石英挠性加速度计网络化自主测试系统*

陈雪冬， 张 德

(中国工程物理研究院 电子工程研究所, 四川 绵阳 621900)

石英挠性加速度计网络化自主测试系统*

陈雪冬， 张 德

(中国工程物理研究院 电子工程研究所, 四川 绵阳 621900)

针对在石英挠性加速度计性能检验与监测、退化机理等研究中，对加速度计输出信号快速准确采集的需求，设计一种高精度自主测试系统。提出了基于Zig Bee无线自组网的网络化测控方案，设计了适用于测控环境相对分散的分簇拓扑网络结构，以CC2530为核心设计了加速度计无线采集节点与智能无线控制终端，基于AD7734设计了加速度计高精度A/D转换电路。基于Z-Stack协议栈实现无线网络节点组网控制、数据传输程序设计，基于C#实现上位机终端控制台设计，针对大规模节点数据设计了一种高速数据帧结构，并采用了握手传输机制。经实际应用证明:系统采样误差低至0.049 mV，可同时对40只加速度计进行长时间自主数据采集，并完成简单数据分析。系统可用于加速度计性能分析与建模研究中。

加速度计； 采集； Zig Bee； 无线控制； 自组网

0 引 言

石英挠性加速度计是惯性导航系统的关键部件之一，其性能直接影响导航系统的精度与可靠性。石英挠性加速度计在静态贮存的环境下，其性能会发生退化，因此,监测加速度计输出特性，建模并分析加速度计性能具有重要意义。在实际生产过程中对加速度计的测试大多采用手动测试，这种测试方法误差大、效率低，且人力成本大。

文献[1]基于PCI数据采集卡，设计了加速度计自动测试系统，能够实时测量加速计等输出电压；文献[2]设计了集成加速度计姿态控制、数据采集与处理于一体的系统，可同时对多只加速度计进行标定；文献[3]基于GPIB总线的一种加速度计性能分析平台，集成了数据采集、处理及性能参数模型建立与误差预测估计。上述系统极大程度地提高了加速度计测试的可靠性与效率，同时提供了一种加速度计输出采集、数据处理、误差分析与性能预测集成系统的可行方案。

Zig Bee技术是一种低功耗、低成本的短距离无线自组网通信技术，近年来被作为无线传感器网络广泛应用到各行业中。文献[4，5]利用Zig Bee芯片CC2430设计了针对输电线路与变电站环境的无线监测系统；文献[6]利用Zig Bee芯片CC2430设计了针对煤矿矿井人员安全的无线监测系统；文献[7]基于Zig Bee技术设计了适用环境监测与工业控制的无线数据采集系统；文献[8，9]设计了基于Zig Bee技术环境监测系统并应用到农业生产。

针对石英挠性加速度计在生产和贮存过程中性能测试的需求，以提高加速度计测试效率和精度为目的，本文采用网络通信技术设计一种加速度计批量网络化自主测试系统。系统不需复杂的布线，降低测试系统组建的复杂度，已应用到某型石英挠性加速度计性能研究中。

1 系统结构

系统以路由节点为簇头形成分簇，形成分簇的树形网络，一个分簇最多可容纳10个无线采集节点。网络中的数据主要由自Zig Bee终端节点上传至协调器的加速度计数据帧和由控制台发起经协调器转发至簇头的控制命令帧。

图1 系统网络拓扑结构Fig 1 Network topology structure of system

2 系统硬件设计

控制台通过无线控制智能无线控制终端，从而控制智能终端±15 V电源输出的导通和断开，进而控制连接在智能无线上的加速度计无线采集节点的电源通断，使加速度计工作状态按照上位机终端控制启动和停止。

2.1 加速度计无线采集节点

加速度计无线采集节点以CC2530为核心，利用24位高精度A/D转换器AD7734，实现加速度计输出信号A/D转换，节点结构如图2所示，由40 Ω的高精密度采样电阻器、A/D转换单元AD7734,CC2530射频单元和电源转换模块组成。

石英挠性加速度计输出信号为电流信号，经采样电阻器转换为电压信号后由AD7734采样。CC2530射频单元为Zig Bee终端节点，实现加入网络与数据传输与处理功能。

早期发现的斜颈患儿的基本护理都是在家里完成的。宝宝患病初期会出现疼痛、向某个方向难以转头的问题，将患儿所处的环境或睡姿调整一下，鼓励他稍微向困难一侧转头。比如调整宝宝躺着的方向，使他转头困难的一侧冲着窗户，这样窗外一有动静他就会想要扭头看，可以起到锻炼的作用。约有10%～20%患有斜颈的患儿会同时伴有髋关节发育异常，应该引起父母的注意。

图2 Zig Bee感知节点结构Fig 2 Structure of Zig Bee sensing node

2.2 智能无线控制终端

智能无线控制终端以CC2530为核心，基于单刀单掷开关ADG5212扩展出10路数字开关，终端接收汇聚节点发送的控制命令，通过控制ADG5212通道的通断控制10路±15 V隔离电源输出，连接到加速度计无线采集单元。

智能无线控制终端结构如图3所示，CC2530射频单元为Zig Bee路由节点，主要实现加入网络与接收控制命令、控制ADG5212对应的开关通道。终端占用CC2530芯片10位I/O引脚，与ADG5212输入控制引脚IN直接相连。

图3 智能无线控制终端系统框图Fig 3 Block diagram of intelligent wireless control terminal system

电源控制单元主要由3片ADG5212与10片SWH05A—28D15A集成DC/DC组成。SWH05A—28D15A为单路±15 V隔离电源DDC模块，采用28 V工作电压，5 V电平信号即可驱动其使能端INH，为被测的加速度计提供相互独立的电源输入。

3 系统控制程序设计

3.1 上位机终端系统软件功能分析

上位机终端软件功能结构如图4所示。系统根据并发串口模块收集串口数据并进行帧完整性匹配后，通过解析中心并对象化后存入高效数据结构供其他模块使用；加速度数据则通过滤波算法与标定值校正后存入对应文件；波形显示则读取内存中的最近30条数据并自动刷新显示；配置模块完成算法配置、文件转换、硬件设备入库与端口映射配置等；控制模块则发送控制命令到串口，以达到控制加速度节点工作。

图4 控制台程序结构Fig 4 Program structure console

3.2 高效数据结构设计

针对大规模加速度计数据应用场景，数据被频繁传入软件系统，因此，系统设计一种高速数据帧结构，快速识别出该数据所属的加速度计，高速数据帧结构如图5所示。

图5 高速数据帧结构Fig 5 Structure of high speed data frame

该软件系统采用Hash表与ArrayList来管理节点，Hash表使用散列函数Hash将关键字(key)映射到表Hashtable，从而达到以常数时间完成任意关键字输入的查找任务O(1)。ArrayList内部使用数组完成，也可实现由以常数时间完成任意关键字输入的索引任务O(1)。

软件系统收到一个完整的描述符帧时，则查找nodeMacIndexHash表，如果该节点已经存在则更新该节点信息，如果不存在则将该节点的信息映射到Hash表与List数组中。

软件系统收到一个完成的加速度帧时，则根据短地址查找Node Addr IndexHash来确定索引Index，根据Index索引来确定NodeInfo Array来获取加速度节点信息，如图6所示。

图6 节点信息索引示意图Fig 6 Diagram of node information index

3.3 基于握手机制的控制命令可靠传输

控制台软件系统与Zig Bee协调器之间传输的数据主要有上传的加速度计数据、下行的控制命令。Zig Bee网络传输速率较小，且CC2530串口收发处理能力的限制，在节点数据量较大时，下行的控制命令存在丢包。为了达到精确控制，该软件系统与Zig Bee协调器之间控制信息通信采用握手法则进行协调。

其步骤为：

1)由Zig Bee协调器设置一组时间序列，在这个时间序列内，数据上传的时间长度为2 s；

2)Zig Bee协调器这个连续时间内上传数据；

3)接着Zig Bee向上位机终端发出控制命令请求，并等待控制台应答，等待时隙为40 ms；

4)在等待时隙内若收到控制台应答或命令，则执行相关操作，否则,协调器在时隙结束后返回第2步继续执行。

控制命令传输过程由Zig Bee协调器发起，如图7所示，(a)为上位机终端命令通道空闲，(b)为上位命令通道繁忙且成功发送。Zig Bee协调器发送空闲请求时，上位机终端发送已经在排队的编号为k的控制命令，Zig Bee协调器收到控制命令则返回编号为k的ACK。

图7 控制命令传输示意图Fig 7 Diagram of control commands transmission

上位机终端的控制命令排队示意图如图8，timer 1时共n个命令排队，在timer 2收到空闲请求时，软件系统下发命令1，在timer 3时收到ACK，则将队首的元素剔除，继续等待协调器的下一次空闲请求。

图8 控制命令排队示意图Fig 8 Diagram of control command line

4 网络化自主测试演示系统

通过软硬件设计、制作、调试与改进，完成了加速度计网络化自主测试演示系统的研制。如图9所示，为硬件演示系统现场应用情景图。

图9 网络化自主测试演示硬件系统Fig 9 Hardware system of networked autonomously test demo

图9中包含两个的加速度计测试簇，分别包含了10只、8只被测加速度计，而实际测试应用中，可包含多个这样的测试簇，并相对分散地布置与测试环境内。无线网关(协调器节点)则通过USB转RS—232接口连接到计算机控制台端。

图10为本系统监测下部分石英挠性加速度计数据，图示以天(d)为单位，记录了加速度计在27 d内的输出数据特性。

图10 石英挠性加速度计测试数据Fig 10 Test datas of quartz flexible accelerometer

5 结 论

本文所述的加速度计网络化自主测试系统，完成了软硬件设计与调试并获得应用，经实际应用证明：1)加速度计采集节点采样误差为0.152～0.049 mV，实现了高精度、高分辨率采样；2)系统可在24 h连续不间断的工作条件下，稳定运行时间大于100 d；3)系统可支持40个加速度计无线采集节点同时采集工作；4)系统可根据数据采集的需求，灵活配置节点单次采集时间、单位时间内的采集次数，并以较

准确的控制精度管理加速度节点的工作时长。

[1] 胡佩达,董景新,赵长德,等.微机械加速度计自动测试系统[J].中国惯性技术学报,2008,16(2):212-215.

[2] 刘 梅,李秋萍,潘成炜.一种加速度计自动测试系统的设计与应用[J].航空精密制造技术,2010(5):9.

[3] 赵 媛,尚雅层,刘 岩,等.石英挠性加速度计性能分析平台的构建[J].弹箭与制导学报,2010,30(5):193-195.

[4] 黄新波,罗 兵,刘存孝,等.采用 Zig Bee 芯片的无线加速度传感器网络节点的实现[J].高电压技术,2010(8):1962-1969.

[5] 梁湖辉,张 峰,常 冲,等.基于Zig Bee的变电站监测报警系统[J].电力系统保护与控制,2010(12):121-124.

[6] 张东伟.基于Zig Bee技术的井下人员定位系统的设计[D].西安：西安科技大学,2010.

[7] 纪丽猛.基于Zig Bee 技术的无线数据采集系统研究与设计[D].秦皇岛：燕山大学,2013.

[8] 韩华峰,杜克明,孙忠富,等.基于 Zig Bee 网络的温室环境远程监控系统设计与应用[J].农业工程学报,2009(7):158-163.

[9] 石繁荣,黄玉清,任珍文,等.自适应 Tree-Mesh 结构的大棚无线监测网络设计[J].农业工程学报,2013,29(5):102-108.

Quartz flexible accelerometer networked autonomously test system*

CHEN Xue-dong, ZHANG De

(Institute of Electronic Engineering,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621900,China)

To acquire quartz flexible accelerometer output signal quickly and accurately,a high precision autonomously test system is designed.Networked measurement and control solutions based on Zig Bee wireless Ad Hoc networks is proposed.Clustering topology network architecture is designed which is suitable for measurement and control environement of relative dispersed clustering topology network structure,and accelerometer wireless acquisition node and intelligent wireless control terminal are designed based on CC 2530,high precision A/D converter circuit is designed based on AD7734.Based on Z-Stack protocol zack realize designed of wireless network nodes networking control and data transfer program,and upper PC terminal console is designed based on C#,a high-speed data frame structure is designed,aiming at large scale node datas,and handshake transmission mechanism is used.Through practical application shows that,sampling error of the system as low as 0.049 mV,and can simultaneously and autonomously aquire datas by 40 accelerometers,achieve analysis on simple data.The system can be used for accelerometer performance analysis and modeling study.

accelerometer; acquisition; Zig Bee; wireless control; Ad Hoc networks

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0065—04

2014—04—21

绵阳市科技计划资助项目(10J006)

TP 274+.2

A

1000—9787(2014)08—0065—04

陈雪冬(1967-)，男，湖南邵阳人，工学硕士，工程师，一直从事物理引信研究。