基于PS021的无线应变测量系统研究

蒲忱　余东淼

摘 要：基于应变的测量需求越来越多，本文针对传统的应变测量系统的各种弊端，设计了基于TDC的应变测量系统。本文利用基于TDC技术（时间数字转换器）的PS021芯片来设计应变测量系统。在数据传输方面，对比了常用的数据传输技术，最终采用基于微功射频技术的NanoPAN5375来搭建无线数据传输系统。

关键词：应变测量；TDC；PS021；Nano

Abstract：The requirement of measurement based on strain are more and more，in this paper，aim to the disadvantage of the traditional strain measurement system，design the measurement system based on TDC.This paper use PS021 which based on TDC technology to design the measurement system of strain.In terms of data transmission，compare the common technology of data transmission，at last，use the NanoPAN5375 which based on micro-power RF technology to set up the system of data transmission.

Key words：train measurement；TDC；PS021；Nano

应力应变测量被广泛用于多个行业内，常常作为建筑、石油、水利水电、桥梁、铁路、机械等行业的一项基本测量内容。如果将应变片贴在各类弹性敏感元件上面，便可构成测量力、位移、加速度、压力等各类参数的压变式传感器。因此，一直以来应变测量仪的设计和开发都是一个热门话题。

尤其是在水利水电行业，应变测量对大坝的安全监测起着举足轻重的作用。基于应变的大坝安全监测可以追溯到20世纪30年代[1]。

传统的应变测量系统，主要是通过AD转换来实现，这需要对应变信号进行很多步骤的预处理，包括：平移、放大、滤波等。而实际应用中，由于现场环境的制约以及人们对数据精度的要求日益提高，传统的AD转换已经不能满足应变测量的要求。

同时，现有的应变采集系统往往是通过导线将应变片组成的压变式传感器和采集系统连接，将传感器的信号先送往采集器，然后再进行统一的处理。在现实监测应用中，这种方案需要很多导线，则需要很长的时间准备。而且较长的线路也会影响测量的精度。同时，通道数固定，所以可扩展性很差。

为此，必须结合目前最前沿的科技，对现有的应变测量系统进行改进，才能满足高精度、高效率的测量。

1 常用应变测量方案介绍

随着科技的进步和人们对应变测量更加的重视，现有的应变测量方法主要有下面几种：基于ADC（模数转换）的应变测量、基于光纤的应变测量、基于视频图像的应变测量、基于TDC（时间数字转换）的应变测量[2]。

基于模数转换的应变测量方法是现阶段最为常用的测量方法。该方案由应变片组成一个电桥，通过精密的激励源对此电桥产生激励，然后对电桥的输出进行平移、放大、滤波等模拟信号处理。最后将经过调理的信号输入AD转换器，由此得到应变信号。此类方法作为一种常用的应变采集技术，成本低廉，技术成熟。但是该方案需要很多的附加电路，因此功耗很大，设备体积较大。而且，该方案较易导线长度和电磁干扰等影响。

基于光纤的测量方法是基于光纤应变来实现的，其主要原理是，把光纤应变片两端贴在被测物表面，但应变片的中间是悬空、凸起的。如此，当被测物发生形变时，应变片的两端就会有相对位移，进而光纤输出功率就会发生变化。于是，测出光纤的输出功率，结合先前标定数据，便可以测算出被测物应变。基于光纤的应变测量方案有不受温度、湿度等因素影响，不受电磁干扰等特点。但其价格昂贵，同时光纤应变片不能承受较大的振动。由此，该方案主要应用于大型的结构，如桥梁的应变长期检测。

基于视频图像的应变测量方案主要是应用图像处理技术对应变进行测量。其原理是，在被测物的表面做两处标记，然后用摄像头对标记进行拍照或者摄像。随后对得到的图像进行处理，计算出两个标记之间的相对位置变化，因而测算出被测物应变。该方案主要用于传感器布置不方便，被测物变形方向明确的情况下。

基于时间数字的应变测量系统的核心单元是TDC。TDC是近些年发展起来的新兴技术，它应用高速CMOS数字电路结构，可实现非常高精度的時间测量。TDC的内部核心利用信号通过逻辑门的时间延迟来量化时间间隔，也就是说它计算在一定时间间隔内通过的反相器个数。TDC对传感器电容的充放电时间进行高精度测量，进而达到对应变片信号进行测量的目的。TDC测量具有电路系统简单，测量精度高，功耗低等优点。

2 基于TDC的PS021介绍

目前比较常用的TDC芯片为德国ACAM公司的PS021。PS021作为一款数字化测量芯片，具有绝大多数传统ADC芯片所不具备的优点[3]。PS021所具备的优点如下：

⑴PS021内部设有很多寄存器，可以对寄存器进行软件编程，以改变PS021的工作模式，达到应对不同测量方案的目的；

⑵PS021内部可以进行稳定零点漂移的补偿，而不需要使用传统的电压偏移方法来调整测量电桥的零点；

⑶PS021具有超低功耗的优点，是传统的ADC芯片无法企及的。即便是把应变传感器包好在内，其最低消耗电流能达到15uA。

PS021应变电阻数字式放大器的内部结构如图1所示：

由图1可知，PS021主要由时间数字转换单元，排序单元，数字信号处理单元，写寄存器，读寄存器，SPI数字接口，温度测量单元及时钟控制单元等主要部分组成。

PS021对应变电阻的变化测量，主要是对放电电容Cload的放电时间进行测量。如图2所示，被测的应变片与电容Cload组成了一个低通RC滤波器。测量一开始是，Cload先充电到Vcap，然后再通过电桥的应变电阻放电，当放电到Vtrig时，放电时间就会被TDC时间数字转换器获得。

3 PS021采集系统的搭建

测量系统需要一个控制系统对PS021进行控制。控制系统主要包括以下功能：接收上位机的命令，并进行响应，将命令传输给PS021；同时，接收PS021采集到的数据，进行处理，然后发送给无线传输模块nano。

由图3[3]和图4可知，PS021的读和写都只需要SPI接口。控制系统可以通过SPI向PS021写入地址、操作码、寄存器值等信息，同时控制系统也可以通过SPI从PS021中读取到测量数据。

目前市面上可选择的可编程控制器有很多，如DSP，单片机，FPGA，ARM等。考虑到系统的特殊情况，如系统体积小，功耗小，接口多，价格便宜等原因，最后选择32位的ARM——STM32。

STM32具有：极低的功耗；极大程度的集成整合；具有丰富的接口，如SPI总线，SDIO接口，在满足系统功能的基础上，具有可扩展性；同时，STM32可以选择固件库进行开发，不需要接触底层的寄存器，这样可以缩短开发周期。

STM32按图5所示流程对PS021进行初始化。

4 无线传输方案设计

除了数据采集是否准确与高效，无线传输系统是否可靠和实时是评判无线无线应变测量系统的另一标尺。21世纪以来，数据无线传输技术得到了飞速的发展，无论是传输的稳定性，还是传输速度，以及传输距离都得到了极大的提升。

目前常用的无线传输技术有射频，蓝牙，WIFI，红外等几种。无线传输方案的选择，主要从灵敏度、频率响应和可靠性等方面进行考虑。如表1所示，把几种常用的无线传输方式进行了详细的对比，如此一来，我们可以选择适合的无线传输方案。

由表1可知，微功率射频与其他几种方案相比，具有高速、远距离和可扩展性等优点。因此，选择微功率射频技术为该方案的无线传输方案。经过仔细的比较和筛选，最终选择NanoPAN5357（简称Nano）无线高速传输模块为该方案的无线传输技术。

Nano分为无线发送模块和无线接收模块。无线发送模块通过SPI接口和控制器进行数据交换；无线接收模块通过USB接口和PC进行连接。

5 检测系统集成与应用

按照图6所示，搭建整个检测系统。控制系统STM32作为检测系统的核心部分，对采集模块进行配置，同时接收采集模块发送来的数据；同时，STM32通过SPI总线将处理过的采集数据发送给Nano发送模块。Nano的接收端接收到发送端发送来的数据，然后通过USB接口发送给PC端。由PC端对检测数据进行存储和分析。

6 总结

本文对现有的应变采集方案进行了讨论，最终选择了基于TDC技术的PS021芯片来搭建应变检测系统。通过对比常用的无线通信技术，结合应变检测系统的具体需求，选择了NanoPAN5357模块来建立无线数据传输系统。通过微控制器STM32来结合应变采集模块和无线通信模块。对无线应变采集系统提供了一个完整的方案，具有可行性。

[参考文献]

[1]赵志仁，徐锐.国内外大坝安全监测技术发展现状与展望[J].水电自动化与大坝监测，2010，34（5）：52.

[2]邓霏.基于PS02 1的高速无线测力轮对系统研究[D]，西南交通大学，2013.

[3]Acam mess.Electronic Ltd The TDC Cookbook[z].2002.

[4]英明，金仁成.嵌入式无线传感器網络节点设计与通信研究[J].大连理工大学学报，2008，48（9）：749—750.