基于 MEMS 技术的智能感知节点单元设计

引 言

近年来，综合化航空电子系统得到了长足发展，异构平台分布式系统得到了广泛应用，打破了系统边界，在传感器、网络结构和数据处理方面进行深度融合。异构平台分布式系统主要由远程数据采集器 RDC、核心处理机组网构成，而智能感知节点单元作为远程数据采集器 RDC 的触手，将采集位置向传感器近端更进一步拓展，减轻线缆重量，减少传输路径上的耦合干扰，提升信号传输质量。

综合化的系统架构必然要求智能感知节点单元体积和重量更小，集成度更高，且应具有数据快速处理和总线通信能力。MEMS 器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短 [1]。MEMS 技术的以上特点使其特别适用于智能感知节点单元。

1 整体设计框架

按照综合化系统框架，每个接口区小系统由两个双余度的 RDC 和若干个智能采集终端组成，共同完成系统的采集和解算任务，为核心处理区提供飞机各部件的信息和健康状态信息。根据接口区的总体需求，以双余度 RDC 作为接口区局部计算资源和控制中心，并通过局部总线构成以 RDC 为局部大脑、智能采集终端为触手的集数据采集和输出控制于一体的分布式控制和管理平台。整个接口区的解算和智能管理软件驻留在 RDC 当中，其主要功能是向核心处理区提供局部接口区的完整信息，并完成核心处理区对机电系统要求的控制工作。

每个智能感知节点采集局部的温度、湿度和大气压力等信息，在智能传感器端根据 RDC 设置的参数进行底层数据预处理和滤波。智能感知节点本身不考虑余度设计，需要在搭建接口区网络时在关键节点设置多个智能感知节点以提高局部的可靠性。智能感知节点将收集的数据经提高精度运算后通过局部总线（接口区网络）上报 RDC，由 RDC 对感知目标多个位置的多个状态做进一步的数据融合，从而对感知目标进行 PHM 分析。

2 智能感知节点单元硬件设计

每个智能感知单元需要具备以下功能 ：

(1) 具备温度、湿度、压力、加速度等信息采集功能 ；

(2) 具备 0～10V差分电压、PT1000电阻输入信号、热电偶（K分度 0 ～50mV）输入信号和 0～3000Hz 频率输入信号的采集功能 ；

(3) 具备局部总线和 RS 422总线通信能力 ；

(4) 具备 PWM 输出控制功能。

其中 0 ～ 10 V 差分电压、PT1000 电阻输入信号、热电偶（K 分度 0 ～ 50 mV）输入信号和 0 ～ 3 000 Hz 频率输入信号的采集、局部总线、RS 422 总线均采用通用技术实现， 在此不再赘述。温度、湿度、压力、加速度等信息的采集通过 MEMS 集成芯片实现。

2.1 温度信息采集

温度型 MEMS 传感器主要性能指标如下 ：

（1）测量范围 -55 ℃～ +125 ℃；

（2）典型测量精度值 ±0.5 ℃；

（3）-25 ℃～＋ 100 ℃条件下最大精度误差 ±2 ℃；

（4）超低功耗，典型操作消耗电流 125 μA；

（5）支持 I2C/SMBus接口 ；

（6）测量数据分辨率 9 ～12 位可配置 ；

（7）9 位最大转换时间为 150 ms。

MEMS 传感器由于内部集成度高，且集成有 A/D 转换芯片，因此可直接将 A/D 转换结果通过 I2C 接口输出。温度型 MEMS 传感器电路原理如图 1 所示。

该传感器采用 3.3 V 电压供电，在靠近 VDD 引脚处放置100 nF 的去耦电容，SCL 和 SDA 连接主处理芯片 STM32， 通过 10 kΩ 电阻上拉至 3.3 V 预置高电平。A0，A1，A2 为地址位，可通过上下拉实现芯片扩展，最多可通过 1 对 I2C 总线控制 8 个 I2C 从站，现只接 1 个 I2C 从站，A0，A1，A2 全部下拉。O.S./INT 为报警输出管脚。I2C 主站写入该传感器温度寄存器中的报警值和报警容限次数，当采集值连续超过报警容限次数时，O.S./INT 管脚输出被激活，输出低电平。

2.2 压力信息采集

压力型 MEMS 传感器主要性能指标如下 ：

（1）测量范围为 260 ～ 1 260 mbar ；

（2）最高测量分辨率可达 0.020 mbar ；

（3）高过压承受能力，最大可达 20 倍满量程压力且不受损 ；

（4）超低功耗，不超过 30 μA ；

（5）具有内嵌温度补偿功能 ；

（6）内嵌 24 位 ADC ；

（7）数据输出率可选 ：1 ～ 25 Hz ；

（8）支持 SPI 和 I2C 接口 ；

（9）最高能承受 10 000g 的冲击量 ；

（10）无铅小封装，尺寸为 3 mm×3 mm×1 mm。

该压力型传感器供电和 I/O 端口供电均为 3.3 V，供电引脚处选用 10 μF 和 100 nF 电容滤波。采集的数据通过 4 线制SPI 接口传输数据给处理器芯片。第 9 引脚和第 11 引脚是两个中断输出管脚。通过 SPI 对内部寄存器的值进行预设，如INT1 和 INT2 工作模式，可以实现压力过高输出、压力过低输出或数据采集完成的 READY 信号。

2.3 湿度信息采集

相对湿度型 MEMS 传感器主要性能指标如下 ：

（1）测量精度 ±1.5% RH；

（2）可重复性 0.15% RH；

（3）最小分辨率为 0.01% RH；

（4）25 ℃环境温度下，迟滞为 ±0.8% RH；

（5）测量范围为 0 ～100% RH；

（6）长期漂移小于 0.25% RH/y ；

（7）支持 I2C 接口。

STM32 处理器芯片通过 I2C 总线对该 MEMS 芯片的工作模式进行配置，实时读取传感器采集的湿度参数。

2.4 加速度信息采集

加速度 MEMS 传感器主要性能指标如下 ：

（1）三轴方向最大测量范围为 ±16g ；

（2）具有两个可编程中断信号输出引脚 ；

（3）超低功耗，不超过 30 μA；

（4）内嵌温度补偿功能 ；

（5）内置 16 位 A/D ；

（6）数据输出率可选 ：1～5 Hz ；

（7）支持 SPI 和 I2C 接口 ；

（8）无铅小封装，尺寸为 3 mm×3 mm×1 mm。

加速度传感器电路原理图如图 2 所示。

3 智能感知节点单元软件设计

智能感知节点单元软件为 RDC 软件的执行提供数据支持和输出执行响应，通过局部数据总线完成数据上传和下行， 主要包括底层设备驱动，BIT 及故障处理，通信管理和用于演示验证的人机界面等。

3.1 底层设备驱动

智能感知节点单元主要的设备驱动程序包括 I2C 接口MEMS 传感器驱动程序、SPI 接口 MEMS 传感器驱动程序、局部总线通信驱动程序、RS 422 总线通信驱动程序、看门狗驱动程序、离散量输入驱动程序、模拟量输入驱动程序和离散量输出驱动程序等。

由于各模块之间需要通过局部总线进行信息交互，故各模块均为智能模块，需要有相应的驱动程序支持。

3.2 BIT 及故障处理

智能感知节点单元的 BIT 包括上电 BIT 和周期 BIT 两部分。

上电 BIT 是上电后在完成必要的硬件初始化后进行硬件自测试。上电 BIT 尽可能测试更多的硬件部件。

进入正常工作模式后，利用应用任务间的空闲时间对硬件进行测试。采用系统工作状态非破坏测试算法，受周期时间限制 ；当 BIT 报故障时，上报信息在 RDC 的存储器上进行故障信息储存，并隔离处理故障。

3.3 通信管理

智能感知节点单元主要完成局部总线、RS 422 总线通信数据的接收、发送处理、数据解析、打包及有效检测等。当RS 422 数据校验连续一段时间未通过时，通过局部总线上报数据故障。局部总线会进行总线故障判定，若局部总线存在通信故障，则通过 RS 422 上报。

3.4 人机界面

为对 UIN 的功能进行演示验证，对传感器采集数据进行直观显示，特设计人机界面。接收局部总线转 USB 端口或者 RS 422 端口传来的数据，并实时显示 [2-4]。

4 结 语

通过基于 MEMS 芯片和高集成度芯片技术，实现了超小体积、超低功耗的智能感知节点单元的设计。最终实现的智能感知节点单元体积仅为 50 mm（长）×50 mm（宽）×20 mm（高），功耗低于 5 W，具备自身故障检测能力，作为RDC 的触手，进一步实现了信号近端采集，解决了 RDC 区域集中采集和部分信号要求近端采集的矛盾，完善了分布式航电系统架构。