高温磁悬浮车辆状态检测系统设计

朱明隆　陈建政

摘 要：以高温磁悬浮车辆的各物理状态为研究对象，设计了一套嵌入式车辆状态检测系统。该系统将传感器、信号调理模块、嵌入式数据监测和计算机系统集成为车上和车下两个部分，在不影响车辆运行状态的前提下，对车辆的运行状态进行实时监测。分析了检测系统的特点，介绍了其设计原理和思路，给出了采集系统框架图，详细阐述了各模块的功能实现流程。结果表明，该采集系统具有成本低、准确度高、功耗小等特点，较好的解决了数据采集系统实时性和准确性的问题。

关键词：磁悬浮车辆；状态检测；嵌入式系统

引言

随着社会的发展和城市人口的激增，尾气排放和交通拥挤等日益严重，成为阻碍社会发展的重要因素之一。事实证明，解决这一问题最有效的措施就是完善城市轨道交通系统。高速、环保、舒适的磁悬浮车辆是未来理想的交通工具。磁悬浮技术因其无接触的特点，可以有效避免物体之间的摩擦和磨损，延长设备的使用寿命，改善设备的运行条件，在交通领域有广阔的应用前景[1-3]。将高温超导技术融入磁悬浮车辆可以进一步降低维护费用，进一步推动磁悬浮技术的普及。

目前日本的中低速磁悬浮车技术已经成熟，但是超导临界温度仍然较低，维护费用昂贵。而国内的高温超导磁悬浮技术还处于技术攻关阶段，随着相关设计验证实验的展开，需要大量实验数据来帮助优化车辆结构设计。而随着车辆运行速度的提升，更需要开展实时检测以便判断列车状态。因此本文设计了一种高温磁悬浮车辆动态检测系统，该系统可以对车辆各运行参数在线实时检测和分析，无线数据传输技术的使用更提高了整个系统的便携性。

1 检测系统特点及技术要求

高温磁悬浮车辆状态检测系统采用分布式结构，如图1所示。数据检测系统及计算平台实现各物理状态信号采集和计算。整个网络通过Wi-Fi实现相互通信，计算平台的人机交互界面可以动态显示分析车辆的运行状态，并可对整个实验台的参数进行调整。

车辆状态检测是一个持续过程，车辆在实验台上运行的过程中，特别是线路曲率发生变化时，其运行速度、悬浮高度和车身平稳性都有较明显的变化。因此这些时间节点是监测重点。根据研究背景和技术要求，监测设备要求小型化、低功耗，具备无线传输功能。因此检测系统的设计要点为：

（1）多信号处理技术。检测系统采集量包括：反射式激光、对射式光电、力、速度、温度、加速度和角加速度信号，其中激光传感器输出数字信号，光电、力、速度、温度、加速度和角加速度传感器输出是模拟信号，所以需要实现多种信号的调理。

（2）多变量同步采集。国内对列车舒适度和动力学性能的评估算法主要根据GB5599-85。如果各个物理量不具有良好的实时性，将会使车辆运行状态的计算结果出现较大偏差，失去可信度。

（3）高速无线传输技术。系统需要在较高采样频率下采物理多种量，系统需要具备高速无线传输功能来实现对车辆状态的实时监控。

（4）低功耗。便携式车辆状态检测系统由锂电池供电，为了能提高有效工作时间需要对设备进行低功耗的设计。

（5）嵌入式软硬件技术。为了提高系统的实时性需要对数据做多线程并行处理。

2 检测系统结构设计方案

为了满足各项指标，整个检测系统由车上的嵌入式数据采集系统和上位机计算平台两部分组成。下位机的嵌入式系统采集各传感器数据并做实时处理，存储原始数据并通过Wi-Fi网络传输到上位控制终端，实验人员可以通过人机交互界面对实验台控制器做出调整，模拟各类工况。整个系统结构如图2所示。

2.1 核心处理器

此次设计的核心处理器采用STM32F103芯片，该芯片采用高性能、低成本、低功耗的Cortex-M3内核，采用3.3V直流供电，具有32位芯片的处理速度和性能，最高处理速度可达72MHz。系统通过合理利用片内的各种功能，大大降低了外围电路的复杂性和系统成本，系统采用8M晶振来提供系统时钟，通过J-LINK调试接口在线对系统进行调试。它还集成了RTC时钟的日历功能，有效满足系统设计的需要。

2.2 DC-DC电源模块

本系统采用12V锂电池串联作为电源，通过LM 7805、AMS1117将单一电源转化为5V和3.3V，从而对各传感器、核心处理器和各外设芯片供电。具体实现电路如图3所示。

2.3 传感器信号处理

为了对车辆的整体状态进行监控，需要在车体上布置多种不同类型的传感器，而这些传感器的输出信号各有不同。对于输出是数字信号的传感器，由于主控芯片支持SPI、I2C等总线，可以直接与主控芯片相连。但是对于输出模拟信号的传感器，在其后端需要使用模拟-数字转换芯片来做数字化处理。本次设计的转换芯片采用ADI公司的AD7606，由于数字部分的供电都采用5V的形式，所以AD7606的输入端的要求为0-5V电压信号。为了统一传感器的输出信号，所以需要对传感器的信号进行处理。具体处理方法如表1所示。

表1 传感器信号处理方法

3 嵌入式采集系统软件设计

为了监控车辆整体状态，需要在较高采集频率下对多类传感器实现同步采集。采集到的数据应实时传输给计算平台进行处理，为了满足同步采集和高速数据传输的要求，系统采用ARM Cortex-M3核心处理器STM32F103上嵌入实时操作系统RT-Thread作为数据采集系统的核心。

RT-Thread作为一款开源操作系统，支持LWIP轻型TCP/IP协议栈，还具有多线程实时处理功能。STM32和RT-Thread的系统架构可以提高MCU的使用效率，从而有效的解决采集变量高度同步的问题[4-5]。本次设计采用RealView MDK开发套件为平台，此套件源自于德国Keil公司，是ARM公司目前最新推出的嵌入式软件开发工具，其程序结构流程图如图4所示。

4 数据处理软件设计

上位控制机通过Wi-Fi与检测系统相连，监控车辆实时运动状态。人机交互界面可以动态显示车辆运行状态并做离线数据分析。在实验中，上位控制机还能调整实验台设备来模拟各种不同的工况。

上位机人机交互界面如图5所示。

5 结束语

基于STM32F103的高温磁悬浮车辆状态检测系统通过对各类传感器信号调理，实现了对传感器数据的自动采集、存储和发送。与传统检测系统相比，此次设计降低了成本和功耗，提高了数据采集的实时性和准确性。此设计对今后高温磁悬浮技术的研究和车辆性能的提升做出了积极的贡献。

参考文献

[1]周庆瑞，金锋.新兴城市轨道交通[M].中国铁道出版社，2005.

[2]邓小星.中低速磁浮车辆动力学性能研究[D].西南交通大学，2007.

[3]CUCUZ S.Evaluation of ride comfort[J].International Journal of Vehicle Design，1994，15（3）：318-325.

[4]朱传宏，张丽全.嵌入式实时操作系统RT-Thread在SEP4020上的移植[J].计算机与数字工程，2010（11）.

[5]邓霏，陈建政，李文宝.便携式广义舒适度检测系统设计[J].2012，32（11）：3225-3227，3231.