基于无线传输技术的振动数据采集系统

2016-09-06张浩

中国科技信息 2016年7期

张浩

基于无线传输技术的振动数据采集系统

张浩

本次设计计划将无线控制技术与无线传输技术相结合并应用到振动数据采集系统，将振动传感器采集到的数据通过wifi无线传输到上位机。以无线数据传输代替传统的有线传输，有效的解决了受周围条件影响而布线不便等问题，同时有效的降低了噪声干扰。本文以脚步声振动为采集对象，根据信号特性及系统预计的功能，在硬件、软件方面进行了优化设计。在硬件设计方面，选择了nRF905芯片作为无线通信模块，STM32F407ZGT6作为振动数据采集端的控制芯片，并结合实际情况设计了调理电路、信号A/D转换电路等硬件电路，并提出了两项具体的抗干扰措施。本文在软件设计方面，依据模块化的设计思想分别对各部分的主程序、子程序进行设计，并绘制了相应模块的程序流程图。完成系统整体设计后，还详尽的进行了采集系统的整体调试并达到了预定的振动信号采集分析效果。本系统在公共安全、家庭安防领域有着广泛的应用。

数据采集传输技术对于社会公共安全来说是很重要的，在科学体系的分类中，数据采集传输技术尤其是振动数据采集的相关产业已近成为公共安全防范领域的重要组成部分。基于社会发展的要求，本系统将当下流行的无线技术与振动数据采集系统结合起来，以此来代替传统的有线数采系统，凸显了无线控制方式相对于有线连接成本低、传输过程中干扰少、可靠性高的特点。在当今社会节奏日益加快，人口的流动性不断增加，社会结构日趋复杂的情况下，人们的家居安全防范的意识越来越强，为了满足人们日益增长的家居安全防范的需求而设计开发的本系统预期应用到无线控制的智能家居安防系统。另外，这种把无线技术与数据采集结合到一起的系统具有很高的实用性，对实现远程遥控也具有重要的意义。

振动数据采集系统总体设计方案

本文设计的新型振动数据采集系统是无线控制技术、wifi无线传输技术和振动数据采集的融合，它共分为三部分，即振动数据采集端、MCU控制部分及wifi无线信息传输。振动数据采集端是对SW-520D振动传感器输出的微弱电压信号进行采集、转换等操作。数据采集端与MCU控制端是通过无线wifi技术连接，即所有的控制命令和采集的振动数据都是以wifi通信的方式传输的。具体的流程图如图1、图2所示。

基于无线传输的硬件电路设计

本系统设计的核心是硬件电路，新型振动数据采集系统的性能在很大程度上取决于电路的设计。硬件电路的设计包括关键元选器件的选定、根据系统总体设计要并设计电路原理图、确定系统所需扩展的调理电路、A/D电路等相关的一系列外围电路。PCB 板制作完成后，需要对系统的硬件进行测试，检查系统的硬件电路是否焊接无误，是否有短路、虚焊现象发生。

本次硬件电路设计中选用了作为A/D转换器，ADS1274是一款4通道复用，24位差分输入的高性能、单片模/数转换器，具有高速度、高精度、低功耗等特点，在20KHZ的采样频率下能够达到18位分辨率，对微弱振动信号有较高的分辨率，满足微弱振动信号探测的要求，适合于振动监测应用。本系统依检测脚步声的实际要求，设定完成AD转换之后的数据以串行的方式进行输出，从而进一步简化了ADS1274转换器与STM32F407之间的连接，进而提高了AD转换电路设计的可靠性。ADS1274的引脚图如图3所示。

根据脚步声振动数据采集的实际要求，振动加速度计的测量范围应为士25g，为了提高振动传感器的灵敏度，在硬件设计时中加入了调理电路并选用。AD8628是将低成本与高精度、低噪声特性融于一体的运放，且无需外部电容，采用2.7 V至5 V单电源供电，同时也可以选择双电源供电。AD8628运算放大器的在调理电路设计中的应用原理如图4所示。

基于无线传输的软件设计

图1　振动数据采集部分框图

图2　MCU控制部分框图

本次软件部分根据新型数据采集系统总体设计方案的需求并结合已设计完成的硬件电路，设计出能够实现振动采集系统预期效果的控制程序。本次软件设计依据模块化设计思想大体上分为两部分，即振动数据采集部分和上位机或PC端控制部分。应用模块化的设计思想进行软件设计，分块编程不仅增强了主、子程序程序的可读性，而且便于系统整体进行软硬件的仿真和调试。

图3　

图4　

数据采集端的软件设计

装有振动传感器的PCB板上电工作后首先应对其进行初始化，具体包括与串行口通信的基本配置，向nRF905写入配置字等，然后将单片机的实际运行状态通过异步通行串行口发送至STM32F407控制芯片，接下来采集端单片机便处于等待寻址查询的状态。单片机CPU处理器不断发送指令，实时查询串行端口的现行标志位；当CPU收到串行的现行标志位置位的信息时，单片机立刻开始从串行端口接收来自上位PC机的指令，最后根据不同系统指令完成相应的操作，最后返回相应的状态。

控制部分的软件设计

在主程序开始运行之前，首先应对MCU进行初始化设定并且向nRF905写入配置字，使芯片处在接收状态下，然后设定初始状态为O并开启中断响应。之后，MCU将不间断访问查询的本机实时运行状态，当单片机机的运行状态发生变化时， STM32F407便转入对应的运行状态执行发送的操作命令，各指令与操作对应关系如下：

采集状态：“采集”命令，MCU发送指令使数据采集端开始工作启；

停止状态：“停止”命令，此时采集单片机将不进行任何动作，停止待命。

数据采集系统的软硬件调试工作

新型无线控制振动数据采集系统的调试可以分为软件部分调试和硬件电路仿真两部分。软件部分的调试是通过对已有程序的编译检测手段来查询可能出现的语法等错误。因为本系统软件部分的设计采用分模块的设计流程，所以在编译时可以对每个子模块逐个调试检测，确认无误后再进行系统总程序的整合调试。硬件仿真是通JLINK仿真器与目标板联机进行仿真测试。对于采集系统的硬件仿真调试可以分为四个部分：

1.微控制器STM32F407ZGT6与上位机的异步串行通信；

2.振动数据采集端单片机控制下的电压信号AD转换输出；

3.MCU控制单元与振动数据采集单元之间的wifi无线通信协议；

4.采集系统的整体运行检测。

全文总结

随着科学技术的不断发展进步，数据采集技术已逐渐成为人们获取、接收信息的重要途径；在现代化的生产生活中，无线传输技术则逐渐取代有线传输成为数据与上位机传输的主要手段，无线传输技术的多方面发展不断影响着现代世界的科技发展与人民的日常生活，上至楼宇自动化布局，下到家庭智能无线安防等等。本文将无线技术的两大热门技术即无线控制与无线传输技术与的振动数据采集系统相结合，充分考虑实际应用情况，设计出的无线控制采集系统在智能家具安防、公共安全监测等领域具有广阔的应用前景。现将本文的主要工作研究内容总结如下。

1.结合无线控制与无线wifi传输技术，设计出新型振动数据采集系统硬件电路，包括关键元器件的甄别选取、重点信号处理电路的设计以及具体降噪抗干扰的措施。整个系统在各个硬件的选型上以性价比高、低功耗为原则，无论是AD1274或是运算放大器比较常见；在设计上也尽可能的简化电路连接，既方便了系统调试，同时又降低了研发成本。

2.系统的软件设计部分采用C语言，主要包括振动数据采集部分的主控制程序和和 MCU控制部分的程序，以及控制nR905无线芯片收发数据的程序，并利用keil uvision4开发软件XCOM串口调试助手、J-LINK仿真器进行编译调试。

3.在顺利完成了整体系统的安装布置，达到预期软硬件设计要求的同时，对本套采集系统进行仿真调试并达到了预期要求。