基于STM32的轉(zhuǎn)轍機(jī)接點(diǎn)深度低功耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

*基金項(xiàng)目：天津市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：202210066090

轉(zhuǎn)轍機(jī)是完成道岔轉(zhuǎn)換的重要設(shè)備，也是信號(hào)系統(tǒng)中的主要控制對(duì)象之一。道岔控制電路作為鐵路聯(lián)鎖系統(tǒng)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(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部接點(diǎn)系統(tǒng)通斷關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，轉(zhuǎn)轍機(jī)接點(diǎn)系統(tǒng)的可靠性直接影響到鐵路的運(yùn)輸安全及行車效率。我國(guó)TB/T 3113—2015 中對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)接點(diǎn)柱打入靜接點(diǎn)環(huán)的深度規(guī)定為不低于4 mm^[1]，只有當(dāng)轉(zhuǎn)轍機(jī)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路的通斷關(guān)系^[2]。目前測(cè)量接點(diǎn)深度的方法主要采用直接測(cè)量法，該方法需借助測(cè)距工具如卡尺等完成，由于接點(diǎn)座結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整套操作流程費(fèi)時(shí)費(fèi)力。測(cè)量時(shí)需要開啟轉(zhuǎn)轍機(jī)機(jī)蓋，全套流程需在鐵路施工天窗內(nèi)完成^[3]，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，無(wú)法在列車運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行，更談不上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因此，為了確保接點(diǎn)深度性能要求，研發(fā)專用，實(shí)時(shí)，準(zhǔn)確的測(cè)量系統(tǒng)是當(dāng)前亟需解決的問(wèn)題。

當(dāng)前，伴隨著互聯(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(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供新的技術(shù)支持及保障，本系統(tǒng)充分利用STM32L071CBT6 微處理器和遠(yuǎn)傳終端的休眠喚醒技術(shù)，大大降低了系統(tǒng)的整體功耗。且整套系統(tǒng)無(wú)需串入轉(zhuǎn)轍機(jī)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(xiàn)了數(shù)據(jù)采集至數(shù)據(jù)庫(kù)傳輸、存儲(chǔ)及回放功能，同時(shí)配備有故障狀態(tài)下的實(shí)時(shí)報(bào)警功能，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除故障。

1 系統(tǒng)基本構(gòu)成

系統(tǒng)安全可靠是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)首要條件，本系統(tǒng)采用成熟的元器件及技術(shù)，以保障系統(tǒng)穩(wěn)定可靠及運(yùn)行安全。近些年隨著信息化的不斷推進(jìn)，傳感器采集終端、連接技術(shù)及數(shù)據(jù)平臺(tái)的不斷發(fā)展，為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展注入了強(qiáng)有力的動(dòng)力^[4]。本系統(tǒng)包含3 層次，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1）數(shù)據(jù)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(chǔ)模塊。主控完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理，分裝后通過(guò)SIM800 模塊發(fā)布。選擇Keil5 作為開發(fā)環(huán)境完成對(duì)系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)，借助C 編程語(yǔ)言對(duì)完成采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試，通過(guò)配置I/O 完成各子單元的驅(qū)動(dòng)及模塊間通訊功能。

2）數(shù)據(jù)傳輸層。智能網(wǎng)關(guān)接收到數(shù)據(jù)采集層數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，通過(guò)公網(wǎng)基站以無(wú)線通訊方式傳輸?shù)綌?shù)據(jù)應(yīng)用層。模塊與應(yīng)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(shù)據(jù)應(yīng)用層。在本系統(tǒng)中，使用云服務(wù)器作為系統(tǒng)服務(wù)端。與傳統(tǒng)物理服務(wù)器相比，具有資費(fèi)低、穩(wěn)定、性能高，更新設(shè)備或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移時(shí)更靈活等優(yōu)勢(shì)。本系統(tǒng)采用VSCODE 開發(fā)后來(lái)數(shù)據(jù)管理、操作界面。

本方案設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)傳輸協(xié)議及穩(wěn)定的云服務(wù)器。在分析完成各模塊功能的基礎(chǔ)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(shù)據(jù)庫(kù)的有效過(guò)來(lái)及人性化的UI 界面，完成了人性化的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)硬件配置

系統(tǒng)主控芯片選擇STM32L071CBT6，相比傳統(tǒng)STM32F 系列，STM32L 系列具有兩種新的模式：低功耗運(yùn)行和低功耗睡眠模式，該芯片采用32 位ARM 內(nèi)核，主頻高達(dá)可達(dá)72 MHz，集成定時(shí)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、外觸發(fā)接口^[5]。良好的系統(tǒng)配置可有效降低外部電路硬件設(shè)計(jì)的難度，提升系統(tǒng)可靠性。系統(tǒng)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(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊。

由于系統(tǒng)采用3.6 V 鋰電池供電，設(shè)備功耗將直接影響到設(shè)備的可用性，本系統(tǒng)通過(guò)硬件電路設(shè)計(jì)通過(guò)I/O 輸出控制外部模塊的供電電源接口達(dá)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(shè)計(jì)過(guò)程中，主控芯片的低功耗僅為低功耗系統(tǒng)開發(fā)的一部分，外圍器件功耗同樣起至關(guān)重要作用。該系統(tǒng)供電來(lái)自于內(nèi)置3.6 V 鋰電池，其擔(dān)負(fù)著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(jié)構(gòu)、電壓型 PFM控制模式的DC-DC 轉(zhuǎn)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(dá)到最優(yōu)的功耗狀態(tài)。結(jié)合系統(tǒng)軟件控制，系統(tǒng)充分挖掘STM32 處理器的待機(jī)休眠模式，待機(jī)時(shí)主控1.8 V 供電區(qū)，內(nèi)部及外部時(shí)鐘關(guān)閉，系統(tǒng)內(nèi)部電壓檢測(cè)器進(jìn)入低功耗模式，在無(wú)道岔轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換動(dòng)作時(shí)通過(guò)合理管理電源系統(tǒng)降低工作周期功耗，待監(jiān)測(cè)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(tǒng)待機(jī)功耗降低至微安級(jí)。

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(duì)角度位置傳感器，該傳感器內(nèi)部集成四個(gè)單獨(dú)的GMR 元件組成惠斯通電橋，有效消除溫度效應(yīng)。通過(guò)徑向鐵釹硼強(qiáng)磁模塊，感應(yīng)出接點(diǎn)座動(dòng)接點(diǎn)座轉(zhuǎn)角量，再通過(guò)接點(diǎn)轉(zhuǎn)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(shù)值實(shí)時(shí)存入系統(tǒng)外置AT24C256 EEPROM存儲(chǔ)器，主控器同時(shí)進(jìn)入深度判別環(huán)節(jié)，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果做出相應(yīng)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型控制接發(fā)數(shù)據(jù)模式，發(fā)送狀態(tài)下采用推挽輸出，收數(shù)時(shí)為開漏輸出，完成數(shù)據(jù)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(zhuǎn)轍機(jī)電流采集感應(yīng)器和信號(hào)處理電路組成，感應(yīng)器采用開合式電流互感器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(guī)定只有當(dāng)觸發(fā)管腳接收到峰值高于2 V 的脈沖時(shí)，系統(tǒng)才能從休眠模式中喚醒，且不接受負(fù)脈沖，因此該互感器輸出的交流電壓信號(hào)不能夠直接作為喚醒信號(hào)使用，本電路采用通過(guò)REF193 穩(wěn)壓芯片喚醒管腳構(gòu)建外圍喚醒電路，如圖4 所示。并結(jié)合轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)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(tǒng)看門狗，在滿足觸發(fā)的同時(shí)有效避免道岔轉(zhuǎn)換過(guò)程中的連續(xù)誤觸發(fā)。

圖3 電流互感器

2.4 數(shù)據(jù)發(fā)射模塊

本系統(tǒng)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?jìng)髂Ｊ?，完成接點(diǎn)位移數(shù)據(jù)至服務(wù)器的傳輸任務(wù)。在設(shè)計(jì)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(dá)2 A 的峰值電流需求^[7]，對(duì)于有源供電方案該性能很容易滿足，但對(duì)于電池供電系統(tǒng)而言，該待機(jī)功耗過(guò)大，峰值電流過(guò)高。因此需設(shè)計(jì)一套專注的電源管理電路。通過(guò)充分比較各芯片性能，最終本方案中選用TPS63020 器件，該原件能滿足系統(tǒng)輸出能力強(qiáng)，自身消耗小的性能需求，是專用便攜式電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓芯片。其輸入電壓范圍為1.8 V~5.5 V，克服了隨著監(jiān)測(cè)設(shè)備電池供電時(shí)間長(zhǎng)，電壓降低無(wú)法放電的現(xiàn)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，峰值電流滿足2 A 輸出要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用 Keil 軟件編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍模塊的控制及初始化配置，并將數(shù)據(jù)寫入AT24C128 EEPROM存儲(chǔ)，通過(guò) SIM800 無(wú)傳輸模塊建立與云平臺(tái)之間的聯(lián)系。實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下，當(dāng)外部傳感器檢測(cè)到轉(zhuǎn)轍機(jī)啟動(dòng)的脈沖信號(hào)后監(jiān)測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)并立即進(jìn)入工作狀態(tài)，待工作周期完成后對(duì)接點(diǎn)深度進(jìn)行判斷，做出相應(yīng)處理。滿足要求時(shí)系統(tǒng)立即進(jìn)入休眠狀態(tài)以降低功耗，不滿足時(shí)將觸發(fā)無(wú)線傳輸模塊，發(fā)出報(bào)警信息的同時(shí)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋至監(jiān)控服務(wù)器后進(jìn)入休眠狀態(tài)，此外系統(tǒng)還具備自動(dòng)數(shù)據(jù)回收功能，可通過(guò)上位機(jī)設(shè)置數(shù)據(jù)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(tǒng)利用vscode 開發(fā)完成數(shù)據(jù)管理客戶端設(shè)計(jì)，采集終端與服務(wù)器間采用TCP 通信協(xié)議上傳數(shù)據(jù)。服務(wù)器管理人員通過(guò)管理賬戶進(jìn)入應(yīng)用界面，可以隨時(shí)隨地查閱運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，繪制歷史數(shù)據(jù)曲線，提升了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)應(yīng)用層界面包含登錄和應(yīng)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(rèn)后進(jìn)入應(yīng)用界面，通過(guò)配置的菜單欄，可快速選擇數(shù)據(jù)調(diào)用及處理功能，如圖8所示。

圖8 服務(wù)器終端應(yīng)用界面

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(cè)設(shè)備號(hào)，備注設(shè)備地點(diǎn)信息，檢查此時(shí)的連接狀態(tài)。由于系統(tǒng)核心主要在于系統(tǒng)整體功耗，因此對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了功耗測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1 所示。經(jīng)測(cè)試系統(tǒng)平均功耗為：待機(jī)功耗80 μA。轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作時(shí)采集電路工作電流為1.5 mA，SIM800C 傳輸時(shí)長(zhǎng)7 s，周期功耗41.3 mA，峰值電流2 A。在系統(tǒng)配備3.6 V，1 800 mAh 的ER18505 鋰電池狀態(tài)下，ZD9 轉(zhuǎn)轍機(jī)為例按每天轉(zhuǎn)換200 次，數(shù)據(jù)每天傳輸一次的頻率計(jì)算滿足1 年的免維護(hù)要求，本系統(tǒng)在鐵科環(huán)線軌道2022 年11月應(yīng)用至今，每周三凌晨能及時(shí)完成當(dāng)周接點(diǎn)位移數(shù)據(jù)上報(bào)，證明設(shè)備自身具有良好的可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)完成一款以STM32 為主控，SIM800 為發(fā)射模塊的接點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，完成采集層、傳輸層及應(yīng)用層件設(shè)計(jì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試該系統(tǒng)功耗低、運(yùn)行平穩(wěn)，滿足全天候運(yùn)行需求，能方便快捷地傳輸數(shù)據(jù)及報(bào)警信息，通過(guò)歷史數(shù)據(jù)回放功能，能有效預(yù)測(cè)接點(diǎn)故障信息。實(shí)驗(yàn)表明該監(jiān)測(cè)試系統(tǒng)能有效彌補(bǔ)了目前接點(diǎn)深度的方法的操作過(guò)程復(fù)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）