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

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(tái)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(tái)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(diǎn)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(hào)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(diǎn)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(shí)間短 [1]。MEMS 技術(shù)的以上特點(diǎn)使其特別適用于智能感知節(jié)點(diǎn)單元。

1 整體設(shè)計(jì)框架

按照綜合化系統(tǒng)框架，每個(gè)接口區(qū)小系統(tǒng)由兩個(gè)雙余度的 RDC 和若干個(gè)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(jì)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(tái)。整個(gè)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(gè)智能感知節(jié)點(diǎn)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(diǎn)本身不考慮余度設(shè)計(jì)，需要在搭建接口區(qū)網(wǎng)絡(luò)時(shí)在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)置多個(gè)智能感知節(jié)點(diǎn)以提高局部的可靠性。智能感知節(jié)點(diǎn)將收集的數(shù)據(jù)經(jīng)提高精度運(yùn)算后通過局部總線（接口區(qū)網(wǎng)絡(luò)）上報(bào) RDC，由 RDC 對感知目標(biāo)多個(gè)位置的多個(gè)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(diǎn)單元硬件設(shè)計(jì)

每個(gè)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 0～10V差分電壓、PT1000電阻輸入信號(hào)、熱電偶（K分度 0 ～50mV）輸入信號(hào)和 0～3000Hz 頻率輸入信號(hào)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(hào)、熱電偶（K 分度 0 ～ 50 mV）輸入信號(hào)和 0 ～ 3 000 Hz 頻率輸入信號(hào)的采集、局部總線、RS 422 總線均采用通用技術(shù)實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)芯片擴(kuò)展，最多可通過 1 對 I2C 總線控制 8 個(gè) I2C 從站，現(xiàn)只接 1 個(gè) I2C 從站，A0，A1，A2 全部下拉。O.S./INT 為報(bào)警輸出管腳。I2C 主站寫入該傳感器溫度寄存器中的報(bào)警值和報(bào)警容限次數(shù)，當(dāng)采集值連續(xù)超過報(bào)警容限次數(shù)時(shí)，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(bǔ)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(gè)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(shí)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(hào)。

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(shí)時(shí)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(gè)可編程中斷信號(hào)輸出引腳 ；

（3）超低功耗，不超過 30 μA；

（4）內(nèi)嵌溫度補(bǔ)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(diǎn)單元軟件設(shè)計(jì)

智能感知節(jié)點(diǎn)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(dòng)，BIT 及故障處理，通信管理和用于演示驗(yàn)證的人機(jī)界面等。

3.1 底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)

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

3.2 BIT 及故障處理

智能感知節(jié)點(diǎn)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(shí)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(shí)間限制 ；當(dāng) BIT 報(bào)故障時(shí)，上報(bào)信息在 RDC 的存儲(chǔ)器上進(jìn)行故障信息儲(chǔ)存，并隔離處理故障。

3.3 通信管理

智能感知節(jié)點(diǎn)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(yàn)連續(xù)一段時(shí)間未通過時(shí)，通過局部總線上報(bào)數(shù)據(jù)故障。局部總線會(huì)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(bào)。

3.4 人機(jī)界面

為對 UIN 的功能進(jìn)行演示驗(yàn)證，對傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀顯示，特設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)了超小體積、超低功耗的智能感知節(jié)點(diǎn)單元的設(shè)計(jì)。最終實(shí)現(xiàn)的智能感知節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)了信號(hào)近端采集，解決了 RDC 區(qū)域集中采集和部分信號(hào)要求近端采集的矛盾，完善了分布式航電系統(tǒng)架構(gòu)。