基于無線傳輸技術(shù)的振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

張 浩

基于無線傳輸技術(shù)的振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

張 浩

本次設(shè)計計劃將無線控制技術(shù)與無線傳輸技術(shù)相結(jié)合并應(yīng)用到振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將振動傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過wifi無線傳輸?shù)缴衔粰C。以無線數(shù)據(jù)傳輸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線傳輸，有效的解決了受周圍條件影響而布線不便等問題，同時有效的降低了噪聲干擾。本文以腳步聲振動為采集對象，根據(jù)信號特性及系統(tǒng)預(yù)計的功能，在硬件、軟件方面進行了優(yōu)化設(shè)計。在硬件設(shè)計方面，選擇了nRF905芯片作為無線通信模塊，STM32F407ZGT6作為振動數(shù)據(jù)采集端的控制芯片，并結(jié)合實際情況設(shè)計了調(diào)理電路、信號A/D轉(zhuǎn)換電路等硬件電路，并提出了兩項具體的抗干擾措施。本文在軟件設(shè)計方面，依據(jù)模塊化的設(shè)計思想分別對各部分的主程序、子程序進行設(shè)計，并繪制了相應(yīng)模塊的程序流程圖。完成系統(tǒng)整體設(shè)計后，還詳盡的進行了采集系統(tǒng)的整體調(diào)試并達(dá)到了預(yù)定的振動信號采集分析效果。本系統(tǒng)在公共安全、家庭安防領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

數(shù)據(jù)采集傳輸技術(shù)對于社會公共安全來說是很重要的，在科學(xué)體系的分類中，數(shù)據(jù)采集傳輸技術(shù)尤其是振動數(shù)據(jù)采集的相關(guān)產(chǎn)業(yè)已近成為公共安全防范領(lǐng)域的重要組成部分?；谏鐣l(fā)展的要求，本系統(tǒng)將當(dāng)下流行的無線技術(shù)與振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)合起來，以此來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線數(shù)采系統(tǒng)，凸顯了無線控制方式相對于有線連接成本低、傳輸過程中干擾少、可靠性高的特點。在當(dāng)今社會節(jié)奏日益加快，人口的流動性不斷增加，社會結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜的情況下，人們的家居安全防范的意識越來越強，為了滿足人們?nèi)找嬖鲩L的家居安全防范的需求而設(shè)計開發(fā)的本系統(tǒng)預(yù)期應(yīng)用到無線控制的智能家居安防系統(tǒng)。另外，這種把無線技術(shù)與數(shù)據(jù)采集結(jié)合到一起的系統(tǒng)具有很高的實用性，對實現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控也具有重要的意義。

振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本文設(shè)計的新型振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是無線控制技術(shù)、wifi無線傳輸技術(shù)和振動數(shù)據(jù)采集的融合，它共分為三部分，即振動數(shù)據(jù)采集端、MCU控制部分及wifi無線信息傳輸。振動數(shù)據(jù)采集端是對SW-520D振動傳感器輸出的微弱電壓信號進行采集、轉(zhuǎn)換等操作。數(shù)據(jù)采集端與MCU控制端是通過無線wifi技術(shù)連接，即所有的控制命令和采集的振動數(shù)據(jù)都是以wifi通信的方式傳輸?shù)摹＞唧w的流程圖如圖1、圖2所示。

基于無線傳輸?shù)挠布娐吩O(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計的核心是硬件電路， 新型振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能在很大程度上取決于電路的設(shè)計。硬件電路的設(shè)計包括關(guān)鍵元選器件的選定、根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計要并設(shè)計電路原理圖、確定系統(tǒng)所需擴展的調(diào)理電路、A/D電路等相關(guān)的一系列外圍電路。PCB 板制作完成后，需要對系統(tǒng)的硬件進行測試，檢查系統(tǒng)的硬件電路是否焊接無誤，是否有短路、虛焊現(xiàn)象發(fā)生。

本次硬件電路設(shè)計中選用了作為A/D轉(zhuǎn)換器，ADS1274是一款4通道復(fù)用，24位差分輸入的高性能、單片模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有高速度、高精度、低功耗等特點，在20KHZ的采樣頻率下能夠達(dá)到18位分辨率，對微弱振動信號有較高的分辨率，滿足微弱振動信號探測的要求，適合于振動監(jiān)測應(yīng)用。本系統(tǒng)依檢測腳步聲的實際要求，設(shè)定完成AD轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)以串行的方式進行輸出，從而進一步簡化了ADS1274轉(zhuǎn)換器與STM32F407之間的連接，進而提高了AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計的可靠性。ADS1274的引腳圖如圖3所示。

根據(jù)腳步聲振動數(shù)據(jù)采集的實際要求，振動加速度計的測量范圍應(yīng)為士25g，為了提高振動傳感器的靈敏度，在硬件設(shè)計時中加入了調(diào)理電路并選用。AD8628是將低成本與高精度、低噪聲特性融于一體的運放，且無需外部電容，采用2.7 V至5 V單電源供電，同時也可以選擇雙電源供電。AD8628運算放大器的在調(diào)理電路設(shè)計中的應(yīng)用原理如圖4所示。

基于無線傳輸?shù)能浖O(shè)計

圖1　振動數(shù)據(jù)采集部分框圖

圖2　MCU控制部分框圖

本次軟件部分根據(jù)新型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體設(shè)計方案的需求并結(jié)合已設(shè)計完成的硬件電路，設(shè)計出能夠?qū)崿F(xiàn)振動采集系統(tǒng)預(yù)期效果的控制程序。本次軟件設(shè)計依據(jù)模塊化設(shè)計思想大體上分為兩部分，即振動數(shù)據(jù)采集部分和上位機或PC端控制部分。應(yīng)用模塊化的設(shè)計思想進行軟件設(shè)計，分塊編程不僅增強了主、子程序程序的可讀性，而且便于系統(tǒng)整體進行軟硬件的仿真和調(diào)試。

圖3　

圖4　

數(shù)據(jù)采集端的軟件設(shè)計

裝有振動傳感器的PCB板上電工作后首先應(yīng)對其進行初始化， 具體包括與串行口通信的基本配置，向nRF905寫入配置字等，然后將單片機的實際運行狀態(tài)通過異步通行串行口發(fā)送至STM32F407控制芯片，接下來采集端單片機便處于等待尋址查詢的狀態(tài)。單片機CPU處理器不斷發(fā)送指令，實時查詢串行端口的現(xiàn)行標(biāo)志位；當(dāng)CPU收到串行的現(xiàn)行標(biāo)志位置位的信息時，單片機立刻開始從串行端口接收來自上位PC機的指令，最后根據(jù)不同系統(tǒng)指令完成相應(yīng)的操作，最后返回相應(yīng)的狀態(tài)。

控制部分的軟件設(shè)計

在主程序開始運行之前，首先應(yīng)對MCU進行初始化設(shè)定并且向nRF905寫入配置字，使芯片處在接收狀態(tài)下，然后設(shè)定初始狀態(tài)為O并開啟中斷響應(yīng)。之后，MCU將不間斷訪問查詢的本機實時運行狀態(tài)，當(dāng)單片機機的運行狀態(tài)發(fā)生變化時， STM32F407便轉(zhuǎn)入對應(yīng)的運行狀態(tài)執(zhí)行發(fā)送的操作命令，各指令與操作對應(yīng)關(guān)系如下：

采集狀態(tài)：“采集”命令，MCU發(fā)送指令使數(shù)據(jù)采集端開始工作啟；

停止?fàn)顟B(tài)：“停止”命令，此時采集單片機將不進行任何動作，停止待命。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試工作

新型無線控制振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的調(diào)試可以分為軟件部分調(diào)試和硬件電路仿真兩部分。軟件部分的調(diào)試是通過對已有程序的編譯檢測手段來查詢可能出現(xiàn)的語法等錯誤。因為本系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計采用分模塊的設(shè)計流程，所以在編譯時可以對每個子模塊逐個調(diào)試檢測，確認(rèn)無誤后再進行系統(tǒng)總程序的整合調(diào)試。硬件仿真是通JLINK仿真器與目標(biāo)板聯(lián)機進行仿真測試。對于采集系統(tǒng)的硬件仿真調(diào)試可以分為四個部分：

1.微控制器STM32F407ZGT6與上位機的異步串行通信；

2.振動數(shù)據(jù)采集端單片機控制下的電壓信號AD轉(zhuǎn)換輸出；

3.MCU控制單元與振動數(shù)據(jù)采集單元之間的wifi無線通信協(xié)議；

4.采集系統(tǒng)的整體運行檢測。

全文總結(jié)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展進步，數(shù)據(jù)采集技術(shù)已逐漸成為人們獲取、接收信息的重要途徑；在現(xiàn)代化的生產(chǎn)生活中，無線傳輸技術(shù)則逐漸取代有線傳輸成為數(shù)據(jù)與上位機傳輸?shù)闹饕侄?，無線傳輸技術(shù)的多方面發(fā)展不斷影響著現(xiàn)代世界的科技發(fā)展與人民的日常生活，上至樓宇自動化布局，下到家庭智能無線安防等等。本文將無線技術(shù)的兩大熱門技術(shù)即無線控制與無線傳輸技術(shù)與的振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相結(jié)合，充分考慮實際應(yīng)用情況，設(shè)計出的無線控制采集系統(tǒng)在智能家具安防、公共安全監(jiān)測等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景?，F(xiàn)將本文的主要工作研究內(nèi)容總結(jié)如下。

1.結(jié)合無線控制與無線wifi傳輸技術(shù)，設(shè)計出新型振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件電路，包括關(guān)鍵元器件的甄別選取、重點信號處理電路的設(shè)計以及具體降噪抗干擾的措施。整個系統(tǒng)在各個硬件的選型上以性價比高、低功耗為原則，無論是AD1274或是運算放大器比較常見；在設(shè)計上也盡可能的簡化電路連接，既方便了系統(tǒng)調(diào)試，同時又降低了研發(fā)成本。

2.系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分采用C語言，主要包括振動數(shù)據(jù)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無線芯片收發(fā)數(shù)據(jù)的程序，并利用keil uvision4開發(fā)軟件XCOM串口調(diào)試助手、J-LINK仿真器進行編譯調(diào)試。

3.在順利完成了整體系統(tǒng)的安裝布置，達(dá)到預(yù)期軟硬件設(shè)計要求的同時，對本套采集系統(tǒng)進行仿真調(diào)試并達(dá)到了預(yù)期要求。

張 浩

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）

張浩，男，碩士研究生，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）計算機系，主要研究方向為計算機的應(yīng)用技術(shù)。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.07.014