史兵麗，王 剛，張會(huì)新，張彥軍

(1.中北大學(xué)，電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051；2.儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051；3.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，加快了電測(cè)儀器系統(tǒng)向集成化、多功能化、智能化和通用化方向的發(fā)展，以往傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的、功能單一的應(yīng)變儀已經(jīng)越來(lái)越不能滿(mǎn)足實(shí)際需要。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般采用事先布線以及人工的方式對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，但高溫和高壓等惡劣環(huán)境下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和維護(hù)是比較困難的[1]。伴隨著遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集量和移動(dòng)數(shù)據(jù)通信需求的增加，有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)某杀驹絹?lái)越高，人們正慢慢地認(rèn)識(shí)到采用無(wú)線技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸在工程測(cè)量領(lǐng)域中的必要性。微電子技術(shù)、低功耗電路、射頻電路制作工藝的進(jìn)步、高能電池以及數(shù)字電路等諸多技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步使得無(wú)線通信設(shè)備更加可靠、經(jīng)濟(jì)、靈巧[2]。

無(wú)線數(shù)據(jù)采集是利用無(wú)線數(shù)據(jù)采集模塊或設(shè)備，將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的傳感器輸出的電壓、電流等物理量進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理[3]。ZigBee采用了無(wú)線傳輸方式來(lái)構(gòu)建相應(yīng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，能夠較好地解決人工及有線方式存在的問(wèn)題，且極大增加了數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)木嚯x，因此本文提出了一種基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

如圖1所示，系統(tǒng)主要包括應(yīng)變片數(shù)據(jù)采集、惠斯登電橋電路、信號(hào)放大和濾波電路、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換、FPGA、協(xié)調(diào)器和路由器組建的ZigBee數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、USB以及上位機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)的工作模式為：應(yīng)變片對(duì)應(yīng)力信號(hào)采集，惠斯登電橋?qū)⒉杉降奈锢砹哭D(zhuǎn)變成微弱的電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大、濾波等一系列信號(hào)調(diào)理進(jìn)入A/D，將模擬信號(hào)處理為數(shù)字信號(hào)通過(guò)FPGA的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并發(fā)送到協(xié)調(diào)器，進(jìn)行無(wú)線傳輸給遠(yuǎn)端的路由器，通過(guò)USB在上位機(jī)顯示采集到的應(yīng)變數(shù)據(jù)信息以及變化波形。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

圖2為應(yīng)變信號(hào)采集電路原理圖，主要包括應(yīng)變采集、電橋部分和放大濾波電路?；菟沟请姌螂妷旱奶峁┻x用基準(zhǔn)電源芯片AD580；放大芯片選用高精度儀表放大器AD620；濾波芯片選擇易于使用的8階低通開(kāi)關(guān)電容濾波器MAX291。

2.1 電橋電路與儀表放大器AD620

2個(gè)120 Ω的定值電阻(精度為0.1%)與阻值為120 Ω的應(yīng)變片、補(bǔ)償片構(gòu)成惠斯登電橋，將采集到的應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)(最大約5 mV)。AD580提供持續(xù)穩(wěn)定的2.5 V基準(zhǔn)電壓給惠斯登電橋，且橋壓相對(duì)越小漂移也就越小。目前主要有2種電橋的調(diào)零方法，一是通過(guò)用滑動(dòng)變阻器來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)零;二是通過(guò)編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)間接調(diào)零[4]。前者容易操作，比較實(shí)用。而通過(guò)程序調(diào)零電橋時(shí)，不用在電橋中加入任何物理裝置，只需要處理采集來(lái)的初始電橋信號(hào)，這種方法比較容易實(shí)現(xiàn)，非?？煽俊１驹O(shè)計(jì)采用兩者兼容的方式進(jìn)行調(diào)零，電橋部分加入硬件X9C103，其為100階非易失性數(shù)字電位器，若不夠精確再用上位機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)至零位。AD620是由傳統(tǒng)的三運(yùn)算放大器發(fā)展而來(lái)，但一些主要性能卻優(yōu)于三運(yùn)算放大器構(gòu)成的儀表放大器，其電源范圍寬，設(shè)計(jì)體積小，功耗非常低(最大供電電流僅為3 mA)[5]。如表1所示，因而適用于本系統(tǒng)低電壓、低功耗的設(shè)計(jì)。

圖2 應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)換電路原理圖

表1 AD620的部分參數(shù)

2.2 無(wú)線收發(fā)模塊CC2530

系統(tǒng)核心芯片是具有強(qiáng)大無(wú)線前端的CC2530，它集成了 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)2.4 GHz頻段的RF無(wú)線電收發(fā)機(jī)，射頻調(diào)制模式DSSS(直接序列擴(kuò)頻模式)，提供了一套廣泛的外設(shè)集，包括8通道12位A/D轉(zhuǎn)換器和21個(gè)通用GPIO、2個(gè)USART接口、128位AES加密解密安全協(xié)處理器、看門(mén)狗定時(shí)器、32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器，只需很少的外圍電路即可構(gòu)建一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)[6-7]。其原理圖如圖3所示。

圖3 CC2530原理圖

CC2530支持2.0～3.6 V供電電壓，具有3種電源管理模式：?jiǎn)拘涯Ｊ?.2 mA、睡眠模式1 μA和中斷模式0.4 μA，當(dāng)CC2530處于空閑模式時(shí)，任何中斷可以把CC2530恢復(fù)到主動(dòng)模式，某些中斷還可以將CC2530從睡眠模式喚醒，滿(mǎn)足超短時(shí)間快速轉(zhuǎn)換，確保了低能源消耗，工作溫度范圍為-40～125 ℃，特別適合要求電池壽命長(zhǎng)且環(huán)境變化大的室外工作方式[8]。CC2530自身帶有射頻功能，而且只需要加上簡(jiǎn)單電路就可以實(shí)現(xiàn)。

2.3 ZigBee數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)

協(xié)調(diào)器和路由器的構(gòu)成方式類(lèi)似，主要包括CC2530、天線、電源模塊、LED等。CC2530是控制中心，是整個(gè)電路的中軸，天線主要用來(lái)收發(fā)數(shù)據(jù)信息[9]。圖4為協(xié)調(diào)器和路由器的構(gòu)成圖。圖中，串口模塊主要是讓上位機(jī)和路由器之間建立連接，應(yīng)變數(shù)據(jù)采集模塊主要是FPGA將應(yīng)變數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器。LED小燈的亮滅表示網(wǎng)絡(luò)的連接情況，LED1亮說(shuō)明允許其他節(jié)點(diǎn)加入該網(wǎng)絡(luò)，LED2亮則說(shuō)明協(xié)調(diào)器組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)成功。

圖4 協(xié)調(diào)器和路由器的構(gòu)成框圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

關(guān)于協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計(jì)，它的作用主要是負(fù)責(zé)組建并維護(hù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并允許其他節(jié)點(diǎn)加入該網(wǎng)絡(luò)，其次是接收由FPGA下發(fā)的命令，并將數(shù)據(jù)信息傳給接入網(wǎng)絡(luò)的路由器，最后經(jīng)由USB傳給上位機(jī)顯示[10]。協(xié)調(diào)器是數(shù)據(jù)采集部分和上位機(jī)之間遠(yuǎn)距離通信的重要組成，它的正常工作也是路由器正常工作的前提和保證。整個(gè)協(xié)調(diào)器的軟件工作流程如圖5所示。

圖5 協(xié)調(diào)器的工作流程

3.2 路由器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)路由器的工作流程如圖6所示，組網(wǎng)成功后，路由器加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，然后開(kāi)始接收由協(xié)調(diào)器發(fā)送的應(yīng)變數(shù)據(jù)信息。

圖6 路由器的工作流程

鑒于系統(tǒng)功耗，將路由器和協(xié)調(diào)器設(shè)置為周期性工作，收到FPGA下發(fā)的命令開(kāi)始收發(fā)數(shù)據(jù)，其余時(shí)間進(jìn)入休眠模式。這里選擇了ZigBee協(xié)議棧里的可以實(shí)現(xiàn)ms級(jí)的定時(shí)函數(shù)OSAL_START_TIMEREX()，定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器，從而達(dá)到周期性工作的目的[11]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變模擬儀(XL2106-4，變化范圍是0～±11 110 με，最小變化為1 με)進(jìn)行標(biāo)定，每200 με調(diào)節(jié)一次模擬儀并讀取一次電壓值，圖7為應(yīng)變與輸出電壓的線性關(guān)系，其線性公式如式(1)所示，其中y表示輸出電壓，x表示應(yīng)變的變化量，可理解為每變化1 με輸出電壓為0.587 3 mV，其±3 000 με對(duì)應(yīng)的輸出電壓約為±1.76 V，式(1)中0.001 4的偏移量可在上位機(jī)軟件中做處理，使其應(yīng)變變化量與輸出電壓成完全正比例關(guān)系。

y=0.587 3x-0.001 4

(1)

圖7 微應(yīng)變與輸出電壓的標(biāo)定結(jié)果

為驗(yàn)證上述標(biāo)定結(jié)果的正確性及其完全線性度，隨機(jī)調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變模擬儀，使其盡量覆蓋各個(gè)應(yīng)變段，采集了10組應(yīng)變變化量與輸出電壓數(shù)據(jù)，并利用式(1)計(jì)算出輸出電壓所對(duì)應(yīng)的理論應(yīng)變值，最后根據(jù)實(shí)際調(diào)節(jié)與理論計(jì)算的應(yīng)變差值計(jì)算出系統(tǒng)存在的非線性誤差，如表2所示。從表2可直觀看出系統(tǒng)回采的最大誤差為0.259 7%，說(shuō)明采集數(shù)據(jù)具有極高的線性度和精確性，且多次隨機(jī)采集的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也說(shuō)明該結(jié)論的完整性與正確性。

表2 隨機(jī)回采數(shù)據(jù)及非線性誤差

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，顯著提高了信號(hào)的傳輸距離，并有效地解決了有線數(shù)據(jù)傳輸帶來(lái)的種種問(wèn)題，多次實(shí)驗(yàn)非線性誤差都在0.3%以下，保持了很高的線性度。此應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，已在某型號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。