黃明鋒，應(yīng) 捷，楊海馬，2，楊 暉

(1．上海理工大學(xué)光電信息與計算機工程學(xué)院，上海 200093；2中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083)

0 引言

精密與智能儀器對環(huán)境的振動要求比較苛刻，振動因素極有可能影響實驗結(jié)果或者儀器內(nèi)部器件使用壽命。然而近年來隨著城市軌道交通網(wǎng)的興建，地鐵或城鐵不可避免地會穿過各類精密儀器實驗室區(qū)域，從而加劇了對實驗室環(huán)境的污染，使高精密儀器出現(xiàn)信噪比低、數(shù)據(jù)不準(zhǔn)、重復(fù)性變差、準(zhǔn)確度下降、甚至不能正常工作等問題。所以對振動因素的測量與分析顯得格外必要。

在確定以及測量儀器使用的環(huán)境時需要測量多個位置的振動信息，傳統(tǒng)測振儀器通過布線的方式采集信息，帶來了諸多不便，同時成本也難以控制。該設(shè)計中用輕便的nRF2401代替布線[1]，組成分布式檢測網(wǎng)絡(luò)。同時選用超低功耗的STM8L系列單片機作為采集模塊MCU。在成本低廉的情況下能在一個房間中布置多個設(shè)備，組成分布式測試網(wǎng)絡(luò)。該設(shè)備傳輸穩(wěn)定可靠，有效工作時間長，性價比高。

1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)主要由采集發(fā)送模塊、接收存儲模塊及數(shù)據(jù)處理模塊構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。數(shù)據(jù)采集模塊中，三軸加速度傳感器工作電流為20～30 mA；STM8L處理器在做數(shù)據(jù)處理時，工作電流僅約為0．6 mA；nRF2401無線收發(fā)模塊以-6 dBm的功率發(fā)射時[2-3]，其工作電流只有9 mA.模塊整體工作電流在50 mA以下。模塊由高能量密度的磷酸鐵鋰電池供電，電池容量3 000 mA，連續(xù)有效工作時間超過48 h.

超低功耗的STM8L處理器讀取壓電傳感器采集的振動加速度，同時通過nRF24E1無線SOC單片機實現(xiàn)了振動信號的無線傳輸至接收存儲模塊。接收存儲模塊構(gòu)建于STM32處理器[4]，型號為STM32F103VET6，采用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高達(dá)512 K字節(jié)的閃存和64 K字節(jié)的SRAM，具有靈活的靜態(tài)存儲器控制器FSMC，并有多達(dá)13個通信接口，包括I2C，SPI，CAN，USB等接口。作為強大的調(diào)理處理器，接收存儲模塊處理來自多個振動檢測模塊傳遞的數(shù)據(jù)并向上位機通信，同時具有保存數(shù)據(jù)的功能，并且驅(qū)動的TFT液晶屏實時顯示每個采集模塊的振動波形及實時工作狀態(tài)。

2 采集存儲模塊

2．1 壓電式傳感器

該設(shè)計中加速度傳感器采用MMA7455 數(shù)字輸出(IIC / SPI) 微電容調(diào)節(jié)式加速度感應(yīng)芯片。MMA7455 是一款數(shù)字輸出、低功耗、緊湊型電容式微機械加速度傳感器，具有信號調(diào)理、低通濾波、溫度補償及自檢測試功能，并可實現(xiàn)中斷引腳(INT1 或 INT2)配置 、自由落體動力(0 g) 檢測以及脈沖檢測(用于快速運動檢測)等功能[5～6]。

圖1 系統(tǒng)原理圖

MMA7455 感知移動的基本原理是內(nèi)部電路中包含有公共端的兩個電容，在整個電路中通過公共端的變化引起并聯(lián)電容總電容值變化，如圖 2 所示，當(dāng) MMA7455 向一個方向移動(此時向右) 時，由于慣性的原因，中間的公共端仍有維持原來位置狀態(tài)的趨勢，這樣，兩個電容的容值發(fā)生變化，再通過內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字形式，通過 I2C總線和信號處理模塊進(jìn)行通信，滿足所要求的功能。

圖2 傳感器工作原理

2．2 采集模塊硬件設(shè)計

采集部分硬件接口如圖3所示。MMA7455工作在I2C數(shù)據(jù)讀取模式下，芯片13、14號腳分別為I2C串行數(shù)據(jù)輸出和時鐘信號輸出，分別連接STM8L的PB5和PB6。無線收發(fā)模塊與STM8L通過SPI接口通信。

圖3 采集發(fā)送模塊硬件電路圖

2．3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件包括測量模塊采集信號及發(fā)送程序、調(diào)理模塊接收信號及處理存儲程序和串口數(shù)據(jù)發(fā)送程序，主要針對信號采集及發(fā)送程序和接收信號及處理存儲程序進(jìn)行了設(shè)計。主要程序流程圖如圖4和圖5所示。

圖4 采集發(fā)送程序框圖

圖5 調(diào)理模塊程序

采集發(fā)送模塊主要實現(xiàn)傳感器的校準(zhǔn)及發(fā)送采集數(shù)據(jù)。在多傳感器分布式網(wǎng)絡(luò)中，為了保證各節(jié)點發(fā)送接收時序正確，接受主機采用輪詢方式從各采集節(jié)點依次接收數(shù)據(jù)。nRF2401數(shù)據(jù)包處理方式為增強型的 ShockBurst 模式，在這個模式下，只要有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，nRF2401就會啟動ShockBurst 模式自動發(fā)送數(shù)據(jù)，并且自動轉(zhuǎn)到接收模式等待接收應(yīng)答信號。如果沒有應(yīng)答信號，則會自動重發(fā)，直到達(dá)到最大重發(fā)次數(shù)，并產(chǎn)生中斷，從而保證數(shù)據(jù)發(fā)送的穩(wěn)定與正確，當(dāng)發(fā)送端未接收到發(fā)送成功信號時，點亮警示信號燈。在接收端，當(dāng)有條件連接上位機時，接收到的數(shù)據(jù)連同發(fā)送節(jié)點信號一齊通過串口發(fā)送至上位機實時處理，否則將數(shù)據(jù)保存于SD卡中，上位機可通過USB口直接訪問調(diào)理模塊的SD卡。

3 上位機處理實驗數(shù)據(jù)

上位機主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析功能。分辨采集模塊數(shù)據(jù)，將接收的加速度信號兩次積分，得到振動位移信號。同時對加速度信號進(jìn)行FFT變換，得到振動頻譜圖[7]。

振動傳感器采集的信號為振動幅度相對時間的一維函數(shù)，可以采用一維離散傅里葉變換將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻域信號：

(1)

式中：n=0，1，2…，N-1；x為振動信號的一組抽樣值；N為x中元素的數(shù)量。

軟件實現(xiàn)N為1 024及進(jìn)行1 024點的離散傅里葉變換。裝置實測結(jié)果如圖6～圖9所示。

圖6 傳感器1原始信號

圖7 傳感器2原始信號

圖8 傳感器1頻域波形

圖9 傳感器2頻域波形

傳感器1布置于實驗室內(nèi)，傳感器2安放于靠窗位置。在窗外大型車輛經(jīng)過時，實時顯示波形發(fā)生肉眼能觀察的變化。通過頻域分析，檢測頻譜形態(tài)可得結(jié)論，環(huán)境干擾振動主要頻率為60～100 Hz，符合物理學(xué)知識，此定量分析的結(jié)果可作為智能儀器安放地點選擇與減振裝置的設(shè)計的參考依據(jù)。

4 結(jié)束語

STM8L處理器和nRF2401無線模塊具有功耗小、成本低、配置靈活等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在無線數(shù)據(jù)通訊、工業(yè)傳感器、安防系統(tǒng)等領(lǐng)域。文中設(shè)計的無線測振系統(tǒng)基于以上兩者，布局靈活，能長時間穩(wěn)定工作，且成本較低。適用于各種對儀器使用有振動要求的場合。

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