劉宏偉,石繁榮,陳雪冬

(1.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.中國工程物理研究院電子工程研究所,四川 綿陽 621900)

石英撓性加速度計在線測試與分析系統(tǒng)

劉宏偉1,石繁榮1,陳雪冬2

(1.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.中國工程物理研究院電子工程研究所,四川 綿陽 621900)

石英撓性加速度計評價指標(biāo)主要由零偏和標(biāo)度因數(shù)組成。長期監(jiān)測石英撓性加速度計的輸出特性，能有效地分析其性能退化過程。針對石英撓性加速度計實時性能評測、參數(shù)建模等需求，設(shè)計了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線采集與實時分析處理系統(tǒng)。系統(tǒng)以CC2530為核心，設(shè)計了無線傳感器節(jié)點，采用Z-stack構(gòu)建無線自組織網(wǎng)絡(luò)；采用Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，集成以24位AD7734芯片為核心的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)了石英撓性加速度計信號的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換與無線傳輸。設(shè)計了可視化上位機終端控制臺，實現(xiàn)了測控網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)實時分析及加速度的零偏和標(biāo)度因數(shù)的在線計算。設(shè)計了節(jié)點唯一標(biāo)志，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的快速分類和管理。系統(tǒng)可容納節(jié)點個數(shù)大于40，節(jié)點采樣誤差為0.033 9 mV，實現(xiàn)了加速度計的長期自動化數(shù)據(jù)采集。

ZigBee; 加速度計; 上位機； 無線傳感器； 最小二乘法; 無線傳輸

0 引言

針對石英撓性加速度計實時性能評測、參數(shù)建模等需求，文獻(xiàn)[1]～文獻(xiàn)[6]采用通用接口總線(general purpose interface,GPIB)、嵌入式等多種技術(shù)，建立了石英撓性加速度計測試系統(tǒng)。同時，設(shè)計了慣性器件采集系統(tǒng)，一定程度上提供了可供參考的加速度計一體化測試方案。文獻(xiàn)[7]～文獻(xiàn)[10]則針對石英撓性加速度計設(shè)計參數(shù)模型，通過已有的加速度計數(shù)據(jù)，利用參數(shù)模型預(yù)測加速度計零偏與標(biāo)度因數(shù)的變化。

本文借鑒ZigBee技術(shù)在各種無線監(jiān)測系統(tǒng)、無線控制系統(tǒng)中的成功應(yīng)用案列[11-12]，提出了一種使用便捷、低成本的無線采集與實時分析處理方案。將該方案應(yīng)用在石英撓性加速度計生產(chǎn)與研究過程中，并對其進(jìn)行實時性能評測、參數(shù)建模，以及長期退化模型研究。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文結(jié)合生產(chǎn)與貯存等過程中對加速度計批量、快速便捷地進(jìn)行性能測試的需求，基于ZigBee技術(shù)設(shè)計了一種針對加速度計的無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)及自主測試上位機控制終端，實現(xiàn)自組網(wǎng)、多跳路由與數(shù)據(jù)無線傳輸功能。通過分析加速度計測試環(huán)境，設(shè)計了如圖1所示的分簇樹形系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[13-14]。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

在本系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)是一個測控網(wǎng)絡(luò)，而不是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中有傳感器測試數(shù)據(jù)與節(jié)點控制命令。石英撓性加速度計不是感知單元，而是被測對象。系統(tǒng)由以下幾部分組成。

①無線網(wǎng)關(guān)，即ZigBee協(xié)調(diào)器。其主要功能是組建并維護(hù)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)傳輸。節(jié)點通過串行接口與計算機連接，收集加速度計無線采集節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并上傳至上位機終端控制臺，同時接收上位機終端發(fā)送的控制命令，并將其轉(zhuǎn)發(fā)至指定的智能開關(guān)控制終端。

②智能開關(guān)控制終端，即ZigBee路由節(jié)點，協(xié)助組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)路由。控制終端可提供10路可獨立控制的±15 V隔離電源輸出。

③加速度計無線采集節(jié)點，即ZigBee終端節(jié)點，擴展了基于AD7734的加速度計A/D轉(zhuǎn)換單元。節(jié)點通過智能開關(guān)控制終端輸出的±15 V隔離電源供電，上電后則加入網(wǎng)絡(luò)，并采集加速計輸出的模擬信號，組建為數(shù)據(jù)幀并上傳至匯聚節(jié)點。

④上位機終端控制臺，由PC與上位機軟件組成，提供人機交互界面、數(shù)據(jù)解析及管理、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息管理、測試規(guī)則配置與節(jié)點自主測試控制等。

系統(tǒng)以路由節(jié)點為簇頭形成分簇網(wǎng)絡(luò)，一個分簇最多可容納10個無線采集節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包括由ZigBee終端節(jié)點上傳至協(xié)調(diào)器的加速度計數(shù)據(jù)幀，以及由控制臺發(fā)起經(jīng)協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)至簇頭的控制命令幀。

2 硬件系統(tǒng)

智能開關(guān)控制終端與加速度計無線采集節(jié)點以CC2530為核心實現(xiàn)無線傳輸，集成24位高精度A/D轉(zhuǎn)換器AD7734，實現(xiàn)加速度表輸出信號模數(shù)轉(zhuǎn)換。無線網(wǎng)關(guān)通過串行總線連接到上位機終端控制臺，并通過ZigBee無線鏈路與智能開關(guān)控制終端及無線采集節(jié)點通信。智能開關(guān)控制終端輸出10路±15 V隔離電源，可同時連接10個加速度計無線采集節(jié)點。

在室溫環(huán)境下，對系統(tǒng)的每一個節(jié)點進(jìn)行單獨標(biāo)定，采用最小二乘法擬合獲得補償系數(shù)，并保存到上位機控制臺作為加速度計無線采集單元誤差補償系數(shù)。標(biāo)定儀器主要采用高精度電流源與高精度電流表，電流源輸出直流信號，經(jīng)電流表后加在采樣電阻兩端形成標(biāo)定信號源。

設(shè)i為高精度電流表示值，r為采樣電阻測量值，取v為真值，則有：

v=r×i

(1)

在0～2.2 V輸入范圍內(nèi)，均勻選取19個點進(jìn)行A/D標(biāo)定，得到如圖2所示的部分無線采集節(jié)點數(shù)據(jù)在補償前后的誤差對比曲線。

圖2 誤差對比曲線

由圖2可知，當(dāng)輸入信號范圍為0～2.3 V時，補償前平均誤差為0.9～10.7 mV，補償后誤差范圍為0.033 9～0.136 mV。

3 軟件系統(tǒng)

3.1 高效數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中在線的加速度表節(jié)點數(shù)量為數(shù)十甚至上百個時，上傳至上位機軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量變大，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的操作頻繁，則系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的效率將會降低。針對這一問題，設(shè)計了一種高速數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，可快速識別數(shù)據(jù)屬性，提取出對應(yīng)加速度計的數(shù)據(jù)。ZigBee節(jié)點識別信息包含IEEE地址nodeMAC、短地址nodeAddr和名字串nodeName。系統(tǒng)采用hash表與ArrayList聯(lián)合管理節(jié)點。hash表與ArrayList的映射關(guān)系如圖3所示。

圖3 hash 表與ArrayList映射關(guān)系圖

對于同一個節(jié)點，具有包含name、短地址Addr與IEEE地址的三個hash表，且被映射到ArrayList中的同一個索引。

高速數(shù)據(jù)查詢結(jié)構(gòu)包含以下兩個部分。

①節(jié)點信息索引。當(dāng)系統(tǒng)串口收到節(jié)點描述符時，提取數(shù)據(jù)中的IEEE地址，并在本地IndexHash表中查詢是否有相同設(shè)備信息。若有相同信息，則更新其hash表與ArrayList；否則映射該設(shè)備的識別信息到本地hash表，同時建立節(jié)點ArrayList。

②節(jié)點信息查找。當(dāng)系統(tǒng)串口收到一個完整節(jié)點數(shù)據(jù)幀時，則根據(jù)短地址查找nodeAddr IndexHash表提取索引index，然后由index索引提取nodeInfo Array來獲取該數(shù)據(jù)所屬的加速度節(jié)點信息。

系統(tǒng)設(shè)計的查詢結(jié)構(gòu)主要具有以下幾個特點。

①hash表使用散列函數(shù)hash將關(guān)鍵字(key)映射到hash表，從而在規(guī)定時間內(nèi)完成任意關(guān)鍵字輸入的查找任務(wù)。

②ArrayList內(nèi)部使用數(shù)組,在規(guī)定時間內(nèi)完成任意關(guān)鍵字輸入的索引任務(wù)。

③當(dāng)軟件系統(tǒng)收到一個完整的描述符幀時，即查找nodeMac IndexHash表，如果該節(jié)點已經(jīng)存在，則更新該節(jié)點信息；否則將該節(jié)點的識別信息映射到hash表與list數(shù)組中。

④每個節(jié)點具有唯一的通用名字，以及與之一一映射的IEEE地址。通用名更易于測試人員識記，例如：節(jié)點IEEE地址40194F02004B1200、節(jié)點通用名V001。

系統(tǒng)軟件則將這些配置信息保存為配置文件。當(dāng)系統(tǒng)運行時，自動查詢IEEE哈希表、短地址哈希表與名字哈希表，生成相應(yīng)的顯示信息文件，通過界面顯示必要信息，與實際系統(tǒng)運行的加速度計無線采集節(jié)點相對應(yīng)。

3.2 軟件演示系統(tǒng)

控制臺界面包含了擴展信息按鈕欄、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息顯示區(qū)與控制信息配置區(qū)三部分。

擴展信息主要具有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、參?shù)配置、幫助文檔功能按鈕、性能評測以及待增加的算法模型功能。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點上傳描述符中短地址信息，推導(dǎo)出節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的拓?fù)潢P(guān)系，從而繪制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息顯示區(qū)主要有網(wǎng)關(guān)節(jié)點、端口信息與加速度計數(shù)據(jù)顯示窗口。網(wǎng)關(guān)節(jié)點串口包含1個編號為V000的協(xié)調(diào)器節(jié)點、2個編號為V001和V006的路由節(jié)點(智能開關(guān)控制終端)；端口列表顯示V001路由節(jié)點的端口狀態(tài)，即當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中加速度計無線采集節(jié)點的工作狀態(tài)；加速度數(shù)據(jù)顯示區(qū)，為對應(yīng)的V001路由節(jié)點端口的加速度計無線采集節(jié)點的數(shù)據(jù)。

控制信息配置區(qū)包含端口選擇、控制面板區(qū)域，提供了路由節(jié)點端口選擇、循環(huán)控制與周期控制以及時間參數(shù)設(shè)置、加速度節(jié)點姿態(tài)(角度)設(shè)置以及測試計時功能。

4 數(shù)據(jù)處理與分析

4.1 誤差分析

數(shù)據(jù)處理功能基于Matlab編寫程序?qū)崿F(xiàn)。程序按照加速度計測試的角度批量提取加速度數(shù)據(jù)，再對各個角度的數(shù)據(jù)求均值與標(biāo)準(zhǔn)差。根據(jù)設(shè)置的誤差偏移閾值，自動篩選出不符合要求的加速度計，并可對不符合要求的數(shù)據(jù)作進(jìn)一步分析和處理。系統(tǒng)以輸出-1G為姿態(tài)0°，對順時針旋轉(zhuǎn)45°、90°、135°、180°(輸出1G)以及逆時針旋轉(zhuǎn)-45°、-90°、-135°這八個靜態(tài)狀態(tài)點加速度計的輸出信號進(jìn)行檢測。

采用三階最小二乘法擬合數(shù)據(jù)。節(jié)點數(shù)據(jù)擬合曲線如圖4 所示。

圖4 節(jié)點數(shù)據(jù)擬合曲線

由圖4可知，被測加速度計的輸出信號穩(wěn)定。

程序?qū)?shù)據(jù)求取平均值、標(biāo)準(zhǔn)差并輸出相關(guān)報表。各個角度下，加速度計輸出特性如表1所示。

表1 加速度計輸出特性

由表1可知，0°與180°、45°與-45°、90°與-90°、135°與-135°時加速度計輸出信號幅度的絕對平均值分別一致。

4.2 零偏與標(biāo)度因數(shù)

設(shè)石英撓性加速度計輸出模型為二階非線性方程[14]：

Ain=U/K1=K0+K1x+K2x2

(2)

式中：Ain為石英撓性加速度計輸出所指示的加速度，以重力加速度g為單位；U為石英撓性加速度計的輸出電壓；K0為零偏值；K1為電壓標(biāo)度因數(shù)。

以角度0°、45°、90°、135°、180°為加速度計正向測試序列，以角度180°、-135°、-90°、-45°、0°為加速度計返程測試序列，分別采用最小二乘法對上式擬合，得到加速度計絕對零偏與絕對標(biāo)度因數(shù)。加速度計的零偏曲線如圖5所示。正向測試所擬合的零偏與返程測試所擬合的零偏數(shù)據(jù)具有較高的重合度。

圖5 零偏曲線

加速度計的標(biāo)度因數(shù)曲線如圖6所示。正向測試所擬合的標(biāo)度因數(shù)與返程測試所擬合的標(biāo)度因數(shù)據(jù)有較高的重合度。由此可知，該加速度計具有較高的穩(wěn)定性與較低的遲滯性。

圖6 標(biāo)度因數(shù)曲線

5 結(jié)束語

加速度計網(wǎng)絡(luò)化自主測試系統(tǒng)已投入加速度計性能測試生產(chǎn)過程，加速度計采集節(jié)點采用24位AD7734轉(zhuǎn)換芯片，經(jīng)獨立標(biāo)定，將采樣誤差由0.9～10.7 mV降低到0.136～0.033 9 mV。系統(tǒng)可支持40個加速度計無線采集節(jié)點同時連續(xù)不間斷采集，可靈活配置節(jié)點單次采集時間、單位時間內(nèi)的采集次數(shù)，給出加速度計的誤差分析曲線、零偏與標(biāo)度因數(shù)。本系統(tǒng)的改進(jìn)在于對加速度計數(shù)據(jù)作深度分析和處理，實現(xiàn)了加速度計參數(shù)模型與退化規(guī)律自主分析。

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Online Test and Analysis System for Quartz Flexible Accelerometer

LIU Hongwei1,SHI Fanrong1,CHEN Xuedong2

(1.School of Information Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China;2.Institute of Electronic Engineering，China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621900,China)

Zero offset and scale factor are the main assessment criteria of quartz flexible accelerometer, long-term monitoring the output characteristics of quartz flexible accelerometer is benefit for the analysis of its performance degradation. According to the needs for researching the real time performance evaluation and parametric modeling of the quartz flexible accelerometer, the wireless acquisition and real time analysis and processing system based on wireless transmission network has been designed. In the system, with CC2530 as the core, the wireless sensor node is designed, and the wireless Ad Hoc network is built by usingZ-stack; and the Mesh topologic structure. The A/D conversion circuit is integrated with the 24-bit AD7734 chip as the kernel; to implement high precision A/D conversion and wireless transmission for the signals of quartz flexible accelerometer. The visualization PC terminal console is designed, to realize management of the measurement and control network nodes, remote control, real-time data analysis, and on line calculation of the zero offset and scale factor of the accelerometer. A unique identification is designed to classify and manage the network data quickly. More than 40 nodes can be accommodated in the system, node sampling error is 0.033 9 mV. The system achieves long-term automated collection.

ZigBee; Accelerometer； Host computer; Wireless sensor; Least square method; Wireless transmission

四川省科技廳科技支撐項目(2014NZ0118)、特殊環(huán)境機器人技術(shù)四川省重點實驗室開放基金資助項目(13zxtk07)

劉宏偉(1982—)，男，碩士，講師，主要從事機器人技術(shù)、圖像處理與重建等方向的研究。E-mail:liuhongwei@swust.edu.cn。

TH86;TP274

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201703017

修改稿收到日期:2016-11-06