基于STM32的转辙机接点深度低功耗监测系统设计*

*基金项目：天津市大学生创新创业训练计划项目，项目编号：202210066090

转辙机是完成道岔转换的重要设备，也是信号系统中的主要控制对象之一。道岔控制电路作为铁路联锁系统中的基本电路，无论是启动电路还是表示电路均需要通过转辙机内部接点系统通断关系来实现。因此，转辙机接点系统的可靠性直接影响到铁路的运输安全及行车效率。我国TB/T 3113—2015 中对转辙机动接点柱打入静接点环的深度规定为不低于4 mm^[1]，只有当转辙机动接点打入静接点合理的深度情况下才能保证控制线路的通断关系^[2]。目前测量接点深度的方法主要采用直接测量法，该方法需借助测距工具如卡尺等完成，由于接点座结构复杂，整套操作流程费时费力。测量时需要开启转辙机机盖，全套流程需在铁路施工天窗内完成^[3]，费时费力，无法在列车运行状态下进行，更谈不上实时监测。因此，为了确保接点深度性能要求，研发专用，实时，准确的测量系统是当前亟需解决的问题。

当前，伴随着互联网和网络技术的逐步完善，低成本、低功耗、广覆盖、大连接的网络技术为监测系统提供新的技术支持及保障，本系统充分利用STM32L071CBT6 微处理器和远传终端的休眠唤醒技术，大大降低了系统的整体功耗。且整套系统无需串入转辙机接点电路，在不改变既有电路完整性，不影响既有联锁电路的情况下实现了数据采集至数据库传输、存储及回放功能，同时配备有故障状态下的实时报警功能，有利于及时发现和排除故障。

1 系统基本构成

系统安全可靠是监测系统首要条件，本系统采用成熟的元器件及技术，以保障系统稳定可靠及运行安全。近些年随着信息化的不断推进，传感器采集终端、连接技术及数据平台的不断发展，为物联网系统的发展注入了强有力的动力^[4]。本系统包含3 层次，如图1 所示。

图1 系统结构框图

1）数据采集层。本层硬件由主控芯片及各控制，采集模块组成。主要包括接点深度传感器，外触发模块，SIM800发射模块及外部存储模块。主控完成对数据的处理，分装后通过SIM800 模块发布。选择Keil5 作为开发环境完成对系统的开发设计，借助C 编程语言对完成采集传输系统设计调试，通过配置I/O 完成各子单元的驱动及模块间通讯功能。

2）数据传输层。智能网关接收到数据采集层数据后，进行数据转换，通过公网基站以无线通讯方式传输到数据应用层。模块与应用层服务器通过TCP协议建立连接，采用MQTT 通讯协议。

3）数据应用层。在本系统中，使用云服务器作为系统服务端。与传统物理服务器相比，具有资费低、稳定、性能高，更新设备或数据转移时更灵活等优势。本系统采用VSCODE 开发后来数据管理、操作界面。

本方案设计时采用成熟的STM32 主控芯片及外置采集传输模块、选用可靠的数据传输协议及稳定的云服务器。在分析完成各模块功能的基础上，通过外部连接电路的合理配置，有效控制各模块的实际功耗，解决了电流互感器作为触发传感器时无法触发及误触发问题。并通过数据库的有效过来及人性化的UI 界面，完成了人性化的人机交互界面设计。

2 系统硬件配置

系统主控芯片选择STM32L071CBT6，相比传统STM32F 系列，STM32L 系列具有两种新的模式：低功耗运行和低功耗睡眠模式，该芯片采用32 位ARM 内核，主频高达可达72 MHz，集成定时器、模数转换器、外触发接口^[5]。良好的系统配置可有效降低外部电路硬件设计的难度，提升系统可靠性。系统外围硬件电路主要包含低功耗电源控制，接点深度模块，外部触发模块，EEPROM 存储模块和数据传输模块。

由于系统采用3.6 V 锂电池供电，设备功耗将直接影响到设备的可用性，本系统通过硬件电路设计通过I/O 输出控制外部模块的供电电源接口达到触发、休眠循环模式降低工作周期的功耗。

2.1 电源控制

在电路硬件设计过程中，主控芯片的低功耗仅为低功耗系统开发的一部分，外围器件功耗同样起至关重要作用。该系统供电来自于内置3.6 V 锂电池，其担负着3.3 V 主控芯片，4.0 V 发射模块等多种外围电路的电压需求。方案中主控采用通用BOOST 结构、电压型 PFM控制模式的DC-DC 转换电路，发射模块采用外部电源管理电路，在无需传输时，关闭模块供电接口，以达到最优的功耗状态。结合系统软件控制，系统充分挖掘STM32 处理器的待机休眠模式，待机时主控1.8 V 供电区，内部及外部时钟关闭，系统内部电压检测器进入低功耗模式，在无道岔转换发生时，主控及外置模块均处于休眠状态，在有道岔转换动作时通过合理管理电源系统降低工作周期功耗，待监测完成后重新进入休眠状态。通过借助于这种特殊的电源管理及控制逻辑将系统待机功耗降低至微安级。

2.2 接点深度模块

接点深度采用GMR 巨磁阻传感器TLE5012B，该传感器为非接触式15 位绝对角度位置传感器，该传感器内部集成四个单独的GMR 元件组成惠斯通电桥，有效消除温度效应。通过径向铁钕硼强磁模块，感应出接点座动接点座转角量，再通过接点转臂产半径R 获取动接点柱打入静接点环的深度，该数值实时存入系统外置AT24C256 EEPROM存储器，主控器同时进入深度判别环节，根据数据分析结果做出相应处理。该模块采用半双工的SPI 通信协议，如图2 所示，通过更改控制主控芯片的管脚的输出类型控制接发数据模式，发送状态下采用推挽输出，收数时为开漏输出，完成数据双向通信。

图2 接点深度传感器

2.3 外部触发模块

外部触发模块由转辙机电流采集感应器和信号处理电路组成，感应器采用开合式电流互感器SCT013-005，如图3 所示。该互感器输出电压为5 A-1 V 输出。而主控芯片STM32 规定只有当触发管脚接收到峰值高于2 V 的脉冲时，系统才能从休眠模式中唤醒，且不接受负脉冲，因此该互感器输出的交流电压信号不能够直接作为唤醒信号使用，本电路采用通过REF193 稳压芯片唤醒管脚构建外围唤醒电路，如图4 所示。并结合转辙机转换道岔时的动作时间通过软件配置STM32 时钟定时器TM1 的中断及系统看门狗，在满足触发的同时有效避免道岔转换过程中的连续误触发。

图3 电流互感器

2.4 数据发射模块

本系统采用sim800C 模块，通过主控芯片的串口输出AT 指令发出控制命令。模块连接成功TCP 后进入网络透传模式，完成接点位移数据至服务器的传输任务。在设计发射模块电路时，SMI800C 低功耗发射模块详情中提到其休眠功耗0.6 mA，且供电电源需要具备在突发模式时提供高达2 A 的峰值电流需求^[7]，对于有源供电方案该性能很容易满足，但对于电池供电系统而言，该待机功耗过大，峰值电流过高。因此需设计一套专注的电源管理电路。通过充分比较各芯片性能，最终本方案中选用TPS63020 器件，该原件能满足系统输出能力强，自身消耗小的性能需求，是专用便携式电子产品设计的稳压芯片。其输入电压范围为1.8 V~5.5 V，克服了随着监测设备电池供电时间长，电压降低无法放电的现象，如图5 所示，通过主控芯片PB2 管脚控制芯片的工作状态满足发射模块工作能量需求，其静态功耗低至25 μA，峰值电流满足2 A 输出要求。

3 系统软件设计

本系统采用 Keil 软件编程，实现对外围模块的控制及初始化配置，并将数据写入AT24C128 EEPROM存储，通过 SIM800 无传输模块建立与云平台之间的联系。实现过程如下，当外部传感器检测到转辙机启动的脉冲信号后监测系统启动并立即进入工作状态，待工作周期完成后对接点深度进行判断，做出相应处理。满足要求时系统立即进入休眠状态以降低功耗，不满足时将触发无线传输模块，发出报警信息的同时将数据实时反馈至监控服务器后进入休眠状态，此外系统还具备自动数据回收功能，可通过上位机设置数据定时回传时间，主程序流程图如图6 所示。

图6 主程序流程

本系统利用vscode 开发完成数据管理客户端设计，采集终端与服务器间采用TCP 通信协议上传数据。服务器管理人员通过管理账户进入应用界面，可以随时随地查阅运行状态数据，绘制历史数据曲线，提升了系统的实时性，系统应用层界面包含登录和应用界面两部分，工作流程如图7所示。

图7 服务器工作界面流程

操作时，需要进行登录身份确定，确认后进入应用界面，通过配置的菜单栏，可快速选择数据调用及处理功能，如图8所示。

图8 服务器终端应用界面

4 实验结果

将硬件终端接上供电电源，第一次启动后其与服务器建立连接，注册设备号，备注设备地点信息，检查此时的连接状态。由于系统核心主要在于系统整体功耗，因此对系统进行了功耗测试，测试结果如表1 所示。经测试系统平均功耗为：待机功耗80 μA。转辙机动作时采集电路工作电流为1.5 mA，SIM800C 传输时长7 s，周期功耗41.3 mA，峰值电流2 A。在系统配备3.6 V，1 800 mAh 的ER18505 锂电池状态下，ZD9 转辙机为例按每天转换200 次，数据每天传输一次的频率计算满足1 年的免维护要求，本系统在铁科环线轨道2022 年11月应用至今，每周三凌晨能及时完成当周接点位移数据上报，证明设备自身具有良好的可靠性。

5 结束语

本文设计完成一款以STM32 为主控，SIM800 为发射模块的接点位移监测控制系统，完成采集层、传输层及应用层件设计。通过实验测试该系统功耗低、运行平稳，满足全天候运行需求，能方便快捷地传输数据及报警信息，通过历史数据回放功能，能有效预测接点故障信息。实验表明该监测试系统能有效弥补了目前接点深度的方法的操作过程复杂、实时性差、成本高等缺陷。

参考文献：

[1] 中华人民共和国铁道部.TB/T 3113—2015 ZD9/ ZDJ9系列电动转辙机[S]. 2015.

[2] 张振, 李倩文. 浅谈ZDJ9转辙机的安装调试及日常维护[J].铁道通信信号, 2021(8):16-19.

[3] 徐光顺, 郑京伟, 杨帅, 等.转辙机接点深度及间隙测量装置的设计[J].DOI:10.13879/j.issn.1000-7458.2022-02.21428.

[4] 佩里·利. 物联网系统架构设计与边缘计算.原书第2版[M].北京:机械工业出版社, 2021.

[5] 刘军, 张洋, 严汉宇. 例说STM32（第3版）[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2018.

[6] 张海超, 张北伟 .基于STM32 的多串口通信系统设计[J].国外电子测量技术, 2019, 38(2):99-102.

[7] 查怀宇. 基于GPRS技术的射频卡控制器终端设计[D].济南:山东大学, 2019.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2023年6月期）