6 主程序流程

本系統利用vscode 開(kāi)發(fā)完成數據管理客戶(hù)端設計，采集終端與服務(wù)器間采用TCP 通信協(xié)議上傳數據。服務(wù)器管理人員通過(guò)管理賬戶(hù)進(jìn)入應用界面，可以隨時(shí)隨地查閱運行狀態(tài)數據，繪制歷史數據曲線(xiàn)，提升了系統的實(shí)時(shí)性，系統應用層界面包含登錄和應用界面兩部分，工作流程如圖7所示。

圖7 服務(wù)器工作界面流程

操作時(shí)，需要進(jìn)行登錄身份確定，確認后進(jìn)入應用界面，通過(guò)配置的菜單欄，可快速選擇數據調用及處理功能，如圖8所示。

圖8 服務(wù)器終端應用界面

4 實(shí)驗結果

將硬件終端接上供電電源，第一次啟動(dòng)后其與服務(wù)器建立連接，注冊設備號，備注設備地點(diǎn)信息，檢查此時(shí)的連接狀態(tài)。由于系統核心主要在于系統整體功耗，因此對系統進(jìn)行了功耗測試，測試結果如表1 所示。經(jīng)測試系統平均功耗為：待機功耗80 μA。轉轍機動(dòng)作時(shí)采集電路工作電流為1.5 mA，SIM800C 傳輸時(shí)長(cháng)7 s，周期功耗41.3 mA，峰值電流2 A。在系統配備3.6 V，1 800 mAh 的ER18505 鋰電池狀態(tài)下，ZD9 轉轍機為例按每天轉換200 次，數據每天傳輸一次的頻率計算滿(mǎn)足1 年的免維護要求，本系統在鐵科環(huán)線(xiàn)軌道2022 年11月應用至今，每周三凌晨能及時(shí)完成當周接點(diǎn)位移數據上報，證明設備自身具有良好的可靠性。

5 結束語(yǔ)

本文設計完成一款以STM32 為主控，SIM800 為發(fā)射模塊的接點(diǎn)位移監測控制系統，完成采集層、傳輸層及應用層件設計。通過(guò)實(shí)驗測試該系統功耗低、運行平穩，滿(mǎn)足全天候運行需求，能方便快捷地傳輸數據及報警信息，通過(guò)歷史數據回放功能，能有效預測接點(diǎn)故障信息。實(shí)驗表明該監測試系統能有效彌補了目前接點(diǎn)深度的方法的操作過(guò)程復雜、實(shí)時(shí)性差、成本高等缺陷。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年6月期）