自供電無線溫度測量系統(tǒng)在高速動車組中的應(yīng)用

劉霄

[摘 要]隨著我國高速動車組的快速發(fā)展以及國際化的大趨勢，對列車的安全性、可靠性以及維護(hù)成本都提出了前所未有的要求，而傳統(tǒng)的有線溫度測量系統(tǒng)由于存在諸多不足，導(dǎo)致故障率偏高。本文提出了一種通過收集列車在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動能量為溫度測量系統(tǒng)供電的方法，并通過無線鏈路與上位機(jī)通訊，在實(shí)現(xiàn)原有測溫功能的同時(shí)省去了配線，避免了由于配線故障導(dǎo)致的系統(tǒng)失效。

[關(guān)鍵詞]自供電；溫度測量；能量收集；高速動車組

中圖分類號：U2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）16-0352-01

近年來，我國高鐵事業(yè)蓬勃發(fā)展，“一帶一路”重要戰(zhàn)略逐步推進(jìn)，為我國高鐵走出國門打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但隨著對動車組研究的不斷深入，也涌現(xiàn)出了一些問題。比如在列車軸溫測量中使用的有線測溫系統(tǒng)，從軸端到車體之間的配線由于經(jīng)常受到砂石撞擊，導(dǎo)致保護(hù)套破損進(jìn)而損壞內(nèi)部電纜，最終導(dǎo)致測溫系統(tǒng)失效。另一方面，如果在每個座椅安裝溫度傳感器，配合空調(diào)系統(tǒng)精準(zhǔn)地控制每片區(qū)域的風(fēng)量，可以在一定程度上提高旅客的舒適度?？扇绻@些溫度傳感器均使用有線的方式連接，不但工作量巨大，而且可靠性也難以提高。所以，有必要對無線溫度測量系統(tǒng)進(jìn)行研究，使高速動車組更加智能化，輕量化。

1 總體方案

傳統(tǒng)溫度測量系統(tǒng)需要一組電源線和一組信號線，使用無線通信的方式可以取代信號線，而電源則需要由具有能量收集功能的自供電模塊供給。由于列車在高速運(yùn)行過程中會產(chǎn)生隨機(jī)振動，故可以使用BaTiO3壓電陶瓷制成的振動發(fā)電片作為能量收集器，再通過功率變換電路將不穩(wěn)定的輸入電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的輸出電壓，并把多余能量存儲到儲能電容中。使用開爾文連接的PT1000鉑電阻構(gòu)成測溫電路，ZigBee無線模塊CC2530實(shí)現(xiàn)無線通信及控制功能，系統(tǒng)框圖如圖1。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 振動能量收集器

振動能量收集器負(fù)責(zé)把振動能量轉(zhuǎn)化成電能。動車組在高速運(yùn)行過程中，輪軸系統(tǒng)的垂向振動頻率大約在0～50Hz范圍內(nèi)；車體的垂向振動頻率大約在0～2Hz范圍內(nèi)[1]?；谝陨戏治?，選用具有較高壓電系數(shù)的PZT5壓電陶瓷片制成的懸臂梁振動能量收集器，通過實(shí)驗(yàn)確定鈹青銅彈性體的尺寸以及質(zhì)量塊的重量，將振動收集器的自由振蕩頻率調(diào)節(jié)到25Hz左右，可以較好地覆蓋動車組的振動頻率范圍。

2.2 功率變換器

由振動能量收集器輸出的電壓為交流電，需要使用整流電路轉(zhuǎn)換為直流電，而列車振動的幅度并不穩(wěn)定，如果僅用簡單的整流濾波電路會導(dǎo)致輸出電壓不穩(wěn)，因此采用Linear Technology公司的LTC3588-1構(gòu)成具有穩(wěn)壓功能的功率變換電路。該芯片采用片內(nèi)低損耗全橋整流電路對輸入交流電進(jìn)行整流，并不斷積累于外部電容C1中，通過具有遲滯功能的降壓轉(zhuǎn)換器將能量間歇性地從C1傳送至儲能電容C4，同時(shí)利用內(nèi)部反饋環(huán)路將輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值3.3V。

2.3 溫度測量模擬前端

為了提高精度和實(shí)現(xiàn)較寬的測溫范圍，使用開爾文連接的PT1000鉑電阻作為溫度傳感器，采用恒流驅(qū)動方式，并利用AD轉(zhuǎn)換芯片對采集到的電壓進(jìn)行數(shù)字化。測溫電路的模擬前端主要包括基準(zhǔn)電壓源、恒流電路和AD轉(zhuǎn)換電路。

基準(zhǔn)電壓源用來給恒流電路和AD轉(zhuǎn)換電路提供電壓基準(zhǔn)，使用Linear Technogy公司的超低功耗串聯(lián)基準(zhǔn)LTC6656產(chǎn)生1.25V的基準(zhǔn)電壓用于AD轉(zhuǎn)換，并通過精密電阻分壓產(chǎn)生1V基準(zhǔn)電壓用于恒流電路。

為了產(chǎn)生精確的電流驅(qū)動PT1000，使用TI公司的低功耗零漂移運(yùn)算放大器TLV333、NPN三極管2N3904以及1k？電流采樣電阻構(gòu)成恒流電路，根據(jù)運(yùn)放的虛短和虛斷原理可知流過PT1000的電流為0.1mA，這樣在0～200℃范圍內(nèi)PT1000兩端電壓變化范圍約為100mV～176mV。

通過測量PT1000兩端的電壓，根據(jù)歐姆定律可以計(jì)算出其電阻，即獲得了溫度值。使用Linear Technology公司的24位？-？模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片LTC2484進(jìn)行電壓測量，該芯片獨(dú)有的Easy Drive技術(shù)實(shí)現(xiàn)了零輸入差分電流，可以直接對高阻抗傳感器進(jìn)行數(shù)字化處理而無需輸入緩沖器。LTC2484使用1.25V的電壓基準(zhǔn)，測量差分電壓范圍為-625mV～625mV，能夠?qū)T1000在整個溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。

2.4 無線收發(fā)系統(tǒng)

使用TI公司的第二代無線收發(fā)系統(tǒng)CC2530用于與上位機(jī)的無線通信，該芯片具有兼容ZigBee協(xié)議的2.4G無線收發(fā)器，可以輸出最大4.5dBm的功率，芯片內(nèi)還集成了一個功能增強(qiáng)的8051內(nèi)核，利用實(shí)時(shí)時(shí)鐘可以實(shí)現(xiàn)芯片的自動睡眠/喚醒功能以減小平均功耗，并可以通過SPI接口控制溫度測量電路以及數(shù)據(jù)交換。

3 軟件流程

由于利用車輛振動所收集到的能量非常有限，而被測物體通常具有較大的熱慣性，故系統(tǒng)采取間歇工作的模式以減小平均功耗。軟件的控制流程詳見圖7。

4 結(jié)語

本文針對現(xiàn)有動車組采用的有線溫度測量系統(tǒng)存在的不足提出了一種自供電無線測溫系統(tǒng)。由于使用了基于振動能量收集的供電方式以及基于ZigBee的無線通信方案，既可以避免因電纜斷裂而造成的測溫失效，提高列車運(yùn)行的可靠性，也可以節(jié)約導(dǎo)線，降低車輛成本，具有一定的實(shí)際意義。

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