基于WIFI的无线声表面波传感器信号采集系统*

文常保，党双欢，朱 博，李演明，巨永锋

（长安大学电子与控制工程学院/微纳电子研究所，西安710064）

基于WIFI的无线声表面波传感器信号采集系统*

文常保*，党双欢，朱 博，李演明，巨永锋

（长安大学电子与控制工程学院/微纳电子研究所，西安710064）

将声表面波传感器与信号无线保真（WIFI）技术相结合，提出了一种基于WIFI的无线声表面波传感器信号采集系统。该系统由声表面波传感器、信号调理电路、处理器、WIFI模块和无线接收终端组成。声表面波传感器混频后的信号经过信号调理电路后，转换为处理器可计频的低频方波信号，并通过WIFI模块将采集到的信号无线发送到接收终端。通过一个输出信号范围在100 kHz～350 kHz声表面波传感器信号采集系统的实现，对该系统的结构、性能进行了验证和测试。实验结果表明，该系统可以实现测试范围内信号的采集、发送和无线接收，系统输入信号与无线接收终端接收信号之间的平均绝对误差为0.843 kHz，最大相对误差为0.51%，无障碍环境有效采集范围约为100 m，有障碍环境有效采集范围约为50 m。

声表面波传感器；WIFI；信号采集系统；无线

声表面波传感器由于具有线性度好、精度高、灵敏度高等优点，在物理、化学、生物等多种信息量的敏感测量中得到了广泛应用［1-3］。

目前，对于声表面波传感器信号的采集多采用网络分析仪、示波器、频谱仪等仪器配合相关电路来完成［4，5］。采集系统的体积、成本和复杂程度都不适宜于电子器件小型化、微型化、集成化的发展需要［6-8］。同时，对于采集到的声表面波传感器信号传输多采用有线连接的方式来完成，这对于一些有毒、有害环境下参量的采集，以及旋转移动和封闭狭小空间下测量目标的敏感测量就存在一定的局限和不足。

无线保真（WIFI：Wireless Fidelity）传输技术，是近年新出现的一种可基于网络的无线信号传输技术［9-11］。它采用IEEE802.11协议栈网络标准，内置TCP/IP协议栈，其通信速率高达11 Mbps。与传统的蓝牙模块、无线模块相比，其通信速率高，并可同时采用电脑、手机等多个无线智能终端接收信号，而且占用I/O口也比较少。在有效传输范围内，WIFI技术基本没有传输误差。而且，这种基于网络的无线信号传输技术只需通过无线路由器，就可以实现信号的中继和共享。

本文正是基于WIFI无线信号传输技术的特点，以及声表面波传感器信号采集及无线传输的客观需要，通过对系统信号调理等硬件电路的设计与下位机、上位机的软件设计相结合，提出并实现了一种基于WIFI的无线声表面波传感器信号采集系统。

1 系统结构与设计

1.1 系统结构

声表面波器件一个显著的特点是声表面波在晶体表面传播时，能量主要集中在晶体表面一个波长范围内，所以很容易受外界条件的影响，引起在晶体表面传播的声表面波的变化，进而引起声表面波器件本身频率、损耗及相位等参数的改变。因此，可以通过对器件本身频率、损耗及相位等参数的测量，从而实现诸如气体浓度等一些物理量的间接测量。

尽管，声表面波信号在晶体表面传播是声表面波器件可作为传感器使用的一个重要原因，但这一特点也使声表面波器件在测量过程中极易受到温度、湿度等环境因素的影响，从而间接影响到最终的测量信号的准确性。为了解决这一问题，通常采用两个声表面波传感器组成的双路声表面波传感器结构来排除环境因素的干扰。其中，一路作为测量传感器来使用，另一路作为参考器件使用，然后对两路器件输出信号进行混频运算取两路信号的差频值作为输出信号。

由于WIFI传输的是数据信号，而对两路声表面波器件混频后输出信号为模拟信号，要想将采集到的结果进行无线传输，就必须先将其转化为数据信号。另外，在信号采集、传输过程中会存在来自系统内部及外部的各种噪声信号对输出结果产生干扰。同时，混频后的差频信号为正弦波信号，这种信号在后续的分频处理中非常容易产生波形失真等问题。

因此，在基于WIFI的无线声表面波传感器信号采集系统设计中，首先需要对双路声表面波传感器混频输出信号进行滤波处理，滤除高频干扰信号，再经过整形电路转化为处理器可以计数的同频率方波信号。由于混频之后的信号频率较高，为了扩展频率计量范围同时降低对处理器的要求，可以在整形之后的信号通道上增加一个分频电路，使高频率信号转化为处理器允许采集范围内的低频方波信号。

基于上述思想，提出了一种新型基于WIFI的声表面传感器信号采集系统结构，系统主要由声表面波传感器、信号调理电路、处理器及外围电路、WIFI模块以及接收终端组成，系统的结构框架如图1所示。其中，信号调理电路包括滤波电路、整形电路和分频电路。处理器负责整个系统的控制和频率信号的测量，并且将测量得到的信号数据通过WIFI模块实时地传送到无线接收端。

图1 系统的结构框架图

1.2 系统设计

基于WIFI的无线声表面传感器信号采集系统的设计工作包括系统硬件和软件两部分。其中，硬件设计任务包括信号调理电路和处理器外围电路设计。软件设计任务包括处理器端下位机程序设计和接收终端上位机程序设计两部分。下位机程序设计主要包括测频程序设计和与WIFI模块通信程序的设计。

滤波电路采用无源滤波，用L、C无源器件降低相应谐波电流通路的阻抗，与有源滤波相比可有效减小系统功耗。整形电路选用反相器，通过设置偏置电压实现信号的反转，从而将信号转化为可计数的方波信号。选用计数芯片对信号进行分频，内置加法计数器，采用快速进位电路，计数速度较高。具体信号调理电路结构如图2所示。

图2 信号调理电路结构图

51系列处理器外围电路设计包括复位电路、晶振电路、显示电路以及WIFI模块接口电路，如图3所示。图3中电解电容C1和电阻R1、R2组成复位电路，C2、C3、Y1构成晶振电路。P2.7-P2.5分别配置显示器的使能端及控制端，P0口连接上拉电阻，接入液晶显示的八位数据端，滑动变阻器R3用于调节背光。分频电路的输出端接入外部中断P3.3口。处理器与WIFI模块之间是TTL串口连接，而处理器输入输出电平即为TTL电平，所以可将模块的RX/TX端分别接入处理器的RXD/TXD端。

图3 处理器外围电路结构图

对于声表面波传感器混频后的频率测量，可以通过将处理器定时1 s，计外部中断下降沿的个数实现频率的测量。定时1 s通过中断定时50 ms，进20次中断来实现。在中断函数中每次重新装入初值，定时器每次进中断50 ms，判断进入中断次数是否等于20，即判断定时时间是否达到1 s。若定时时间达到1 s，则将外部中断所计下降沿个数传递出来，即为信号分频后的频率值，再通过软件算法计算正确的频率值。同时外部中断计数清零，开始重新计数，就实现了频率的反复实时测量。具体测频流程如图4所示。

图4 测频流程图

WIFI模块与处理器之间通过TTL串口通信。串口中断服务程序中，首先判断接收中断标志位RI是否为1，若为1，说明已经进入了中断发送数据。此时需将串口关闭，ES置0，RI清0，保证中断接收正常，不再产生中断。最后将flag标志位置1，以便使主程序执行条件程序，再打开中断。当主函数while循环中检测到flag为1时，将频率值存入SBUF，然后用while（!TI）等待是否发送完毕，发送完毕TI位被硬件置1，需要用软件清0。最后，再将flag置为0。

上位机在Windows系统下，基于C#语言设计，该语言综合了VB简单可视化和C++高效率运行的优点。C#中提供了System.Net.Sockets命名空间，里面包含了Socket类，Socket相当于TCP/IP网络的API。通过Socket编程设置IP地址和端口，将WIFI模块与接收终端连接在一个局域网内。处理器发送给WIFI模块的数据被转化成网络数据，发送到上位机上。

2 实验与结果分析

2.1 实验

为了验证该基于WIFI的无线声表面传感器信号采集系统的可行性，这里选用文献［12］中的声表面波振荡器作为声表面波传感器，对系统的信号采集和无线传输功能进行了实验验证，其混频后输出频率范围在100 kHz～350 kHz之间，该频率范围可以满足对微小变量的传感。

根据系统设计方案可知，采集系统需要3个计数器，第一个用于方波下降沿个数的测量；第2个用于对机器时钟进行分频，为测频计数器提供秒脉冲；第三个作为与通信模块接口电路的波特率发生器。因此，这里选用具有三个计数器的89C52处理器作为整个系统的控制中心。接收端选用支持无线LAN的笔记本电脑。为了降低功耗、提高传输速率，选用电源功耗为1.2 W、RAM为64 M的WIFI无线模块。整形电路中反相器选用74LS04，其最大输入低电平为0.8 V，最小输入高电平为2.0 V，因此设置偏置电压为1.4 V，为保证整形输出信号有足够的斜率（使其近似方波），连接两个反相器。分频电路设计十分频后频率在10 kHz～35 kHz范围内，可以满足处理器计数要求。计数芯片选用可预置的十进制加法计数器，内部有六个J-K触发器的74LS160芯片。各触发器在相应有效脉冲翻转一次，当第十个脉冲到来时，RCO将产生进位输出，从而实现对方波信号的十分频。最终，所设计、制作的基于WIFI的无线声表面传感器信号采集系统如图5所示。

系统中处理器内置16位定时器，设置定时器0为方式1，16位定时模式。晶振为12 MHz时，机器周期为1 μs，定时器0高八位TH0和定时器低八位TL0溢出需要65 535个数，因此溢出一次约需要65.5 ms，计50 ms就是50 000个数。但是，为了使在串口通信中定时器的初值为整数，不至于产生波特率频率误差，系统设计选用11.059 2 MHz的晶振。此时，机器周期为约为1.09 μs，计50 ms时计数个数约为45 872。分别由式（1）和式（2）计算定时器TH0和TL0的初值。

式中：N为计数个数，n为定时器位数，“/”是取整运算符，“%”是取余运算符。

WIFI模块与处理器间的串口通信需设定定时器1为方式2，8位初值自动重载M1位为1，M0位为0。置SM0位为0，SM1位为1，设置串口方式为方式1，10位数据异步，1位起始位，8位数据位，1位停止位。设置波特率为9 600，计数寄存器的初值由式3中波特率的计算公式推出，计算得初值十六进制为0Xfd。初始化程序中将TR1位置1，启动定时器1；ES置1，打开总中断。

式中：Br为设置的波特率，fosc为单片机晶振的频率，X为计数寄存器的初值。SMOD与串口通信波特率有关，SMOD为1，波特率加倍，SMOD为0，波特率正常。

上位机Socket编程，首先设置WIFI模块的IP地址和端口，将IP地址和端口转化为IPEndPoint实例，用Send函数向WIFI模块发送测试信息，用Receive函数来接收返回信息。

2.2 结果分析

使用Agilent7032示波器，对声表面波传感器混频输出信号为100 kHz时的整形和分频后输出信号进行测试，结果如图6所示。由图6可以观察到，该电路可实现混频后输出信号的整形与分频。

图6 输出信号对比图

在100 kHz～350 kHz实验范围内，对双路声表面波传感器混频后频率信号的混频输出频率f1、下位机采集频率f2、上位机采集频率f3进行了采集，得到的部分数据如表1所示。

表1 实验测量数据

对比表1中f2和f3数据可知，下位机采集频率值与上位机采集的频率值之间差值为0。这是因为WIFI模块具有无线保真技术，在有效传输范围内传输稳定无误差。绘制下位机采集频率f2与混频输出频率值f1之间的误差曲线，得到f2与f1之间误差图如图7所示。

图7 下位机采集误差图

由图7可知，下位机采集的最大绝对误差为1.31 kHz，最小绝对误差为0.36 kHz，经计算，平均绝对误差为0.843 kHz，最大相对误差为0.51%。f2与f1的差值都为正值，也就是说下位机采集频率值偏大，这主要是因为电路中干扰引起的波动也会被单片机计入下降沿。

在无障碍和有障碍环境下，分别测试了WIFI的传输距离。其中，在无障碍环境下WIFI传输距离测试结果如图8所示。固定采集端O，改变接收端与采集端的距离，对接收端进行观测。由图8可知，在无障碍环境下WIFI传输最大距离为100 m。当接收端在WIFI有效覆盖范围内时（如A类点），可以实现可靠的数据采集；当接收端在WIFI有效覆盖范围边界处时（如B类点），能够搜索到无线网络，但无法可靠的实现数据采集；当接收端在WIFI有效覆盖范围之外时（如C类点），无法搜索到无线网络。

图8 无障碍环境WIFI传输距离测试图

系统在有障碍环境下工作时，无线传输中会发生数据丢失或出错现象。因此在发送数据中加入自定义帧标识，接收到的数据帧标识有误，丢弃该数据，相应数据补零处理。因为出现零信号的机率小，并且在后续的数据处理中，可以通过软件消除该误差，所以对一段过程频率信号的采集影响很小。由非补零数据所占比率计算通信有效率。在楼宇环境下测试选取100 m直线通信距离，每隔5 m作为测试点，对采集到的数据进行存储并计算通信有效率，测试结果如图9所示。

图9 有障碍环境WIFI传输距离测试图

由图9可发现50 m以内系统通信有效率在95%以上，在50 m处系统通信有效率明显下降，80 m处已下降到21%。所以本系统在楼宇环境有效通信距离为50 m。楼宇环境有效通信距离明显小于无障碍环境，主要是因为信号遇到建筑物等障碍物，被吸收、反射或折射。

3 结论

本文提出了一种基于WIFI技术的声表面波传感器信号采集系统，通过对以处理器为控制中心的信号采集系统硬件电路的设计，对下位机测频程序、处理器与WIFI模块串口通信程序以及上位机接收程序等软件设计，实现了一个完整的基于WIFI的声表面波无线信号采集系统。WIFI传输采用IEEE802.11协议，通信稳定。系统实现了对数据采集速率的控制、数据的动态显示与存储，以便对数据进行二次处理。经实验验证，系统采集相对误差在0.51%范围内，系统误差小，稳定性高。

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［12］文常保，方吉善，巨永锋.一种新型声表面波振荡器系统的设计研究［J］.电子器件，2014，37（2）：240-244.

文常保（1976-），男，教授，博士/博士后。2012年到2013年在美国University of South Florida从事访学研究工作，主要从事真空微纳电子器件、信息处理器件及传感器的研究，estlab@chd.edu.cn；

党双欢（1991-），女，硕士研究生。主要研究方向为传感器及信号处理，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

项目来源：国家自然科学基金项目（60806043，61473047）；陕西省自然科学基础研究计划项目（2015JM6271，2013JC2-25）

2015-04-13 修改日期：2015-07-24