無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的智能供電電路設(shè)計(jì)

項(xiàng)俊男， 席軍強(qiáng)

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京 100081)

無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的智能供電電路設(shè)計(jì)

項(xiàng)俊男， 席軍強(qiáng)

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京 100081)

在無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，無(wú)線數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)有可能會(huì)被安放在不便拆卸且無(wú)法進(jìn)行外部供電的設(shè)備中. 為了在有限的電池電量下，盡可能久的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，設(shè)計(jì)了一種基于MEAS振動(dòng)傳感器的低功耗供電電路. 它通過(guò)傳感器感受振動(dòng)信號(hào)，判斷設(shè)備是否處于工作狀態(tài)，以此控制電池能量輸出. 將該低功耗供電電路運(yùn)用在干式離合器摩擦片無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該低功耗供電電路的運(yùn)用大幅度的降低了整個(gè)系統(tǒng)的功耗.

電池供電；振動(dòng)傳感器；低功耗

目前無(wú)線傳輸技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，同時(shí)也有大量的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)用了無(wú)線傳輸技術(shù). 無(wú)線數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，當(dāng)無(wú)線數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)被安放在不便拆卸的設(shè)備中，且受到設(shè)備內(nèi)部空間限制只能安放小容量電池時(shí)，設(shè)法降低整個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的功耗，延長(zhǎng)工作時(shí)間成為無(wú)線數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)問(wèn)題之一[1].

目前降低無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功耗的方法有：①通過(guò)對(duì)硬件電路優(yōu)化，對(duì)元器件制造工藝改善，例如采用超低工作電壓技術(shù)、高遷移率溝道材料等[2]；②采用待機(jī)和掉電運(yùn)行方式，盡可能縮短CPU的運(yùn)行時(shí)間[1]；③對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，盡可能的減少冗余數(shù)據(jù)的傳輸[3]. 以上3種方法，方法①對(duì)元器件的工藝要求很高，會(huì)大幅度增加整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的成本，方法②和方法③只對(duì)CPU部分進(jìn)行了優(yōu)化，整個(gè)系統(tǒng)功耗改善的效果十分有限.

文中設(shè)計(jì)了一種基于MEAS振動(dòng)傳感器的低功耗供電電路. 機(jī)械實(shí)驗(yàn)中，大部分的實(shí)驗(yàn)設(shè)備都需要采用內(nèi)燃機(jī)或電機(jī)作為動(dòng)力來(lái)源. 當(dāng)電機(jī)或內(nèi)燃機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)并且有功率輸出時(shí)，不可避免的會(huì)造成整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備振動(dòng). 通過(guò)靈敏的振動(dòng)傳感器感知該振動(dòng)信號(hào)，從而控制電池能量只在設(shè)備工作時(shí)輸出. 通過(guò)使用該低電耗供電電路，不僅可以降低CPU功耗，還能降低傳感器、信號(hào)處理電路在內(nèi)幾乎所有設(shè)備的功耗. 此外，文中還采用干式離合器無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)該低功耗供電電路進(jìn)行了驗(yàn)證. 低功耗無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作原理見(jiàn)圖1.

圖1 低功耗無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖

1 供電系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)

1.1 傳感器介紹

文中采用MEAS出產(chǎn)的LDT0系列薄膜式振動(dòng)傳感器. 該傳感器由一個(gè)28 μm厚的PVDF壓電膜，兩個(gè)絲網(wǎng)印刷銀墨電極，以及一個(gè)0.125 mm厚的聚酯基片組成，具有較高的靈敏度和較強(qiáng)的耐沖擊能力[4]. 根據(jù)壓電原理，通過(guò)感受外部振動(dòng)，傳感器內(nèi)部產(chǎn)生電壓并通過(guò)電極輸出. 傳感器和傳感器信號(hào)的處理電路可以通過(guò)焊點(diǎn)連接. 另外，它對(duì)工作環(huán)境的溫度要求較低，其普通版工作溫度為0 ℃至85 ℃，高溫版可以在125 ℃環(huán)境中工作.

如果固定傳感器的一端，讓另一端自由振動(dòng)，該裝置就可以作為一個(gè)加速度計(jì)或振動(dòng)傳感器使用. 該傳感器能在微小振動(dòng)下產(chǎn)生較大的電壓信號(hào)，具有很高的靈敏度. 還可以通過(guò)改變自由端的長(zhǎng)度或質(zhì)量塊數(shù)量，改變傳感器的諧振頻率和靈敏度，以此適應(yīng)特定的應(yīng)用.

當(dāng)LDT0作為振動(dòng)傳感器時(shí)，根據(jù)原廠提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著質(zhì)量塊的增加，共振頻率隨之減小，靈敏度增加. 當(dāng)自由端無(wú)添加質(zhì)量塊時(shí)，LDT0的共振頻率為180 Hz. 具體如表1所示.

表1 LDT0參數(shù)

1.2 振動(dòng)狀況分析

實(shí)驗(yàn)時(shí)，整個(gè)干式離合器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)均安裝在整車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的離合器摩擦片上. 整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架依靠一臺(tái)4缸4沖程的發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源. 傳動(dòng)系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的主要激勵(lì)是發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的不均衡，這種不均衡來(lái)自?xún)煞矫妫孩贇飧變?nèi)氣體壓力的變化；②曲柄連桿機(jī)構(gòu)慣性力的變化. 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜而具有周期性的過(guò)程，它由進(jìn)氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣4個(gè)行程組成. 因此，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩、功率等都呈現(xiàn)周期性波動(dòng)[5].

首先，對(duì)單獨(dú)一個(gè)氣缸進(jìn)行分析，假設(shè)該周期性函數(shù)為T(mén)(t)，設(shè)它可以展開(kāi)并且滿足：

T(t)=T(t+τ)，

(1)

式中：τ為函數(shù)T(t)的變化周期.

設(shè)ω為T(mén)(t)變化的角頻率，則ω和τ滿足如下關(guān)系：

ω=2π/τ.

(2)

則τ的倒數(shù)是頻率. 因此將T(t)展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)可得：

T(t)=T0+∑Tksin(kωt+αk)=

T0+∑(Tkacoskωt+Tkbsinkωt),k=1～∞.

(3)

(4)

tanαk=Tka/Tkb.

(5)

對(duì)于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)氣缸而言，發(fā)動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)2圈完成一個(gè)循環(huán)，設(shè)其完成一個(gè)循環(huán)的時(shí)間為τ，則發(fā)動(dòng)機(jī)的角速度為ωe= 4π/τ. 和式(2)進(jìn)行對(duì)比可知ωe= 2ω，將其代入式(3). 可得轉(zhuǎn)矩Te關(guān)于時(shí)間t的函數(shù)[6].

Te=T0+∑Tksin(kωet+αk),k=0.5～∞.

(6)

因此，四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)角頻率成分為0.5ωe，1ωe，1.5ωe…….

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)是各缸同時(shí)工作，所以,發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩是各缸輸出扭矩的矢量和. 通過(guò)疊加可知四缸發(fā)動(dòng)機(jī)存在的激勵(lì)角頻率成分為2ωe，4ωe，6ωe……. 根據(jù)實(shí)際情況可知，越是低頻成分諧量的幅值越大. 因此，對(duì)直立四沖程四缸發(fā)動(dòng)機(jī)而言，它的主諧量是2ωe.

實(shí)驗(yàn)采用的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速為680 r/min，最高轉(zhuǎn)速為2 000 r/min. 根據(jù)上述分析可知，主諧量激勵(lì)頻率為22.7 Hz到66.7 Hz. 由表1可知，當(dāng)質(zhì)量塊數(shù)量小于等于2時(shí)，主諧量激勵(lì)頻率在傳感器的檢測(cè)范圍之內(nèi)，因此，LDT0傳感器適用于此次研究.

1.3 原理圖設(shè)計(jì)及仿真分析

為了減少Protel電路設(shè)計(jì)過(guò)程中的錯(cuò)誤，在設(shè)計(jì)初期對(duì)電路進(jìn)行Protues建模仿真. 通過(guò)仿真排除一些簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，并且大致模擬出整個(gè)電路的運(yùn)行狀況.

1) 傳感器信號(hào)

電路的設(shè)計(jì)前期，需要確定傳感器輸出信號(hào)的類(lèi)型、大小. 文中分別采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方式對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試.

靜態(tài)測(cè)試. 測(cè)試時(shí)，首先調(diào)整示波器顯示的時(shí)間軸及電壓量程，然后將傳感器平放于實(shí)驗(yàn)桌上，并保證傳感器和示波器相連. 實(shí)驗(yàn)人員遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)桌，以消除實(shí)驗(yàn)人員對(duì)測(cè)試的干擾. 當(dāng)信號(hào)穩(wěn)定時(shí)，測(cè)得的傳感器信號(hào)如圖2所示.

圖2 靜態(tài)信號(hào)

動(dòng)態(tài)測(cè)試. 動(dòng)態(tài)測(cè)試操作與靜態(tài)測(cè)試相同. 當(dāng)信號(hào)穩(wěn)定時(shí)，輕觸傳感器，測(cè)得如圖3所示波形.

根據(jù)上述兩組實(shí)驗(yàn)獲得的波形圖可知，在靜止

狀態(tài)下，傳感器輸出幅值為2 mV，周期為20 ms的正弦波信號(hào). 在輕微觸碰下，傳感器輸出信號(hào)的最大幅值能達(dá)到30 mV左右. 因此，低功耗供電電路需要滿足下列設(shè)計(jì)要求：①靜止?fàn)顟B(tài)下低功耗供電電路無(wú)能量輸出；②當(dāng)外界振動(dòng)達(dá)到一定程度時(shí)，低功耗供電電路輸出電能，整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行.

圖3 動(dòng)態(tài)信號(hào)

2) 仿真

由圖1可知，整個(gè)電源電路包含電源功率輸出電路和電源控制電路，兩部分電路通過(guò)光耦進(jìn)行隔離. 其中,控制電路部分主要將振動(dòng)傳感器輸入的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波放大，從而驅(qū)動(dòng)光耦，使得電源功率輸出電路得以導(dǎo)通. 電路仿真如圖4所示.

由于傳感器的電壓信號(hào)微弱，需要對(duì)其進(jìn)行放大才能用于驅(qū)動(dòng)光耦. 為了避免因單次放大倍數(shù)過(guò)大而引入干擾信號(hào)，故對(duì)傳感器信號(hào)采用二級(jí)放大. 放大電路采用同相比例運(yùn)算電路，具體計(jì)算如下[7]：

u0=(1+RF/R1)ui，

(7)

(8)式中：u0為放大器輸出電壓；ui為放大器輸入電壓；RF為反饋電阻；R1為放大電阻；R2為平衡電阻.

圖4 Protues電路仿真

且根據(jù)前期的測(cè)試可知，當(dāng)傳感器振動(dòng)過(guò)大時(shí)，傳感器將輸出一個(gè)高電壓信號(hào)，過(guò)高的電壓信號(hào)可能會(huì)對(duì)放大電路造成損壞. 為了保護(hù)放大器不受損害，采用D1、D2兩個(gè)穩(wěn)壓二極管對(duì)電壓進(jìn)行鉗制. 另外由于傳感器輸出的是交變信號(hào)，而驅(qū)動(dòng)光耦需要直流電壓，所以采用圖中D5二極管進(jìn)行半波整流. 并且利用D5二極管正向?qū)▔航档奶匦裕瑢?shí)現(xiàn)靜止?fàn)顟B(tài)下低功耗供電電路無(wú)能量輸出.

在Protues仿真實(shí)驗(yàn)中，采用正弦波信號(hào)模擬振動(dòng)傳感器信號(hào)，仿真結(jié)果如圖5、圖6所示.圖中細(xì)實(shí)線為傳感器信號(hào)，帶星號(hào)的虛線為低功耗供電電路輸出的電壓值.由圖5可知，當(dāng)輸入幅值為20 mV的正弦信號(hào)時(shí)，低功耗供電電路輸出一個(gè)+3.3 V左右的直流電壓信號(hào). 根據(jù)圖6可知，當(dāng)輸入幅值2 mV的正弦波信號(hào)時(shí)，低功耗供電電路輸出的電壓信號(hào)為2.5 mV左右. 由上述的Protues仿真可知，低功耗供電電路滿足設(shè)計(jì)要求.

圖5 仿真結(jié)果1

圖6 仿真結(jié)果2

2 元器件的選型及電路板設(shè)計(jì)

2.1 元器件的選型

為了使整個(gè)電源控制電路運(yùn)行的更加穩(wěn)定，文中選用SGmicro公司出產(chǎn)的，具有低偏移電壓的SGM8551XN型芯片作為放大器. 該芯片工作時(shí)的電流值為465 μA，工作溫度為-40 ℃到125 ℃，理論最大偏移電壓為28 μV. 光耦采用TLP627-1，它可以在-25 ℃到85 ℃的環(huán)境中正常工作，電流轉(zhuǎn)換率可達(dá)1 000 %，集電極處的電流值最大能到120 mA，適合于作為低電耗供電系統(tǒng)的電路控制模塊. 除此以外，由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的供電電壓是3.3 V，而低功耗供電電路的輸入電壓是5 V，所以還需要采用HT7533芯片對(duì)電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換.

2.2 原理圖和PCB板設(shè)計(jì)

結(jié)合元器件的選型和Protues仿真電路，通過(guò)搭建簡(jiǎn)單的實(shí)物電路進(jìn)行驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)修改后利用Protel99se完成原理圖.

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，傳感器停止振動(dòng)后，由于電容的蓄能作用，電源控制電路輸出端電壓下降速率太過(guò)緩慢. 為了進(jìn)一步減少不必要的電能損失，在控制電路輸出端串聯(lián)兩個(gè)二極管對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行降壓處理. 確保在外部振動(dòng)停止后，低功耗供電電路輸出端電壓在2分鐘內(nèi)能夠從3.3 V下降到0 V. 結(jié)合實(shí)際狀況下電路板的安放環(huán)境[8]，繪制PCB電路圖.

3 實(shí) 驗(yàn)

為了檢驗(yàn)整個(gè)低電耗供電電路的運(yùn)行狀況，文中采用靜態(tài)測(cè)試和臺(tái)架測(cè)試對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行驗(yàn)證.

3.1 靜態(tài)測(cè)試

首先在靜態(tài)環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試. 主要測(cè)試整個(gè)低功耗供電電路是否能夠準(zhǔn)確感應(yīng)外界振動(dòng)，并且在感應(yīng)外界振動(dòng)后是否能夠使得低功耗供電電路功率輸出端迅速導(dǎo)通. 為此，整個(gè)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行. 將低功耗供電電路放置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上，采用恒壓電源供電，利用數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集低功耗供電電路功率輸出端的電壓信號(hào).

當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，快速的輕觸傳感器數(shù)次，查看低功耗供電電路功率輸出端電壓的變化狀況，具體狀況如圖7所示. 由圖7可知，當(dāng)輕觸傳感器時(shí)，低電耗供電電路的輸出電壓從0 V快速上升至3.3 V，隨后電壓保持了約2分鐘便開(kāi)始下降，之后又過(guò)了大約2分鐘電壓逐漸下降至0 V.

3.2 臺(tái)架測(cè)試

根據(jù)靜態(tài)測(cè)試結(jié)果可知，整個(gè)低功耗供電電路基本滿足設(shè)計(jì)需求. 將其安裝在離合器摩擦片上，進(jìn)行臺(tái)架實(shí)驗(yàn).

圖7 低電耗供電電路輸出端電壓變化狀況

整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架由一臺(tái)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源. 當(dāng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架中的柴油機(jī)啟動(dòng)之后，整個(gè)臺(tái)架開(kāi)始振動(dòng)，此時(shí)可以通過(guò)外部無(wú)線模塊接收到數(shù)據(jù). 當(dāng)柴油機(jī)熄火2分鐘之后，外部無(wú)線數(shù)據(jù)接收模塊無(wú)法接收到數(shù)據(jù)，表明離合器內(nèi)部的整個(gè)系統(tǒng)處于斷電狀態(tài).

3.3 功耗對(duì)比

當(dāng)干式離合器無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不具備低功耗供電電路時(shí)，通過(guò)測(cè)量可知，在工作狀態(tài)下，整個(gè)電路系統(tǒng)的供電電壓為3.3 V，電流為33 mA. 根據(jù)功率的計(jì)算公式

p=ui,

(9)

w=pt,

(10)式中：p為電路消耗的功率；u為電路的供電電壓；i為電路的供電電流；w為電路消耗的能量；t為時(shí)間.

由式(9)可知，在工作狀態(tài)下，整個(gè)電路的功耗約為109 mW. 在未加入低功耗供電電路時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)一旦上電就持續(xù)工作直到電池電量耗盡[8]. 以單個(gè)額定電壓為5 V，額定容量為1 000 mAH的鋰電池供電為例，理想狀態(tài)下，整個(gè)系統(tǒng)只能持續(xù)工作約46小時(shí). 換而言之，隔1～2天就需要拆卸離合器進(jìn)行電池的更換.

當(dāng)離合器無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)增加了低功耗供電電路之后. 通過(guò)測(cè)量可知，工作狀態(tài)下電池輸出的電流仍為33 mA，在非工作狀態(tài)下，電池輸出的電流為2.5 mA. 另外，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)實(shí)驗(yàn)周期持續(xù)約1小時(shí)，但其中只有15分鐘需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其余時(shí)間發(fā)動(dòng)機(jī)熄火使得整個(gè)離合器系統(tǒng)冷卻到預(yù)定溫度. 因此，由式(9)可知，每個(gè)實(shí)驗(yàn)周期中，無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)消耗的能量約為122 J，但是在非工作狀態(tài)下整個(gè)系統(tǒng)的功耗可以降低到8 mW. 以單個(gè)額定電壓為5 V，額定容量為1 000 mAH的電池供電，每天實(shí)驗(yàn)8小時(shí)為例，整個(gè)系統(tǒng)大約能維持連續(xù)12天的實(shí)驗(yàn)而不需要更換電池. 具體對(duì)照如表2所示.

表2 功耗對(duì)比

4 結(jié) 論

文中把振動(dòng)傳感器加入到無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，通過(guò)振動(dòng)傳感器控制電源電量的輸出，設(shè)計(jì)出低功耗供電電路. 通過(guò)電路仿真、實(shí)物電路試驗(yàn)最終完成了整個(gè)低功耗供電電路的設(shè)計(jì)工作. 利用干式離合器摩擦片無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)靜態(tài)測(cè)試和臺(tái)架測(cè)試，對(duì)整個(gè)低功耗供電電路的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比可知，該低功耗供電電路可以大幅度延長(zhǎng)無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作時(shí)間. 且該低功耗供電電路在安全防盜、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域也具有實(shí)際的參考價(jià)值.

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Design of Intelligent Power Supply Circuit for Wireless DataAcquisition System

XIANG Jun-nan, XI Jun-qiang

(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081，China)

In a wireless data acquisition system, the places of the data nodes in the tested device might be inconvenient for both the disassembly and the external power supply. In order to collect the required data in the limited battery power, a power supply circuit with low consumption is designed based on a MEAS vibration sensor. By analyzing the vibration signals from the sensor, the working conditions of the device are distinguished in the circuit for controlling the output of the battery power. The circuit is used in the wireless data acquisition system for a dry clutch friction plate. Experiments results show that the power consumption of the whole acquisition system reduces greatly by means of the designed circuit.

battery power supply；vibration sensor；low power consumption

1009-4687(2016)04-0004-05

2015-9-3

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275038)

項(xiàng)俊男(1991-)，男，碩士.

U463.211

A