基于ZigBee无线网络的应变数据采集系统

2020-02-26史兵丽张会新张彦军

仪表技术与传感器 2020年1期

史兵丽，王刚，张会新，张彦军

(1.中北大学，电子测试技术国家重点实验室，山西太原 030051；2.仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051；3.北京宇航系统工程研究所，北京 100076)

0 引言

随着计算机应用技术和信息产业的发展，加快了电测仪器系统向集成化、多功能化、智能化和通用化方向的发展，以往传统设计的、功能单一的应变仪已经越来越不能满足实际需要。传统的数据采集系统一般采用事先布线以及人工的方式对各项数据进行采集，但高温和高压等恶劣环境下进行现场数据采集和维护是比较困难的[1]。伴随着远程数据采集量和移动数据通信需求的增加，有线数据传输的成本越来越高，人们正慢慢地认识到采用无线技术进行数据传输在工程测量领域中的必要性。微电子技术、低功耗电路、射频电路制作工艺的进步、高能电池以及数字电路等诸多技术的发展和进步使得无线通信设备更加可靠、经济、灵巧[2]。

无线数据采集是利用无线数据采集模块或设备，将工业现场的传感器输出的电压、电流等物理量进行实时采集和处理[3]。ZigBee采用了无线传输方式来构建相应的无线网络，能够较好地解决人工及有线方式存在的问题，且极大增加了数据信号传输的距离，因此本文提出了一种基于ZigBee无线网络的应变数据采集系统。

1 系统整体设计

如图1所示，系统主要包括应变片数据采集、惠斯登电桥电路、信号放大和滤波电路、A/D模数转换、FPGA、协调器和路由器组建的ZigBee数据传输网络、USB以及上位机。整个系统的工作模式为：应变片对应力信号采集，惠斯登电桥将采集到的物理量转变成微弱的电信号，再经过放大、滤波等一系列信号调理进入A/D，将模拟信号处理为数字信号通过FPGA的数据存储并发送到协调器，进行无线传输给远端的路由器，通过USB在上位机显示采集到的应变数据信息以及变化波形。

图1 系统整体框图

2 硬件设计

图2为应变信号采集电路原理图，主要包括应变采集、电桥部分和放大滤波电路。惠斯登电桥电压的提供选用基准电源芯片AD580；放大芯片选用高精度仪表放大器AD620；滤波芯片选择易于使用的8阶低通开关电容滤波器MAX291。

2.1 电桥电路与仪表放大器AD620

2个120 Ω的定值电阻(精度为0.1%)与阻值为120 Ω的应变片、补偿片构成惠斯登电桥，将采集到的应变信号转化成电信号(最大约5 mV)。AD580提供持续稳定的2.5 V基准电压给惠斯登电桥，且桥压相对越小漂移也就越小。目前主要有2种电桥的调零方法，一是通过用滑动变阻器来实现调零;二是通过编写程序实现间接调零[4]。前者容易操作，比较实用。而通过程序调零电桥时，不用在电桥中加入任何物理装置，只需要处理采集来的初始电桥信号，这种方法比较容易实现，非常可靠。本设计采用两者兼容的方式进行调零，电桥部分加入硬件X9C103，其为100阶非易失性数字电位器，若不够精确再用上位机来调节至零位。AD620是由传统的三运算放大器发展而来，但一些主要性能却优于三运算放大器构成的仪表放大器，其电源范围宽，设计体积小，功耗非常低(最大供电电流仅为3 mA)[5]。如表1所示，因而适用于本系统低电压、低功耗的设计。

图2 应变信号转换电路原理图

表1 AD620的部分参数

2.2 无线收发模块CC2530

系统核心芯片是具有强大无线前端的CC2530，它集成了 IEEE802.15.4标准2.4 GHz频段的RF无线电收发机，射频调制模式DSSS(直接序列扩频模式)，提供了一套广泛的外设集，包括8通道12位A/D转换器和21个通用GPIO、2个USART接口、128位AES加密解密安全协处理器、看门狗定时器、32 kHz晶振的休眠模式定时器，只需很少的外围电路即可构建一个ZigBee节点[6-7]。其原理图如图3所示。

图3 CC2530原理图

CC2530支持2.0～3.6 V供电电压，具有3种电源管理模式：唤醒模式0.2 mA、睡眠模式1 μA和中断模式0.4 μA，当CC2530处于空闲模式时，任何中断可以把CC2530恢复到主动模式，某些中断还可以将CC2530从睡眠模式唤醒，满足超短时间快速转换，确保了低能源消耗，工作温度范围为-40～125 ℃，特别适合要求电池寿命长且环境变化大的室外工作方式[8]。CC2530自身带有射频功能，而且只需要加上简单电路就可以实现。

2.3 ZigBee数据传输网络

协调器和路由器的构成方式类似，主要包括CC2530、天线、电源模块、LED等。CC2530是控制中心，是整个电路的中轴，天线主要用来收发数据信息[9]。图4为协调器和路由器的构成图。图中，串口模块主要是让上位机和路由器之间建立连接，应变数据采集模块主要是FPGA将应变数据发送至协调器。LED小灯的亮灭表示网络的连接情况，LED1亮说明允许其他节点加入该网络，LED2亮则说明协调器组建ZigBee网络成功。

图4 协调器和路由器的构成框图

3 软件设计

3.1 协调器节点的软件设计

关于协调器的软件设计，它的作用主要是负责组建并维护ZigBee网络，并允许其他节点加入该网络，其次是接收由FPGA下发的命令，并将数据信息传给接入网络的路由器，最后经由USB传给上位机显示[10]。协调器是数据采集部分和上位机之间远距离通信的重要组成，它的正常工作也是路由器正常工作的前提和保证。整个协调器的软件工作流程如图5所示。

图5 协调器的工作流程

3.2 路由器节点的软件设计

整个路由器的工作流程如图6所示，组网成功后，路由器加入ZigBee网络，然后开始接收由协调器发送的应变数据信息。

图6 路由器的工作流程

鉴于系统功耗，将路由器和协调器设置为周期性工作，收到FPGA下发的命令开始收发数据，其余时间进入休眠模式。这里选择了ZigBee协议栈里的可以实现ms级的定时函数OSAL_START_TIMEREX()，定时发送数据到协调器，从而达到周期性工作的目的[11]。

4 实验结果与分析

本系统使用标准应变模拟仪(XL2106-4，变化范围是0～±11 110 με，最小变化为1 με)进行标定，每200 με调节一次模拟仪并读取一次电压值，图7为应变与输出电压的线性关系，其线性公式如式(1)所示，其中y表示输出电压，x表示应变的变化量，可理解为每变化1 με输出电压为0.587 3 mV，其±3 000 με对应的输出电压约为±1.76 V，式(1)中0.001 4的偏移量可在上位机软件中做处理，使其应变变化量与输出电压成完全正比例关系。

y=0.587 3x-0.001 4

(1)

图7 微应变与输出电压的标定结果

为验证上述标定结果的正确性及其完全线性度，随机调节标准应变模拟仪，使其尽量覆盖各个应变段，采集了10组应变变化量与输出电压数据，并利用式(1)计算出输出电压所对应的理论应变值，最后根据实际调节与理论计算的应变差值计算出系统存在的非线性误差，如表2所示。从表2可直观看出系统回采的最大误差为0.259 7%，说明采集数据具有极高的线性度和精确性，且多次随机采集的实验结果也说明该结论的完整性与正确性。