石英撓性加速度計(jì)網(wǎng)絡(luò)化自主測試系統(tǒng)*

陳雪冬， 張 德

(中國工程物理研究院 電子工程研究所, 四川 綿陽 621900)

石英撓性加速度計(jì)網(wǎng)絡(luò)化自主測試系統(tǒng)*

陳雪冬， 張 德

(中國工程物理研究院 電子工程研究所, 四川 綿陽 621900)

針對在石英撓性加速度計(jì)性能檢驗(yàn)與監(jiān)測、退化機(jī)理等研究中，對加速度計(jì)輸出信號快速準(zhǔn)確采集的需求，設(shè)計(jì)一種高精度自主測試系統(tǒng)。提出了基于Zig Bee無線自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化測控方案，設(shè)計(jì)了適用于測控環(huán)境相對分散的分簇拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以CC2530為核心設(shè)計(jì)了加速度計(jì)無線采集節(jié)點(diǎn)與智能無線控制終端，基于AD7734設(shè)計(jì)了加速度計(jì)高精度A/D轉(zhuǎn)換電路。基于Z-Stack協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)控制、數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計(jì)，基于C#實(shí)現(xiàn)上位機(jī)終端控制臺(tái)設(shè)計(jì)，針對大規(guī)模節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)了一種高速數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，并采用了握手傳輸機(jī)制。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用證明:系統(tǒng)采樣誤差低至0.049 mV，可同時(shí)對40只加速度計(jì)進(jìn)行長時(shí)間自主數(shù)據(jù)采集，并完成簡單數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)可用于加速度計(jì)性能分析與建模研究中。

加速度計(jì)； 采集； Zig Bee； 無線控制； 自組網(wǎng)

0 引 言

石英撓性加速度計(jì)是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，其性能直接影響導(dǎo)航系統(tǒng)的精度與可靠性。石英撓性加速度計(jì)在靜態(tài)貯存的環(huán)境下，其性能會(huì)發(fā)生退化，因此,監(jiān)測加速度計(jì)輸出特性，建模并分析加速度計(jì)性能具有重要意義。在實(shí)際生產(chǎn)過程中對加速度計(jì)的測試大多采用手動(dòng)測試，這種測試方法誤差大、效率低，且人力成本大。

文獻(xiàn)[1]基于PCI數(shù)據(jù)采集卡，設(shè)計(jì)了加速度計(jì)自動(dòng)測試系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)測量加速計(jì)等輸出電壓；文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了集成加速度計(jì)姿態(tài)控制、數(shù)據(jù)采集與處理于一體的系統(tǒng)，可同時(shí)對多只加速度計(jì)進(jìn)行標(biāo)定；文獻(xiàn)[3]基于GPIB總線的一種加速度計(jì)性能分析平臺(tái)，集成了數(shù)據(jù)采集、處理及性能參數(shù)模型建立與誤差預(yù)測估計(jì)。上述系統(tǒng)極大程度地提高了加速度計(jì)測試的可靠性與效率，同時(shí)提供了一種加速度計(jì)輸出采集、數(shù)據(jù)處理、誤差分析與性能預(yù)測集成系統(tǒng)的可行方案。

Zig Bee技術(shù)是一種低功耗、低成本的短距離無線自組網(wǎng)通信技術(shù)，近年來被作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用到各行業(yè)中。文獻(xiàn)[4，5]利用Zig Bee芯片CC2430設(shè)計(jì)了針對輸電線路與變電站環(huán)境的無線監(jiān)測系統(tǒng)；文獻(xiàn)[6]利用Zig Bee芯片CC2430設(shè)計(jì)了針對煤礦礦井人員安全的無線監(jiān)測系統(tǒng)；文獻(xiàn)[7]基于Zig Bee技術(shù)設(shè)計(jì)了適用環(huán)境監(jiān)測與工業(yè)控制的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；文獻(xiàn)[8，9]設(shè)計(jì)了基于Zig Bee技術(shù)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)并應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

針對石英撓性加速度計(jì)在生產(chǎn)和貯存過程中性能測試的需求，以提高加速度計(jì)測試效率和精度為目的，本文采用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)設(shè)計(jì)一種加速度計(jì)批量網(wǎng)絡(luò)化自主測試系統(tǒng)。系統(tǒng)不需復(fù)雜的布線，降低測試系統(tǒng)組建的復(fù)雜度，已應(yīng)用到某型石英撓性加速度計(jì)性能研究中。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以路由節(jié)點(diǎn)為簇頭形成分簇，形成分簇的樹形網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)分簇最多可容納10個(gè)無線采集節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)主要由自Zig Bee終端節(jié)點(diǎn)上傳至協(xié)調(diào)器的加速度計(jì)數(shù)據(jù)幀和由控制臺(tái)發(fā)起經(jīng)協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)至簇頭的控制命令幀。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig 1 Network topology structure of system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制臺(tái)通過無線控制智能無線控制終端，從而控制智能終端±15 V電源輸出的導(dǎo)通和斷開，進(jìn)而控制連接在智能無線上的加速度計(jì)無線采集節(jié)點(diǎn)的電源通斷，使加速度計(jì)工作狀態(tài)按照上位機(jī)終端控制啟動(dòng)和停止。

2.1 加速度計(jì)無線采集節(jié)點(diǎn)

加速度計(jì)無線采集節(jié)點(diǎn)以CC2530為核心，利用24位高精度A/D轉(zhuǎn)換器AD7734，實(shí)現(xiàn)加速度計(jì)輸出信號A/D轉(zhuǎn)換，節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示，由40 Ω的高精密度采樣電阻器、A/D轉(zhuǎn)換單元AD7734,CC2530射頻單元和電源轉(zhuǎn)換模塊組成。

石英撓性加速度計(jì)輸出信號為電流信號，經(jīng)采樣電阻器轉(zhuǎn)換為電壓信號后由AD7734采樣。CC2530射頻單元為Zig Bee終端節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)加入網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)傳輸與處理功能。

早期發(fā)現(xiàn)的斜頸患兒的基本護(hù)理都是在家里完成的。寶寶患病初期會(huì)出現(xiàn)疼痛、向某個(gè)方向難以轉(zhuǎn)頭的問題，將患兒所處的環(huán)境或睡姿調(diào)整一下，鼓勵(lì)他稍微向困難一側(cè)轉(zhuǎn)頭。比如調(diào)整寶寶躺著的方向，使他轉(zhuǎn)頭困難的一側(cè)沖著窗戶，這樣窗外一有動(dòng)靜他就會(huì)想要扭頭看，可以起到鍛煉的作用。約有10%～20%患有斜頸的患兒會(huì)同時(shí)伴有髖關(guān)節(jié)發(fā)育異常，應(yīng)該引起父母的注意。

圖2 Zig Bee感知節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)Fig 2 Structure of Zig Bee sensing node

2.2 智能無線控制終端

智能無線控制終端以CC2530為核心，基于單刀單擲開關(guān)ADG5212擴(kuò)展出10路數(shù)字開關(guān)，終端接收匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制命令，通過控制ADG5212通道的通斷控制10路±15 V隔離電源輸出，連接到加速度計(jì)無線采集單元。

智能無線控制終端結(jié)構(gòu)如圖3所示，CC2530射頻單元為Zig Bee路由節(jié)點(diǎn)，主要實(shí)現(xiàn)加入網(wǎng)絡(luò)與接收控制命令、控制ADG5212對應(yīng)的開關(guān)通道。終端占用CC2530芯片10位I/O引腳，與ADG5212輸入控制引腳IN直接相連。

圖3 智能無線控制終端系統(tǒng)框圖Fig 3 Block diagram of intelligent wireless control terminal system

電源控制單元主要由3片ADG5212與10片SWH05A—28D15A集成DC/DC組成。SWH05A—28D15A為單路±15 V隔離電源DDC模塊，采用28 V工作電壓，5 V電平信號即可驅(qū)動(dòng)其使能端INH，為被測的加速度計(jì)提供相互獨(dú)立的電源輸入。

3 系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)終端系統(tǒng)軟件功能分析

上位機(jī)終端軟件功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)根據(jù)并發(fā)串口模塊收集串口數(shù)據(jù)并進(jìn)行幀完整性匹配后，通過解析中心并對象化后存入高效數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)供其他模塊使用；加速度數(shù)據(jù)則通過濾波算法與標(biāo)定值校正后存入對應(yīng)文件；波形顯示則讀取內(nèi)存中的最近30條數(shù)據(jù)并自動(dòng)刷新顯示；配置模塊完成算法配置、文件轉(zhuǎn)換、硬件設(shè)備入庫與端口映射配置等；控制模塊則發(fā)送控制命令到串口，以達(dá)到控制加速度節(jié)點(diǎn)工作。

圖4 控制臺(tái)程序結(jié)構(gòu)Fig 4 Program structure console

3.2 高效數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對大規(guī)模加速度計(jì)數(shù)據(jù)應(yīng)用場景，數(shù)據(jù)被頻繁傳入軟件系統(tǒng)，因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種高速數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，快速識別出該數(shù)據(jù)所屬的加速度計(jì)，高速數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 高速數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)Fig 5 Structure of high speed data frame

該軟件系統(tǒng)采用Hash表與ArrayList來管理節(jié)點(diǎn)，Hash表使用散列函數(shù)Hash將關(guān)鍵字(key)映射到表Hashtable，從而達(dá)到以常數(shù)時(shí)間完成任意關(guān)鍵字輸入的查找任務(wù)O(1)。ArrayList內(nèi)部使用數(shù)組完成，也可實(shí)現(xiàn)由以常數(shù)時(shí)間完成任意關(guān)鍵字輸入的索引任務(wù)O(1)。

軟件系統(tǒng)收到一個(gè)完整的描述符幀時(shí)，則查找nodeMacIndexHash表，如果該節(jié)點(diǎn)已經(jīng)存在則更新該節(jié)點(diǎn)信息，如果不存在則將該節(jié)點(diǎn)的信息映射到Hash表與List數(shù)組中。

軟件系統(tǒng)收到一個(gè)完成的加速度幀時(shí)，則根據(jù)短地址查找Node Addr IndexHash來確定索引Index，根據(jù)Index索引來確定NodeInfo Array來獲取加速度節(jié)點(diǎn)信息，如圖6所示。

圖6 節(jié)點(diǎn)信息索引示意圖Fig 6 Diagram of node information index

3.3 基于握手機(jī)制的控制命令可靠傳輸

控制臺(tái)軟件系統(tǒng)與Zig Bee協(xié)調(diào)器之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要有上傳的加速度計(jì)數(shù)據(jù)、下行的控制命令。Zig Bee網(wǎng)絡(luò)傳輸速率較小，且CC2530串口收發(fā)處理能力的限制，在節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量較大時(shí)，下行的控制命令存在丟包。為了達(dá)到精確控制，該軟件系統(tǒng)與Zig Bee協(xié)調(diào)器之間控制信息通信采用握手法則進(jìn)行協(xié)調(diào)。

其步驟為：

1)由Zig Bee協(xié)調(diào)器設(shè)置一組時(shí)間序列，在這個(gè)時(shí)間序列內(nèi)，數(shù)據(jù)上傳的時(shí)間長度為2 s；

2)Zig Bee協(xié)調(diào)器這個(gè)連續(xù)時(shí)間內(nèi)上傳數(shù)據(jù)；

3)接著Zig Bee向上位機(jī)終端發(fā)出控制命令請求，并等待控制臺(tái)應(yīng)答，等待時(shí)隙為40 ms；

4)在等待時(shí)隙內(nèi)若收到控制臺(tái)應(yīng)答或命令，則執(zhí)行相關(guān)操作，否則,協(xié)調(diào)器在時(shí)隙結(jié)束后返回第2步繼續(xù)執(zhí)行。

控制命令傳輸過程由Zig Bee協(xié)調(diào)器發(fā)起，如圖7所示，(a)為上位機(jī)終端命令通道空閑，(b)為上位命令通道繁忙且成功發(fā)送。Zig Bee協(xié)調(diào)器發(fā)送空閑請求時(shí)，上位機(jī)終端發(fā)送已經(jīng)在排隊(duì)的編號為k的控制命令，Zig Bee協(xié)調(diào)器收到控制命令則返回編號為k的ACK。

圖7 控制命令傳輸示意圖Fig 7 Diagram of control commands transmission

上位機(jī)終端的控制命令排隊(duì)示意圖如圖8，timer 1時(shí)共n個(gè)命令排隊(duì)，在timer 2收到空閑請求時(shí)，軟件系統(tǒng)下發(fā)命令1，在timer 3時(shí)收到ACK，則將隊(duì)首的元素剔除，繼續(xù)等待協(xié)調(diào)器的下一次空閑請求。

圖8 控制命令排隊(duì)示意圖Fig 8 Diagram of control command line

4 網(wǎng)絡(luò)化自主測試演示系統(tǒng)

通過軟硬件設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試與改進(jìn)，完成了加速度計(jì)網(wǎng)絡(luò)化自主測試演示系統(tǒng)的研制。如圖9所示，為硬件演示系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用情景圖。

圖9 網(wǎng)絡(luò)化自主測試演示硬件系統(tǒng)Fig 9 Hardware system of networked autonomously test demo

圖9中包含兩個(gè)的加速度計(jì)測試簇，分別包含了10只、8只被測加速度計(jì)，而實(shí)際測試應(yīng)用中，可包含多個(gè)這樣的測試簇，并相對分散地布置與測試環(huán)境內(nèi)。無線網(wǎng)關(guān)(協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn))則通過USB轉(zhuǎn)RS—232接口連接到計(jì)算機(jī)控制臺(tái)端。

圖10為本系統(tǒng)監(jiān)測下部分石英撓性加速度計(jì)數(shù)據(jù)，圖示以天(d)為單位，記錄了加速度計(jì)在27 d內(nèi)的輸出數(shù)據(jù)特性。

圖10 石英撓性加速度計(jì)測試數(shù)據(jù)Fig 10 Test datas of quartz flexible accelerometer

5 結(jié) 論

本文所述的加速度計(jì)網(wǎng)絡(luò)化自主測試系統(tǒng)，完成了軟硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試并獲得應(yīng)用，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用證明：1)加速度計(jì)采集節(jié)點(diǎn)采樣誤差為0.152～0.049 mV，實(shí)現(xiàn)了高精度、高分辨率采樣；2)系統(tǒng)可在24 h連續(xù)不間斷的工作條件下，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間大于100 d；3)系統(tǒng)可支持40個(gè)加速度計(jì)無線采集節(jié)點(diǎn)同時(shí)采集工作；4)系統(tǒng)可根據(jù)數(shù)據(jù)采集的需求，靈活配置節(jié)點(diǎn)單次采集時(shí)間、單位時(shí)間內(nèi)的采集次數(shù)，并以較

準(zhǔn)確的控制精度管理加速度節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)長。

[1] 胡佩達(dá),董景新,趙長德,等.微機(jī)械加速度計(jì)自動(dòng)測試系統(tǒng)[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào),2008,16(2):212-215.

[2] 劉 梅,李秋萍,潘成煒.一種加速度計(jì)自動(dòng)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].航空精密制造技術(shù),2010(5):9.

[3] 趙 媛,尚雅層,劉 巖,等.石英撓性加速度計(jì)性能分析平臺(tái)的構(gòu)建[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2010,30(5):193-195.

[4] 黃新波,羅 兵,劉存孝,等.采用 Zig Bee 芯片的無線加速度傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)[J].高電壓技術(shù),2010(8):1962-1969.

[5] 梁湖輝,張 峰,常 沖,等.基于Zig Bee的變電站監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010(12):121-124.

[6] 張東偉.基于Zig Bee技術(shù)的井下人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].西安：西安科技大學(xué),2010.

[7] 紀(jì)麗猛.基于Zig Bee 技術(shù)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].秦皇島：燕山大學(xué),2013.

[8] 韓華峰,杜克明,孫忠富,等.基于 Zig Bee 網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2009(7):158-163.

[9] 石繁榮,黃玉清,任珍文,等.自適應(yīng) Tree-Mesh 結(jié)構(gòu)的大棚無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),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

綿陽市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(10J006)

TP 274+.2

A

1000—9787(2014)08—0065—04

陳雪冬(1967-)，男，湖南邵陽人，工學(xué)碩士，工程師，一直從事物理引信研究。