基于 MEMS 技術的智能感知節(jié)點單元設計

引 言

近年來，綜合化航空電子系統(tǒng)得到了長足發(fā)展，異構平臺分布式系統(tǒng)得到了廣泛應用，打破了系統(tǒng)邊界，在傳感器、網(wǎng)絡結構和數(shù)據(jù)處理方面進行深度融合。異構平臺分布式系統(tǒng)主要由遠程數(shù)據(jù)采集器 RDC、核心處理機組網(wǎng)構成，而智能感知節(jié)點單元作為遠程數(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，提升信號傳輸質(zhì)量。

綜合化的系統(tǒng)架構必然要求智能感知節(jié)點單元體積和重量更小，集成度更高，且應具有數(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、響應時間短 [1]。MEMS 技術的以上特點使其特別適用于智能感知節(jié)點單元。

1 整體設計框架

按照綜合化系統(tǒng)框架，每個接口區(qū)小系統(tǒng)由兩個雙余度的 RDC 和若干個智能采集終端組成，共同完成系統(tǒng)的采集和解算任務，為核心處理區(qū)提供飛機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)局部計算資源和控制中心，并通過局部總線構成以 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。整個接口區(qū)的解算和智能管理軟件駐留在 RDC 當中，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)對機電系統(tǒng)要求的控制工作。

每個智能感知節(jié)點采集局部的溫度、濕度和大氣壓力等信息，在智能傳感器端根據(jù) RDC 設置的參數(shù)進行底層數(shù)據(jù)預處理和濾波。智能感知節(jié)點本身不考慮余度設計，需要在搭建接口區(qū)網(wǎng)絡時在關鍵節(jié)點設置多個智能感知節(jié)點以提高局部的可靠性。智能感知節(jié)點將收集的數(shù)據(jù)經(jīng)提高精度運算后通過局部總線（接口區(qū)網(wǎng)絡）上報 RDC，由 RDC 對感知目標多個位置的多個狀態(tài)做進一步的數(shù)據(jù)融合，從而對感知目標進行 PHM 分析。

2 智能感知節(jié)點單元硬件設計

每個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、熱電偶（K分度 0 ～50mV）輸入信號和 0～3000Hz 頻率輸入信號的采集功能 ；

(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、熱電偶（K 分度 0 ～ 50 mV）輸入信號和 0 ～ 3 000 Hz 頻率輸入信號的采集、局部總線、RS 422 總線均采用通用技術實現(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 集成芯片實現(xiàn)。

2.1 溫度信息采集

溫度型 MEMS 傳感器主要性能指標如下 ：

（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 位最大轉換時間為 150 ms。

MEMS 傳感器由于內(nèi)部集成度高，且集成有 A/D 轉換芯片，因此可直接將 A/D 轉換結果通過 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 預置高電平。A0，A1，A2 為地址位，可通過上下拉實現(xiàn)芯片擴展，最多可通過 1 對 I2C 總線控制 8 個 I2C 從站，現(xiàn)只接 1 個 I2C 從站，A0，A1，A2 全部下拉。O.S./INT 為報警輸出管腳。I2C 主站寫入該傳感器溫度寄存器中的報警值和報警容限次數(shù)，當采集值連續(xù)超過報警容限次數(shù)時，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如下 ：

（1）測量范圍為 260 ～ 1 260 mbar ；

（2）最高測量分辨率可達 0.020 mbar ；

（3）高過壓承受能力，最大可達 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 引腳是兩個中斷輸出管腳。通過 SPI 對內(nèi)部寄存器的值進行預設，如INT1 和 INT2 工作模式，可以實現(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。

2.3 濕度信息采集

相對濕度型 MEMS 傳感器主要性能指標如下 ：

（1）測量精度 ±1.5% RH；

（2）可重復性 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 芯片的工作模式進行配置，實時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如下 ：

（1）三軸方向最大測量范圍為 ±16g ；

（2）具有兩個可編程中斷信號輸出引腳 ；

（3）超低功耗，不超過 30 μA；

（4）內(nèi)嵌溫度補償功能 ；

（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)點單元軟件設計

智能感知節(jié)點單元軟件為 RDC 軟件的執(zhí)行提供數(shù)據(jù)支持和輸出執(zhí)行響應，通過局部數(shù)據(jù)總線完成數(shù)據(jù)上傳和下行， 主要包括底層設備驅(qū)動，BIT 及故障處理，通信管理和用于演示驗證的人機界面等。

3.1 底層設備驅(qū)動

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

由于各模塊之間需要通過局部總線進行信息交互，故各模塊均為智能模塊，需要有相應的驅(qū)動程序支持。

3.2 BIT 及故障處理

智能感知節(jié)點單元的 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行硬件自測試。上電 BIT 盡可能測試更多的硬件部件。

進入正常工作模式后，利用應用任務間的空閑時間對硬件進行測試。采用系統(tǒng)工作狀態(tài)非破壞測試算法，受周期時間限制 ；當 BIT 報故障時，上報信息在 RDC 的存儲器上進行故障信息儲存，并隔離處理故障。

3.3 通信管理

智能感知節(jié)點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RS 422 數(shù)據(jù)校驗連續(xù)一段時間未通過時，通過局部總線上報數(shù)據(jù)故障。局部總線會進行總線故障判定，若局部總線存在通信故障，則通過 RS 422 上報。

3.4 人機界面

為對 UIN 的功能進行演示驗證，對傳感器采集數(shù)據(jù)進行直觀顯示，特設計人機界面。接收局部總線轉 USB 端口或者 RS 422 端口傳來的數(shù)據(jù)，并實時顯示 [2-4]。

4 結 語

通過基于 MEMS 芯片和高集成度芯片技術，實現(xiàn)了超小體積、超低功耗的智能感知節(jié)點單元的設計。最終實現(xiàn)的智能感知節(jié)點單元體積僅為 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，進一步實現(xiàn)了信號近端采集，解決了 RDC 區(qū)域集中采集和部分信號要求近端采集的矛盾，完善了分布式航電系統(tǒng)架構。