基于STM32的轉(zhuǎn)轍機接點深度低功耗監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計*

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

轉(zhuǎn)轍機是完成道岔轉(zhuǎn)換的重要設(shè)備，也是信號系統(tǒng)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(tǒng)中的基本電路，無論是啟動電路還是表示電路均需要通過轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部接點系統(tǒng)通斷關(guān)系來實現(xiàn)。因此，轉(zhuǎn)轍機接點系統(tǒng)的可靠性直接影響到鐵路的運輸安全及行車效率。我國TB/T 3113—2015 中對轉(zhuǎn)轍機動接點柱打入靜接點環(huán)的深度規(guī)定為不低于4 mm^[1]，只有當(dāng)轉(zhuǎn)轍機動接點打入靜接點合理的深度情況下才能保證控制線路的通斷關(guān)系^[2]。目前測量接點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，由于接點座結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整套操作流程費時費力。測量時需要開啟轉(zhuǎn)轍機機蓋，全套流程需在鐵路施工天窗內(nèi)完成^[3]，費時費力，無法在列車運行狀態(tài)下進行，更談不上實時監(jiān)測。因此，為了確保接點深度性能要求，研發(fā)專用，實時，準(zhǔn)確的測量系統(tǒng)是當(dāng)前亟需解決的問題。

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)無需串入轉(zhuǎn)轍機接點電路，在不改變既有電路完整性，不影響既有聯(lián)鎖電路的情況下實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集至數(shù)據(jù)庫傳輸、存儲及回放功能，同時配備有故障狀態(tài)下的實時報警功能，有利于及時發(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)定可靠及運行安全。近些年隨著信息化的不斷推進，傳感器采集終端、連接技術(shù)及數(shù)據(jù)平臺的不斷發(fā)展，為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展注入了強有力的動力^[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(shù)據(jù)的處理，分裝后通過SIM800 模塊發(fā)布。選擇Keil5 作為開發(fā)環(huán)境完成對系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計，借助C 編程語言對完成采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計調(diào)試，通過配置I/O 完成各子單元的驅(qū)動及模塊間通訊功能。

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，進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，通過公網(wǎng)基站以無線通訊方式傳輸?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，具有資費低、穩(wěn)定、性能高，更新設(shè)備或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移時更靈活等優(yōu)勢。本系統(tǒng)采用VSCODE 開發(fā)后來數(shù)據(jù)管理、操作界面。

本方案設(shè)計時采用成熟的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，通過外部連接電路的合理配置，有效控制各模塊的實際功耗，解決了電流互感器作為觸發(fā)傳感器時無法觸發(fā)及誤觸發(fā)問題。并通過數(shù)據(jù)庫的有效過來及人性化的UI 界面，完成了人性化的人機交互界面設(shè)計。

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：低功耗運行和低功耗睡眠模式，該芯片采用32 位ARM 內(nèi)核，主頻高達可達72 MHz，集成定時器、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，接點深度模塊，外部觸發(fā)模塊，EEPROM 存儲模塊和數(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)通過硬件電路設(shè)計通過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(shè)計過程中，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，在無需傳輸時，關(guān)閉模塊供電接口，以達到最優(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 處理器的待機休眠模式，待機時主控1.8 V 供電區(qū)，內(nèi)部及外部時鐘關(guān)閉，系統(tǒng)內(nèi)部電壓檢測器進入低功耗模式，在無道岔轉(zhuǎn)換發(fā)生時，主控及外置模塊均處于休眠狀態(tài)，在有道岔轉(zhuǎn)換動作時通過合理管理電源系統(tǒng)降低工作周期功耗，待監(jiān)測完成后重新進入休眠狀態(tài)。通過借助于這種特殊的電源管理及控制邏輯將系統(tǒng)待機功耗降低至微安級。

2.2 接點深度模塊

接點深度采用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(nèi)部集成四個單獨的GMR 元件組成惠斯通電橋，有效消除溫度效應(yīng)。通過徑向鐵釹硼強磁模塊，感應(yīng)出接點座動接點座轉(zhuǎn)角量，再通過接點轉(zhuǎn)臂產(chǎn)半徑R 獲取動接點柱打入靜接點環(huán)的深度，該數(shù)值實時存入系統(tǒng)外置AT24C256 EEPROM存儲器，主控器同時進入深度判別環(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)時為開漏輸出，完成數(shù)據(jù)雙向通信。

圖2 接點深度傳感器

2.3 外部觸發(fā)模塊

外部觸發(fā)模塊由轉(zhuǎn)轍機電流采集感應(yīng)器和信號處理電路組成，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，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不能夠直接作為喚醒信號使用，本電路采用通過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)轍機轉(zhuǎn)換道岔時的動作時間通過軟件配置STM32 時鐘定時器TM1 的中斷及系統(tǒng)看門狗，在滿足觸發(fā)的同時有效避免道岔轉(zhuǎn)換過程中的連續(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 后進入網(wǎng)絡(luò)透傳模式，完成接點位移數(shù)據(jù)至服務(wù)器的傳輸任務(wù)。在設(shè)計發(fā)射模塊電路時，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足，但對于電池供電系統(tǒng)而言，該待機功耗過大，峰值電流過高。因此需設(shè)計一套專注的電源管理電路。通過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，自身消耗小的性能需求，是專用便攜式電子產(chǎn)品設(shè)計的穩(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)測設(shè)備電池供電時間長，電壓降低無法放電的現(xiàn)象，如圖5 所示，通過主控芯片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

本系統(tǒng)采用 Keil 軟件編程，實現(xiàn)對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，通過 SIM800 無傳輸模塊建立與云平臺之間的聯(lián)系。實現(xiàn)過程如下，當(dāng)外部傳感器檢測到轉(zhuǎn)轍機啟動的脈沖信號后監(jiān)測系統(tǒng)啟動并立即進入工作狀態(tài)，待工作周期完成后對接點深度進行判斷，做出相應(yīng)處理。滿足要求時系統(tǒng)立即進入休眠狀態(tài)以降低功耗，不滿足時將觸發(fā)無線傳輸模塊，發(fā)出報警信息的同時將數(shù)據(jù)實時反饋至監(jiān)控服務(wù)器后進入休眠狀態(tài)，此外系統(tǒng)還具備自動數(shù)據(jù)回收功能，可通過上位機設(shè)置數(shù)據(jù)定時回傳時間，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，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)器管理人員通過管理賬戶進入應(yīng)用界面，可以隨時隨地查閱運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，繪制歷史數(shù)據(jù)曲線，提升了系統(tǒng)的實時性，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，需要進行登錄身份確定，確認(rèn)后進入應(yīng)用界面，通過配置的菜單欄，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 實驗結(jié)果

將硬件終端接上供電電源，第一次啟動后其與服務(wù)器建立連接，注冊設(shè)備號，備注設(shè)備地點信息，檢查此時的連接狀態(tài)。由于系統(tǒng)核心主要在于系統(tǒng)整體功耗，因此對系統(tǒng)進行了功耗測試，測試結(jié)果如表1 所示。經(jīng)測試系統(tǒng)平均功耗為：待機功耗80 μA。轉(zhuǎn)轍機動作時采集電路工作電流為1.5 mA，SIM800C 傳輸時長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)轍機為例按每天轉(zhuǎn)換200 次，數(shù)據(jù)每天傳輸一次的頻率計算滿足1 年的免維護要求，本系統(tǒng)在鐵科環(huán)線軌道2022 年11月應(yīng)用至今，每周三凌晨能及時完成當(dāng)周接點位移數(shù)據(jù)上報，證明設(shè)備自身具有良好的可靠性。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計完成一款以STM32 為主控，SIM800 為發(fā)射模塊的接點位移監(jiān)測控制系統(tǒng)，完成采集層、傳輸層及應(yīng)用層件設(shè)計。通過實驗測試該系統(tǒng)功耗低、運行平穩(wěn)，滿足全天候運行需求，能方便快捷地傳輸數(shù)據(jù)及報警信息，通過歷史數(shù)據(jù)回放功能，能有效預(yù)測接點故障信息。實驗表明該監(jiān)測試系統(tǒng)能有效彌補了目前接點深度的方法的操作過程復(fù)雜、實時性差、成本高等缺陷。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年6月期）