摘 要: 闡述了一種采用無線傳輸方式的振動(dòng)數(shù)據(jù)采集和檢測(cè)方法。通過飛思卡爾公司的MC13192芯片來現(xiàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)的無線傳輸，在檢測(cè)端使用加速度傳感器芯片MMA61612Q來獲得振動(dòng)信號(hào)并完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，其精度可達(dá)0.01 m/s2，在接收端運(yùn)用遠(yuǎn)程可視化界面來接收采集到的數(shù)據(jù)。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)能及時(shí)準(zhǔn)確地采集振動(dòng)信號(hào)，數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)，遠(yuǎn)程端監(jiān)視效果好。
關(guān)鍵詞： 振動(dòng)檢測(cè)；無線數(shù)據(jù)通信；加速度傳感器；MC13192
傳統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)是將傳感器鋪設(shè)在測(cè)量點(diǎn)，然后利用電纜線連接傳感器和信號(hào)采集部分。這樣，振動(dòng)信號(hào)完全在電纜中傳輸。但是在一些如橋梁、輸油氣管線、隧道等復(fù)雜的條件下，使用傳統(tǒng)的有線的方法，不僅布設(shè)工作十分繁瑣，而且還會(huì)占用大量的人力、物力。因此，本文選取了一對(duì)Freescale公司的MC13192無線數(shù)據(jù)傳輸模塊來取代傳統(tǒng)的電纜線，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程振動(dòng)數(shù)據(jù)的傳輸，并在接收端開發(fā)其上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)無線振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集與檢測(cè)[1]。
1 系統(tǒng)原理
系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由系統(tǒng)控制模塊、振動(dòng)檢測(cè)模塊、報(bào)警模塊、無線數(shù)據(jù)發(fā)射接收模塊[2]等幾部分組成。
其中，系統(tǒng)控制模塊主要用于計(jì)算和分析信號(hào)的強(qiáng)度、模式和對(duì)報(bào)警及顯示模塊的控制等。在本系統(tǒng)中，采用Freescale公司的MC9S08GT60[3]作為振動(dòng)檢測(cè)的控制器。它具有4 KB的閃存，60 KB的大容量在線Flash編程，含有16通道10位數(shù)模轉(zhuǎn)換，56個(gè)I/O接口，32個(gè)中斷源。振動(dòng)檢測(cè)模塊[4]采用加速度傳感器芯片MMA6261Q，該芯片集成表面微機(jī)械結(jié)構(gòu)，其G-Cell電容會(huì)受地震塊的力作用而發(fā)生改變。報(bào)警模塊采用單片機(jī)控制。通過RS232將數(shù)據(jù)直接保存在計(jì)算機(jī)上，通過串口通信的方式將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到電腦中。無線數(shù)據(jù)發(fā)射接收模塊采用Freescale公司提供的符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的帶數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器的射頻收發(fā)芯片。其工作頻率為2.405 GHz～2.480 GHz，該頻帶劃分為16個(gè)信道，每個(gè)信道占用5 MHz的帶寬。采用直接序列擴(kuò)頻的通信技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速率為250 kb/s。
在測(cè)量的過程中，系統(tǒng)在電腦上進(jìn)行采樣顯示，直觀反映振動(dòng)的各種數(shù)據(jù)量。然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，通過程序?qū)⑵淅L制成曲線來反映出數(shù)據(jù)量的變化。
2 振動(dòng)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)
振動(dòng)檢測(cè)主要采用MMA1260D，由PTB0、PTB1和PTB7接收來自X、Y、Z三個(gè)方向的加速度的值，將PTC5和PTG1作為輸出的控制信號(hào)，可以分別實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的采集。它主要有以下幾個(gè)特性：能對(duì)信號(hào)進(jìn)行積分補(bǔ)償；標(biāo)準(zhǔn)的線性輸出；含有2階貝塞爾濾波器；自校準(zhǔn)及自動(dòng)檢測(cè)功能；自動(dòng)校驗(yàn)數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；傳感器具有很高的可靠性和穩(wěn)定性，能承受高強(qiáng)度的振動(dòng)。
3 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)檢測(cè)和處理部分主要由數(shù)據(jù)檢測(cè)、數(shù)據(jù)發(fā)送以及數(shù)據(jù)接收和處理等幾個(gè)子程序組成。系統(tǒng)采用Freescale公司提供的軟件Codewarrior進(jìn)行程序的編寫。
3.1 主程序設(shè)計(jì)
主程序流程圖如圖2所示。
由表1可見，本系統(tǒng)對(duì)于振動(dòng)測(cè)量的精度很高，基本上達(dá)到了0.001 g=0.098 m/s2，誤差不超過3.3% 。
本系統(tǒng)采用Freescale公司的無線傳輸芯片MC13192和振動(dòng)檢測(cè)芯片MMA61612Q來實(shí)現(xiàn)無線振動(dòng)數(shù)據(jù)的檢測(cè)和傳輸。振動(dòng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸和良好的可視化界面使得系統(tǒng)使用起來更為直觀方便。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試表明，本系統(tǒng)能及時(shí)準(zhǔn)確地采集振動(dòng)信號(hào)，遠(yuǎn)程端監(jiān)視效果良好，采集的數(shù)據(jù)精度高、線形度好，其低功耗設(shè)計(jì)使得本系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
參考文獻(xiàn)
[1] 孫志遠(yuǎn),楊學(xué)山,馬樹林.三通道無線振動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].地震工程與工程振動(dòng),2004,24(05):171-176.
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主程序首先對(duì)硬件電路進(jìn)行初始化和檢測(cè)。先對(duì)MCU進(jìn)行初始化，設(shè)置無線發(fā)射接收模塊的頻率，方便其通信，然后再對(duì)MC13192[5]進(jìn)行初始化，設(shè)定天線發(fā)射、接收環(huán)境的初值和數(shù)據(jù)包格式等。初始化完畢后，進(jìn)入狀態(tài)檢測(cè)、振動(dòng)檢測(cè)以及數(shù)據(jù)的處理、發(fā)送、接收和傳送等子程序。通過電腦上的上位機(jī)軟件可將所接收的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示并保存下來，至此完成了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行過程。
3.2 數(shù)據(jù)發(fā)射、接收及報(bào)警子程序的設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)發(fā)射子程序?qū)/D轉(zhuǎn)換的值和上一次的計(jì)數(shù)值進(jìn)行比較，如果數(shù)值在上次數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上左右偏移小于5這個(gè)范圍之內(nèi)，則程序?qū)⑵鋵懭隓ATABUFFER中，進(jìn)行發(fā)送。否則將其忽略，并轉(zhuǎn)向下一個(gè)坐標(biāo)值。然后進(jìn)行循環(huán)，讀取和發(fā)送下一個(gè)坐標(biāo)的數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)接收子程序首先檢測(cè)接收狀態(tài)，如圖3所示，只有RECEIVE_ALWAYS_ON狀態(tài)時(shí)，才進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，否則就進(jìn)入低功耗狀態(tài)。如果為其他狀態(tài)，則默認(rèn)為RECEIVE_ALWAYS_ON狀態(tài)，然后進(jìn)入檢測(cè)狀態(tài)。MC13192接收到數(shù)據(jù)后，將其存入RAM區(qū)，再通過SPI將數(shù)據(jù)傳送到MCU，然后由MCU將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)的緩沖區(qū)中。
報(bào)警子程序?qū)⒚看蜛/D轉(zhuǎn)換的值與設(shè)置的閾值進(jìn)行比較，當(dāng)其超過閾值時(shí)，便會(huì)點(diǎn)亮LED，以示報(bào)警。設(shè)定振動(dòng)閾值和范圍可以減輕系統(tǒng)的功耗。
4 系統(tǒng)測(cè)試
完成了主要的電路設(shè)計(jì)、PCB布線和電路焊接后，便可以進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)過測(cè)試可以得到在X、Y、Z方向上所產(chǎn)生的加速度的值，這些值經(jīng)過描點(diǎn)法繪圖后，得到物體振動(dòng)的曲線如圖4所示。其中曲線2代表X軸方向上所產(chǎn)生的振動(dòng)加速度，曲線3代表Y軸方向上振動(dòng)加速度的變化，曲線1代表Z軸方向上振動(dòng)加速度的變化。當(dāng)沒有振動(dòng)產(chǎn)生的時(shí)候，X、Y、Z軸呈直線狀態(tài)。某一方向上的振動(dòng)比較激烈的時(shí)候，其振動(dòng)加速度的振幅變大，頻率也變大。從圖中就可以定性地反映出物體在3個(gè)方向上的振動(dòng)情況。
無線數(shù)據(jù)接收發(fā)射測(cè)試數(shù)值如表1所示。其中，數(shù)據(jù)傳送最大距離為100 m。
