论文部分内容阅读
[摘 要]随着我国高速动车组的快速发展以及国际化的大趋势，对列车的安全性、可靠性以及维护成本都提出了前所未有的要求，而传统的有线温度测量系统由于存在诸多不足，导致故障率偏高。本文提出了一种通过收集列车在运行过程中产生的振动能量为温度测量系统供电的方法，并通过无线链路与上位机通讯，在实现原有测温功能的同时省去了配线，避免了由于配线故障导致的系统失效。
[关键词]自供电；温度测量；能量收集；高速动车组
中图分类号：U2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）16-0352-01
近年来，我国高铁事业蓬勃发展，“一带一路”重要战略逐步推进，为我国高铁走出国门打下了坚实的基础。但随着对动车组研究的不断深入，也涌现出了一些问题。比如在列车轴温测量中使用的有线测温系统，从轴端到车体之间的配线由于经常受到砂石撞击，导致保护套破损进而损坏内部电缆，最终导致测温系统失效。另一方面，如果在每个座椅安装温度传感器，配合空调系统精准地控制每片区域的风量，可以在一定程度上提高旅客的舒适度。可如果这些温度传感器均使用有线的方式连接，不但工作量巨大，而且可靠性也难以提高。所以，有必要对无线温度测量系统进行研究，使高速动车组更加智能化，轻量化。
1 总体方案
传统温度测量系统需要一组电源线和一组信号线，使用无线通信的方式可以取代信号线，而电源则需要由具有能量收集功能的自供电模块供给。由于列车在高速运行过程中会产生随机振动，故可以使用BaTiO3压电陶瓷制成的振动发电片作为能量收集器，再通过功率变换电路将不稳定的输入电压转换成稳定的输出电压，并把多余能量存储到储能电容中。使用开尔文连接的PT1000铂电阻构成测温电路，ZigBee无线模块CC2530实现无线通信及控制功能，系统框图如图1。
2 硬件设计
2.1 振动能量收集器
振动能量收集器负责把振动能量转化成电能。动车组在高速运行过程中，轮轴系统的垂向振动频率大约在0～50Hz范围内；车体的垂向振动频率大约在0～2Hz范围内[1]。基于以上分析，选用具有较高压电系数的PZT5压电陶瓷片制成的悬臂梁振动能量收集器，通过实验确定铍青铜弹性体的尺寸以及质量块的重量，将振动收集器的自由振荡频率调节到25Hz左右，可以较好地覆盖动车组的振动频率范围。
2.2 功率变换器
由振动能量收集器输出的电压为交流电，需要使用整流电路转换为直流电，而列车振动的幅度并不稳定，如果仅用简单的整流滤波电路会导致输出电压不稳，因此采用Linear Technology公司的LTC3588-1构成具有稳压功能的功率变换电路。该芯片采用片内低损耗全桥整流电路对输入交流电进行整流，并不断积累于外部电容C1中，通过具有迟滞功能的降压转换器将能量间歇性地从C1传送至储能电容C4，同时利用内部反馈环路将输出电压稳定在设定值3.3V。
2.3 温度测量模拟前端
为了提高精度和实现较宽的测温范围，使用开尔文连接的PT1000铂电阻作为温度传感器，采用恒流驱动方式，并利用AD转换芯片对采集到的电压进行数字化。测温电路的模拟前端主要包括基准电压源、恒流电路和AD转换电路。
基准电压源用来给恒流电路和AD转换电路提供电压基准，使用Linear Technogy公司的超低功耗串联基准LTC6656产生1.25V的基准电压用于AD转换，并通过精密电阻分压产生1V基准电压用于恒流电路。
为了产生精确的电流驱动PT1000，使用TI公司的低功耗零漂移运算放大器TLV333、NPN三极管2N3904以及1k？电流采样电阻构成恒流电路，根据运放的虚短和虚断原理可知流过PT1000的电流为0.1mA，这样在0～200℃范围内PT1000两端电压变化范围约为100mV～176mV。
通过测量PT1000两端的电压，根据欧姆定律可以计算出其电阻，即获得了温度值。使用Linear Technology公司的24位？-？模数转换芯片LTC2484进行电压测量，该芯片独有的Easy Drive技术实现了零输入差分电流，可以直接对高阻抗传感器进行数字化处理而无需输入缓冲器。LTC2484使用1.25V的电压基准，测量差分电压范围为-625mV～625mV，能够对PT1000在整个温度范围内实现数字化。
2.4 无线收发系统
使用TI公司的第二代无线收发系统CC2530用于与上位机的无线通信，该芯片具有兼容ZigBee协议的2.4G无线收发器，可以输出最大4.5dBm的功率，芯片内还集成了一个功能增强的8051内核，利用实时时钟可以实现芯片的自动睡眠/唤醒功能以减小平均功耗，并可以通过SPI接口控制温度测量电路以及数据交换。
3 软件流程
由于利用车辆振动所收集到的能量非常有限，而被测物体通常具有较大的热惯性，故系统采取间歇工作的模式以减小平均功耗。软件的控制流程详见图7。
4 结语
本文针对现有动车组采用的有线温度测量系统存在的不足提出了一种自供电无线测温系统。由于使用了基于振动能量收集的供电方式以及基于ZigBee的无线通信方案，既可以避免因电缆断裂而造成的测温失效，提高列车运行的可靠性，也可以节约导线，降低车辆成本，具有一定的实际意义。
参考文献：
[1] 任尊松，刘志明.高速动车组振动传递及频率分布规律[J].机械工程学报，2013，49（16）：1-7.
[2] 陈志敏，荣训，曹广忠.基于压电能量收集技术的自供电电源设计[J].电子设计工程，2016（10）.
[3] 严长城，应贵平.基于PT100铂热电阻的高精度测温系统的设计[J].机电工程技术，2015（3）：71-74.
[关键词]自供电；温度测量；能量收集；高速动车组
中图分类号：U2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）16-0352-01
近年来，我国高铁事业蓬勃发展，“一带一路”重要战略逐步推进，为我国高铁走出国门打下了坚实的基础。但随着对动车组研究的不断深入，也涌现出了一些问题。比如在列车轴温测量中使用的有线测温系统，从轴端到车体之间的配线由于经常受到砂石撞击，导致保护套破损进而损坏内部电缆，最终导致测温系统失效。另一方面，如果在每个座椅安装温度传感器，配合空调系统精准地控制每片区域的风量，可以在一定程度上提高旅客的舒适度。可如果这些温度传感器均使用有线的方式连接，不但工作量巨大，而且可靠性也难以提高。所以，有必要对无线温度测量系统进行研究，使高速动车组更加智能化，轻量化。
1 总体方案
传统温度测量系统需要一组电源线和一组信号线，使用无线通信的方式可以取代信号线，而电源则需要由具有能量收集功能的自供电模块供给。由于列车在高速运行过程中会产生随机振动，故可以使用BaTiO3压电陶瓷制成的振动发电片作为能量收集器，再通过功率变换电路将不稳定的输入电压转换成稳定的输出电压，并把多余能量存储到储能电容中。使用开尔文连接的PT1000铂电阻构成测温电路，ZigBee无线模块CC2530实现无线通信及控制功能，系统框图如图1。
2 硬件设计
2.1 振动能量收集器
振动能量收集器负责把振动能量转化成电能。动车组在高速运行过程中，轮轴系统的垂向振动频率大约在0～50Hz范围内；车体的垂向振动频率大约在0～2Hz范围内[1]。基于以上分析，选用具有较高压电系数的PZT5压电陶瓷片制成的悬臂梁振动能量收集器，通过实验确定铍青铜弹性体的尺寸以及质量块的重量，将振动收集器的自由振荡频率调节到25Hz左右，可以较好地覆盖动车组的振动频率范围。
2.2 功率变换器
由振动能量收集器输出的电压为交流电，需要使用整流电路转换为直流电，而列车振动的幅度并不稳定，如果仅用简单的整流滤波电路会导致输出电压不稳，因此采用Linear Technology公司的LTC3588-1构成具有稳压功能的功率变换电路。该芯片采用片内低损耗全桥整流电路对输入交流电进行整流，并不断积累于外部电容C1中，通过具有迟滞功能的降压转换器将能量间歇性地从C1传送至储能电容C4，同时利用内部反馈环路将输出电压稳定在设定值3.3V。
2.3 温度测量模拟前端
为了提高精度和实现较宽的测温范围，使用开尔文连接的PT1000铂电阻作为温度传感器，采用恒流驱动方式，并利用AD转换芯片对采集到的电压进行数字化。测温电路的模拟前端主要包括基准电压源、恒流电路和AD转换电路。
基准电压源用来给恒流电路和AD转换电路提供电压基准，使用Linear Technogy公司的超低功耗串联基准LTC6656产生1.25V的基准电压用于AD转换，并通过精密电阻分压产生1V基准电压用于恒流电路。
为了产生精确的电流驱动PT1000，使用TI公司的低功耗零漂移运算放大器TLV333、NPN三极管2N3904以及1k？电流采样电阻构成恒流电路，根据运放的虚短和虚断原理可知流过PT1000的电流为0.1mA，这样在0～200℃范围内PT1000两端电压变化范围约为100mV～176mV。
通过测量PT1000两端的电压，根据欧姆定律可以计算出其电阻，即获得了温度值。使用Linear Technology公司的24位？-？模数转换芯片LTC2484进行电压测量，该芯片独有的Easy Drive技术实现了零输入差分电流，可以直接对高阻抗传感器进行数字化处理而无需输入缓冲器。LTC2484使用1.25V的电压基准，测量差分电压范围为-625mV～625mV，能够对PT1000在整个温度范围内实现数字化。
2.4 无线收发系统
使用TI公司的第二代无线收发系统CC2530用于与上位机的无线通信，该芯片具有兼容ZigBee协议的2.4G无线收发器，可以输出最大4.5dBm的功率，芯片内还集成了一个功能增强的8051内核，利用实时时钟可以实现芯片的自动睡眠/唤醒功能以减小平均功耗，并可以通过SPI接口控制温度测量电路以及数据交换。
3 软件流程
由于利用车辆振动所收集到的能量非常有限，而被测物体通常具有较大的热惯性，故系统采取间歇工作的模式以减小平均功耗。软件的控制流程详见图7。
4 结语
本文针对现有动车组采用的有线温度测量系统存在的不足提出了一种自供电无线测温系统。由于使用了基于振动能量收集的供电方式以及基于ZigBee的无线通信方案，既可以避免因电缆断裂而造成的测温失效，提高列车运行的可靠性，也可以节约导线，降低车辆成本，具有一定的实际意义。
参考文献：
[1] 任尊松，刘志明.高速动车组振动传递及频率分布规律[J].机械工程学报，2013，49（16）：1-7.
[2] 陈志敏，荣训，曹广忠.基于压电能量收集技术的自供电电源设计[J].电子设计工程，2016（10）.
[3] 严长城，应贵平.基于PT100铂热电阻的高精度测温系统的设计[J].机电工程技术，2015（3）：71-74.