一種無線智能振動傳感器的設(shè)計與實現(xiàn)

李心鵬 邱偉 王芳

（北京強度環(huán)境研究所 北京市 100076）

本文設(shè)計一種基于MEMS 技術(shù)的無線智能振動傳感器，體積小，內(nèi)置鋰電池實現(xiàn)自供電。數(shù)據(jù)采集狀態(tài)下，無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，傳感器內(nèi)部大容量Flash 進行存儲備份，保證了測量數(shù)據(jù)的可靠性，為飛行狀態(tài)下的測試測量提供一種有效解決方案。

1 系統(tǒng)整體方案

無線智能振動傳感器系統(tǒng)組成如圖1 所示。

系統(tǒng)主要由無線智能振動傳感器節(jié)點、無線基站和上位機軟件組成。無線智能振動傳感器采集到振動信號后，通過2.4G 無線方式將數(shù)據(jù)傳輸至無線基站，無線基站收到數(shù)據(jù)后通過以太網(wǎng)接口將數(shù)據(jù)傳輸至上位機軟件?？罩袘?yīng)用時，無線基站也可通過RS422 方式接入遙測系統(tǒng)。

2 無線智能振動傳感器節(jié)點

無線智能振動傳感器主要包含數(shù)據(jù)采集模塊、核心處理器模塊，無線傳輸模塊，存儲模塊和電源模塊，其組成結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

2.1 硬件電路設(shè)計

2.1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要實現(xiàn)模擬振動信號的采集和調(diào)理。

“對，打鬼子，奪武器。但昨天，我們差點被鬼子包了餃子。好在天不滅我，蘭江救了我們一命。還遇上這四個國軍兄弟。

MEMS 傳感器選用意法半導(dǎo)體公司（ST）生產(chǎn)的LIS344ALH芯片，其具有高精度、高性能、低功耗、耐沖擊的特點。傳感器量程可通過處理器IO 管腳程控，在±2g 和±6g 之間靈活切換測量范圍。傳感器輸出三路相互獨立的模擬電壓信號。

傳感器信號經(jīng)過二階巴特沃茲低通抗混濾后輸入AD 采集電路。為保證數(shù)據(jù)的同步性，采用3 路相互獨立的AD 并行數(shù)據(jù)采集，并采用菊花鏈方式級聯(lián)，對外僅有一個SPI 接口。

2.1.2 核心處理器

無線智能傳感器的核心處理器采用意法半導(dǎo)體公司的基于ARM CortexTM-M4 內(nèi)核32 位的超低功耗微控制器處理器STM32L476RGT7，該芯片工作頻率可達80MHz，具有豐富的外設(shè)接口，STM32L476 微控制器運用全新的低功耗技術(shù)，優(yōu)化電源管理模式，最低功耗僅30nA。

2.1.3 無線通信模塊

圖1：無線智能振動傳感器系統(tǒng)組成

圖2：無線智能振動傳感器組成結(jié)構(gòu)框圖

圖3：無線智能振動測試數(shù)據(jù)

無線傳輸模塊選用NRF24L01 芯片，該芯片工作在2.4GHz 國際通用ISM 頻段，通訊速率最高可達2Mbit/s，技術(shù)成熟，且性能穩(wěn)定、性價比高。

表1：無線傳感器節(jié)點狀態(tài)

表2：無線傳感器Z 軸測試數(shù)據(jù)

2.2 軟件設(shè)計

2.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

無線智能振動傳感器節(jié)點內(nèi)部運行嵌入式軟件，軟件采用狀態(tài)機設(shè)計思想，根據(jù)不同的無線基站指令進入不同的狀態(tài)。無線傳感器節(jié)點共有7 個狀態(tài)，各個狀態(tài)說明如表1 所示。

具體工作流程如下：

（1）初始狀態(tài)傳感器節(jié)點處于Sleep 狀態(tài)，當(dāng)收到無線基站發(fā)送的喚醒指令時，節(jié)點進入WakeUp 狀態(tài)；

（2）在WakeUp 狀態(tài)下，傳感器節(jié)點向無線基站反饋各自的ID 標(biāo)識以及相關(guān)參數(shù)信息，隨后進入Standby 狀態(tài)；

（3）節(jié)點收到采集數(shù)據(jù)的參數(shù)指令后（相關(guān)參數(shù)主要包含采樣率、濾波頻率、量程等），進入Ready 狀態(tài)；在Ready 狀態(tài)下，等待數(shù)據(jù)采集。

（4）收到開始采集指令，進入MES_state，開始實時數(shù)據(jù)采集；當(dāng)收到結(jié)束采集指令時，進入Standby 狀態(tài)；

（5）在Standby 狀態(tài)下，收到存儲查詢指令后，進入TX_Save_Info 狀態(tài)，上傳節(jié)點的存儲信息，然后進入Standby 狀態(tài)；收到存儲數(shù)據(jù)上傳指令，進入TX_Save_data 狀態(tài)，上傳存儲的某次數(shù)據(jù)。

傳感器軟件設(shè)置多個狀態(tài)機，各個狀態(tài)相互獨立，互不干擾，可靈活切換。

3 無線基站設(shè)計

無線基站是整個系統(tǒng)的交互中心，通過以太網(wǎng)接口與上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)和指令交互，通過無線方式控制所有傳感器節(jié)點，起到“承上啟下”的作用。

無線基站采用ARM CortexTM-M7 內(nèi)核32 位的高性能微控制器處理器STM32F7 系列，工作頻率高達216MHz，能夠滿足100 個無線智能傳感器同時工作需求。

4 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件通過以太網(wǎng)口與無線基站連接，上位機軟件主要用于無線智能振動傳感器的控制以及數(shù)據(jù)監(jiān)控，具有友好的交互界面。

數(shù)據(jù)采集時上位機實時顯示數(shù)據(jù)曲線，實時統(tǒng)計當(dāng)前最值、均值、RMS 等特征值，而且上位機支持txt、CSV 等主流文件格式，便于各類數(shù)據(jù)分析軟件的讀取。

5 試驗測試

5.1 智能振動傳感器標(biāo)定

為獲取智能傳感器輸出電壓值與加速度值的對應(yīng)關(guān)系，將傳感器安裝在標(biāo)準(zhǔn)振動臺中，0-2g 等間隔選取10 個測點，測出輸出電壓值與加速度值的關(guān)系，然后計算出電壓值與加速度值的線性關(guān)系。如表2 所示。

將系數(shù)寫入傳感器內(nèi)部Flash 中，傳感器直接輸出加速度值。為進一步驗證傳感器的精度，將傳感器送至北京航天計量測試技術(shù)研究所進行傳感器校準(zhǔn)，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)顯示頻率響應(yīng)在1.2kHz 左右，傳感器幅值線性度相對偏差小于0.7%（@80Hz），最大橫向振動比為2.60%（@160Hz），滿足測量儀器設(shè)備的相關(guān)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

5.2 某飛行器搭載試驗

將無線傳感器通過兩個M3 螺釘固定方式安裝在某飛行器待測位置，進行搭載測試，在飛行器飛行過程中傳感器實時采集、記錄飛行器的振動狀態(tài)，成功獲取整個狀態(tài)下的時域數(shù)據(jù)，事后分析得出在此狀態(tài)下飛行器的頻響特性，為其安全飛行判斷和后續(xù)飛行器的改進提供有力保障，搭載測試數(shù)據(jù)如圖3 所示。

6 結(jié)論

本文針對飛行器飛行狀態(tài)振動測量困難的問題，設(shè)計了無線智能振動傳感器，該傳感器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)三軸振動的實時采集、存儲和顯示，而且具有體積小、精度高、操作便捷的優(yōu)點。