基于WIFI的無線聲表面波傳感器信號采集系統(tǒng)*

文常保，黨雙歡，朱 博，李演明，巨永鋒

（長安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院/微納電子研究所，西安710064）

基于WIFI的無線聲表面波傳感器信號采集系統(tǒng)*

文常保*，黨雙歡，朱 博，李演明，巨永鋒

（長安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院/微納電子研究所，西安710064）

將聲表面波傳感器與信號無線保真（WIFI）技術(shù)相結(jié)合，提出了一種基于WIFI的無線聲表面波傳感器信號采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)由聲表面波傳感器、信號調(diào)理電路、處理器、WIFI模塊和無線接收終端組成。聲表面波傳感器混頻后的信號經(jīng)過信號調(diào)理電路后，轉(zhuǎn)換為處理器可計頻的低頻方波信號，并通過WIFI模塊將采集到的信號無線發(fā)送到接收終端。通過一個輸出信號范圍在100 kHz～350 kHz聲表面波傳感器信號采集系統(tǒng)的實現(xiàn)，對該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、性能進(jìn)行了驗證和測試。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)測試范圍內(nèi)信號的采集、發(fā)送和無線接收，系統(tǒng)輸入信號與無線接收終端接收信號之間的平均絕對誤差為0.843 kHz，最大相對誤差為0.51%，無障礙環(huán)境有效采集范圍約為100 m，有障礙環(huán)境有效采集范圍約為50 m。

聲表面波傳感器；WIFI；信號采集系統(tǒng)；無線

聲表面波傳感器由于具有線性度好、精度高、靈敏度高等優(yōu)點，在物理、化學(xué)、生物等多種信息量的敏感測量中得到了廣泛應(yīng)用［1-3］。

目前，對于聲表面波傳感器信號的采集多采用網(wǎng)絡(luò)分析儀、示波器、頻譜儀等儀器配合相關(guān)電路來完成［4，5］。采集系統(tǒng)的體積、成本和復(fù)雜程度都不適宜于電子器件小型化、微型化、集成化的發(fā)展需要［6-8］。同時，對于采集到的聲表面波傳感器信號傳輸多采用有線連接的方式來完成，這對于一些有毒、有害環(huán)境下參量的采集，以及旋轉(zhuǎn)移動和封閉狹小空間下測量目標(biāo)的敏感測量就存在一定的局限和不足。

無線保真（WIFI：Wireless Fidelity）傳輸技術(shù)，是近年新出現(xiàn)的一種可基于網(wǎng)絡(luò)的無線信號傳輸技術(shù)［9-11］。它采用IEEE802.11協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，其通信速率高達(dá)11 Mbps。與傳統(tǒng)的藍(lán)牙模塊、無線模塊相比，其通信速率高，并可同時采用電腦、手機等多個無線智能終端接收信號，而且占用I/O口也比較少。在有效傳輸范圍內(nèi)，WIFI技術(shù)基本沒有傳輸誤差。而且，這種基于網(wǎng)絡(luò)的無線信號傳輸技術(shù)只需通過無線路由器，就可以實現(xiàn)信號的中繼和共享。

本文正是基于WIFI無線信號傳輸技術(shù)的特點，以及聲表面波傳感器信號采集及無線傳輸?shù)目陀^需要，通過對系統(tǒng)信號調(diào)理等硬件電路的設(shè)計與下位機、上位機的軟件設(shè)計相結(jié)合，提出并實現(xiàn)了一種基于WIFI的無線聲表面波傳感器信號采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

聲表面波器件一個顯著的特點是聲表面波在晶體表面?zhèn)鞑r，能量主要集中在晶體表面一個波長范圍內(nèi)，所以很容易受外界條件的影響，引起在晶體表面?zhèn)鞑サ穆暠砻娌ǖ淖兓?，進(jìn)而引起聲表面波器件本身頻率、損耗及相位等參數(shù)的改變。因此，可以通過對器件本身頻率、損耗及相位等參數(shù)的測量，從而實現(xiàn)諸如氣體濃度等一些物理量的間接測量。

盡管，聲表面波信號在晶體表面?zhèn)鞑ナ锹暠砻娌ㄆ骷勺鳛閭鞲衅魇褂玫囊粋€重要原因，但這一特點也使聲表面波器件在測量過程中極易受到溫度、濕度等環(huán)境因素的影響，從而間接影響到最終的測量信號的準(zhǔn)確性。為了解決這一問題，通常采用兩個聲表面波傳感器組成的雙路聲表面波傳感器結(jié)構(gòu)來排除環(huán)境因素的干擾。其中，一路作為測量傳感器來使用，另一路作為參考器件使用，然后對兩路器件輸出信號進(jìn)行混頻運算取兩路信號的差頻值作為輸出信號。

由于WIFI傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)信號，而對兩路聲表面波器件混頻后輸出信號為模擬信號，要想將采集到的結(jié)果進(jìn)行無線傳輸，就必須先將其轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)信號。另外，在信號采集、傳輸過程中會存在來自系統(tǒng)內(nèi)部及外部的各種噪聲信號對輸出結(jié)果產(chǎn)生干擾。同時，混頻后的差頻信號為正弦波信號，這種信號在后續(xù)的分頻處理中非常容易產(chǎn)生波形失真等問題。

因此，在基于WIFI的無線聲表面波傳感器信號采集系統(tǒng)設(shè)計中，首先需要對雙路聲表面波傳感器混頻輸出信號進(jìn)行濾波處理，濾除高頻干擾信號，再經(jīng)過整形電路轉(zhuǎn)化為處理器可以計數(shù)的同頻率方波信號。由于混頻之后的信號頻率較高，為了擴(kuò)展頻率計量范圍同時降低對處理器的要求，可以在整形之后的信號通道上增加一個分頻電路，使高頻率信號轉(zhuǎn)化為處理器允許采集范圍內(nèi)的低頻方波信號。

基于上述思想，提出了一種新型基于WIFI的聲表面?zhèn)鞲衅餍盘柌杉到y(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)主要由聲表面波傳感器、信號調(diào)理電路、處理器及外圍電路、WIFI模塊以及接收終端組成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。其中，信號調(diào)理電路包括濾波電路、整形電路和分頻電路。處理器負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的控制和頻率信號的測量，并且將測量得到的信號數(shù)據(jù)通過WIFI模塊實時地傳送到無線接收端。

圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架圖

1.2 系統(tǒng)設(shè)計

基于WIFI的無線聲表面?zhèn)鞲衅餍盘柌杉到y(tǒng)的設(shè)計工作包括系統(tǒng)硬件和軟件兩部分。其中，硬件設(shè)計任務(wù)包括信號調(diào)理電路和處理器外圍電路設(shè)計。軟件設(shè)計任務(wù)包括處理器端下位機程序設(shè)計和接收終端上位機程序設(shè)計兩部分。下位機程序設(shè)計主要包括測頻程序設(shè)計和與WIFI模塊通信程序的設(shè)計。

濾波電路采用無源濾波，用L、C無源器件降低相應(yīng)諧波電流通路的阻抗，與有源濾波相比可有效減小系統(tǒng)功耗。整形電路選用反相器，通過設(shè)置偏置電壓實現(xiàn)信號的反轉(zhuǎn)，從而將信號轉(zhuǎn)化為可計數(shù)的方波信號。選用計數(shù)芯片對信號進(jìn)行分頻，內(nèi)置加法計數(shù)器，采用快速進(jìn)位電路，計數(shù)速度較高。具體信號調(diào)理電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 信號調(diào)理電路結(jié)構(gòu)圖

51系列處理器外圍電路設(shè)計包括復(fù)位電路、晶振電路、顯示電路以及WIFI模塊接口電路，如圖3所示。圖3中電解電容C1和電阻R1、R2組成復(fù)位電路，C2、C3、Y1構(gòu)成晶振電路。P2.7-P2.5分別配置顯示器的使能端及控制端，P0口連接上拉電阻，接入液晶顯示的八位數(shù)據(jù)端，滑動變阻器R3用于調(diào)節(jié)背光。分頻電路的輸出端接入外部中斷P3.3口。處理器與WIFI模塊之間是TTL串口連接，而處理器輸入輸出電平即為TTL電平，所以可將模塊的RX/TX端分別接入處理器的RXD/TXD端。

圖3 處理器外圍電路結(jié)構(gòu)圖

對于聲表面波傳感器混頻后的頻率測量，可以通過將處理器定時1 s，計外部中斷下降沿的個數(shù)實現(xiàn)頻率的測量。定時1 s通過中斷定時50 ms，進(jìn)20次中斷來實現(xiàn)。在中斷函數(shù)中每次重新裝入初值，定時器每次進(jìn)中斷50 ms，判斷進(jìn)入中斷次數(shù)是否等于20，即判斷定時時間是否達(dá)到1 s。若定時時間達(dá)到1 s，則將外部中斷所計下降沿個數(shù)傳遞出來，即為信號分頻后的頻率值，再通過軟件算法計算正確的頻率值。同時外部中斷計數(shù)清零，開始重新計數(shù)，就實現(xiàn)了頻率的反復(fù)實時測量。具體測頻流程如圖4所示。

圖4 測頻流程圖

WIFI模塊與處理器之間通過TTL串口通信。串口中斷服務(wù)程序中，首先判斷接收中斷標(biāo)志位RI是否為1，若為1，說明已經(jīng)進(jìn)入了中斷發(fā)送數(shù)據(jù)。此時需將串口關(guān)閉，ES置0，RI清0，保證中斷接收正常，不再產(chǎn)生中斷。最后將flag標(biāo)志位置1，以便使主程序執(zhí)行條件程序，再打開中斷。當(dāng)主函數(shù)while循環(huán)中檢測到flag為1時，將頻率值存入SBUF，然后用while（!TI）等待是否發(fā)送完畢，發(fā)送完畢TI位被硬件置1，需要用軟件清0。最后，再將flag置為0。

上位機在Windows系統(tǒng)下，基于C#語言設(shè)計，該語言綜合了VB簡單可視化和C++高效率運行的優(yōu)點。C#中提供了System.Net.Sockets命名空間，里面包含了Socket類，Socket相當(dāng)于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的API。通過Socket編程設(shè)置IP地址和端口，將WIFI模塊與接收終端連接在一個局域網(wǎng)內(nèi)。處理器發(fā)送給WIFI模塊的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)化成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，發(fā)送到上位機上。

2 實驗與結(jié)果分析

2.1 實驗

為了驗證該基于WIFI的無線聲表面?zhèn)鞲衅餍盘柌杉到y(tǒng)的可行性，這里選用文獻(xiàn)［12］中的聲表面波振蕩器作為聲表面波傳感器，對系統(tǒng)的信號采集和無線傳輸功能進(jìn)行了實驗驗證，其混頻后輸出頻率范圍在100 kHz～350 kHz之間，該頻率范圍可以滿足對微小變量的傳感。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案可知，采集系統(tǒng)需要3個計數(shù)器，第一個用于方波下降沿個數(shù)的測量；第2個用于對機器時鐘進(jìn)行分頻，為測頻計數(shù)器提供秒脈沖；第三個作為與通信模塊接口電路的波特率發(fā)生器。因此，這里選用具有三個計數(shù)器的89C52處理器作為整個系統(tǒng)的控制中心。接收端選用支持無線LAN的筆記本電腦。為了降低功耗、提高傳輸速率，選用電源功耗為1.2 W、RAM為64 M的WIFI無線模塊。整形電路中反相器選用74LS04，其最大輸入低電平為0.8 V，最小輸入高電平為2.0 V，因此設(shè)置偏置電壓為1.4 V，為保證整形輸出信號有足夠的斜率（使其近似方波），連接兩個反相器。分頻電路設(shè)計十分頻后頻率在10 kHz～35 kHz范圍內(nèi)，可以滿足處理器計數(shù)要求。計數(shù)芯片選用可預(yù)置的十進(jìn)制加法計數(shù)器，內(nèi)部有六個J-K觸發(fā)器的74LS160芯片。各觸發(fā)器在相應(yīng)有效脈沖翻轉(zhuǎn)一次，當(dāng)?shù)谑畟€脈沖到來時，RCO將產(chǎn)生進(jìn)位輸出，從而實現(xiàn)對方波信號的十分頻。最終，所設(shè)計、制作的基于WIFI的無線聲表面?zhèn)鞲衅餍盘柌杉到y(tǒng)如圖5所示。

系統(tǒng)中處理器內(nèi)置16位定時器，設(shè)置定時器0為方式1，16位定時模式。晶振為12 MHz時，機器周期為1 μs，定時器0高八位TH0和定時器低八位TL0溢出需要65 535個數(shù)，因此溢出一次約需要65.5 ms，計50 ms就是50 000個數(shù)。但是，為了使在串口通信中定時器的初值為整數(shù)，不至于產(chǎn)生波特率頻率誤差，系統(tǒng)設(shè)計選用11.059 2 MHz的晶振。此時，機器周期為約為1.09 μs，計50 ms時計數(shù)個數(shù)約為45 872。分別由式（1）和式（2）計算定時器TH0和TL0的初值。

式中：N為計數(shù)個數(shù)，n為定時器位數(shù)，“/”是取整運算符，“%”是取余運算符。

WIFI模塊與處理器間的串口通信需設(shè)定定時器1為方式2，8位初值自動重載M1位為1，M0位為0。置SM0位為0，SM1位為1，設(shè)置串口方式為方式1，10位數(shù)據(jù)異步，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。設(shè)置波特率為9 600，計數(shù)寄存器的初值由式3中波特率的計算公式推出，計算得初值十六進(jìn)制為0Xfd。初始化程序中將TR1位置1，啟動定時器1；ES置1，打開總中斷。

式中：Br為設(shè)置的波特率，fosc為單片機晶振的頻率，X為計數(shù)寄存器的初值。SMOD與串口通信波特率有關(guān)，SMOD為1，波特率加倍，SMOD為0，波特率正常。

上位機Socket編程，首先設(shè)置WIFI模塊的IP地址和端口，將IP地址和端口轉(zhuǎn)化為IPEndPoint實例，用Send函數(shù)向WIFI模塊發(fā)送測試信息，用Receive函數(shù)來接收返回信息。

2.2 結(jié)果分析

使用Agilent7032示波器，對聲表面波傳感器混頻輸出信號為100 kHz時的整形和分頻后輸出信號進(jìn)行測試，結(jié)果如圖6所示。由圖6可以觀察到，該電路可實現(xiàn)混頻后輸出信號的整形與分頻。

圖6 輸出信號對比圖

在100 kHz～350 kHz實驗范圍內(nèi)，對雙路聲表面波傳感器混頻后頻率信號的混頻輸出頻率f1、下位機采集頻率f2、上位機采集頻率f3進(jìn)行了采集，得到的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

表1 實驗測量數(shù)據(jù)

對比表1中f2和f3數(shù)據(jù)可知，下位機采集頻率值與上位機采集的頻率值之間差值為0。這是因為WIFI模塊具有無線保真技術(shù)，在有效傳輸范圍內(nèi)傳輸穩(wěn)定無誤差。繪制下位機采集頻率f2與混頻輸出頻率值f1之間的誤差曲線，得到f2與f1之間誤差圖如圖7所示。

圖7 下位機采集誤差圖

由圖7可知，下位機采集的最大絕對誤差為1.31 kHz，最小絕對誤差為0.36 kHz，經(jīng)計算，平均絕對誤差為0.843 kHz，最大相對誤差為0.51%。f2與f1的差值都為正值，也就是說下位機采集頻率值偏大，這主要是因為電路中干擾引起的波動也會被單片機計入下降沿。

在無障礙和有障礙環(huán)境下，分別測試了WIFI的傳輸距離。其中，在無障礙環(huán)境下WIFI傳輸距離測試結(jié)果如圖8所示。固定采集端O，改變接收端與采集端的距離，對接收端進(jìn)行觀測。由圖8可知，在無障礙環(huán)境下WIFI傳輸最大距離為100 m。當(dāng)接收端在WIFI有效覆蓋范圍內(nèi)時（如A類點），可以實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)采集；當(dāng)接收端在WIFI有效覆蓋范圍邊界處時（如B類點），能夠搜索到無線網(wǎng)絡(luò)，但無法可靠的實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集；當(dāng)接收端在WIFI有效覆蓋范圍之外時（如C類點），無法搜索到無線網(wǎng)絡(luò)。

圖8 無障礙環(huán)境WIFI傳輸距離測試圖

系統(tǒng)在有障礙環(huán)境下工作時，無線傳輸中會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失或出錯現(xiàn)象。因此在發(fā)送數(shù)據(jù)中加入自定義幀標(biāo)識，接收到的數(shù)據(jù)幀標(biāo)識有誤，丟棄該數(shù)據(jù)，相應(yīng)數(shù)據(jù)補零處理。因為出現(xiàn)零信號的機率小，并且在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中，可以通過軟件消除該誤差，所以對一段過程頻率信號的采集影響很小。由非補零數(shù)據(jù)所占比率計算通信有效率。在樓宇環(huán)境下測試選取100 m直線通信距離，每隔5 m作為測試點，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲并計算通信有效率，測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 有障礙環(huán)境WIFI傳輸距離測試圖

由圖9可發(fā)現(xiàn)50 m以內(nèi)系統(tǒng)通信有效率在95%以上，在50 m處系統(tǒng)通信有效率明顯下降，80 m處已下降到21%。所以本系統(tǒng)在樓宇環(huán)境有效通信距離為50 m。樓宇環(huán)境有效通信距離明顯小于無障礙環(huán)境，主要是因為信號遇到建筑物等障礙物，被吸收、反射或折射。

3 結(jié)論

本文提出了一種基于WIFI技術(shù)的聲表面波傳感器信號采集系統(tǒng)，通過對以處理器為控制中心的信號采集系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計，對下位機測頻程序、處理器與WIFI模塊串口通信程序以及上位機接收程序等軟件設(shè)計，實現(xiàn)了一個完整的基于WIFI的聲表面波無線信號采集系統(tǒng)。WIFI傳輸采用IEEE802.11協(xié)議，通信穩(wěn)定。系統(tǒng)實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)采集速率的控制、數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示與存儲，以便對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理。經(jīng)實驗驗證，系統(tǒng)采集相對誤差在0.51%范圍內(nèi)，系統(tǒng)誤差小，穩(wěn)定性高。

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文常保（1976-），男，教授，博士/博士后。2012年到2013年在美國University of South Florida從事訪學(xué)研究工作，主要從事真空微納電子器件、信息處理器件及傳感器的研究，estlab@chd.edu.cn；

黨雙歡（1991-），女，碩士研究生。主要研究方向為傳感器及信號處理，675395836@qq.com。

Wireless SAW Sensor Signal Acquisition System Based on the WIFI*

WEN Changbao*，DANG Shuanghuan，ZHU Bo，LI Yanming，JU Yongfeng
（Institute of Micro-nanoelectronics，School of Electronics and Control Engineering，Chang’an University，Xi’an 710064，China）

The signal wireless fidelity（WIFI）technology is incorporated into the surface acoustic wave（SAW）sen?sor，and the wireless SAW sensor signal acquisition system based on the WIFI is proposed.The system consists of the SAW sensor，the signal conditioning circuits，the processors，the WIFI module and the wireless receiver termi?nal.The mixed SAW sensor signal is converted into the low frequency square wave signal by the signal conditioning circuit.The low frequency square wave signal can be counted by the processor and the collected signal data is trans?mitted to the receiving terminal by the WIFI module wirelessly.The structure and performance of the SAW sensor signal acquisition system based on the WIFI is validated and tested by means of the SAW sensor signal acquisition system with the output frequency range from 100 kHz to 350 kHz.Experimental results show that the signal can be collected，transmitted and received wirelessly within the test range.The average absolute error with input signal and the received signal is about 0.843 kHz，and the maximum relative error is about 0.51%.The effective acquisition range is about 100 meters in the barrier-free environment and about 50 meters in the obstacle environment.

surface acoustic wave（SAW）sensor；wireless fidelity（WIFI）；signal acquisition system；wireless

TN65；TN98；TP212

A

1004-1699(2015)10-1552-06

??7230；2860；1205

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.10.023

項目來源：國家自然科學(xué)基金項目（60806043，61473047）；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃項目（2015JM6271，2013JC2-25）

2015-04-13 修改日期：2015-07-24