基于MEMS技術的智能感知節點單元設計

任曉琨 荊立雄

摘 要：文中介紹了一種面向綜合化航空電子系統的智能感知節點單元的設計。智能感知節點單元體積極小，重量極輕，可以安裝到機上空間狹小的區域。同時智能感知節點單元縮小了與機上傳感器間的距離，減輕了線纜重量，減少了傳輸路徑上的耦合干擾，提升了信號傳輸質量。智能感知節點單元具備一定的數據快速處理能力，可將二次處理數據通過總線上報至分布式采集單元RDC，減輕RDC的數據運算負擔。同時智能感知節點單元可以接收RDC指令，進行局部傳感器激勵信號的輸出控制。

關鍵詞：智能感知節點單元;RDC;綜合化航空電子設備;傳感器互聯;耦合干擾;數據處理

中圖分類號：TP23文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）04-00-03

0 引 言

近年來，綜合化航空電子系統得到了長足發展，異構平臺分布式系統得到了廣泛應用，打破了系統邊界，在傳感器、網絡結構和數據處理方面進行深度融合。異構平臺分布式系統主要由遠程數據采集器RDC、核心處理機組網構成，而智能感知節點單元作為遠程數據采集器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，提升信號傳輸質量。

綜合化的系統架構必然要求智能感知節點單元體積和重量更小，集成度更高，且應具有數據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點單元。

1 整體設計框架

按照綜合化系統框架，每個接口區小系統由兩個雙余度的RDC和若干個智能采集終端組成，共同完成系統的采集和解算任務，為核心處理區提供飛機各部件的信息和健康狀態信息。根據接口區的總體需求，以雙余度RDC作為接口區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據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提供局部接口區的完整信息，并完成核心處理區對機電系統要求的控制工作。

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

2 智能感知節點單元硬件設計

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0～10 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，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。

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）測量數據分辨率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，可通過上下拉實現芯片擴展，最多可通過1對I2C總線控制8個I2C從站，現只接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，當采集值連續超過報警容限次數時，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）具有內嵌溫度補償功能;

（6）內嵌24位ADC;

（7）數據輸出率可選：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。采集的數據通過4線制SPI接口傳輸數據給處理器芯片。第9引腳和第11引腳是兩個中斷輸出管腳。通過SPI對內部寄存器的值進行預設，如INT1和INT2工作模式，可以實現壓力過高輸出、壓力過低輸出或數據采集完成的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。

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）內嵌溫度補償功能;

（5）內置16位A/D;

（6）數據輸出率可選：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 智能感知節點單元軟件設計

智能感知節點單元軟件為RDC軟件的執行提供數據支持和輸出執行響應，通過局部數據總線完成數據上傳和下行，主要包括底層設備驅動，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 底層設備驅動

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

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，需要有相應的驅動程序支持。

3.2 BIT及故障處理

智能感知節點單元的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。采用系統工作狀態非破壞測試算法，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

智能感知節點單元主要完成局部總線、RS 422總線通信數據的接收、發送處理、數據解析、打包及有效檢測等。當RS 422數據校驗連續一段時間未通過時，通過局部總線上報數據故障。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，對傳感器采集數據進行直觀顯示，特設計人機界面。接收局部總線轉USB端口或者RS 422端口傳來的數據，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，實現了超小體積、超低功耗的智能感知節點單元的設計。最終實現的智能感知節點單元體積僅為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，進一步實現了信號近端采集，解決了RDC區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架構。

參 考 文 獻

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