基于WiFi數(shù)字位移傳感器設(shè)計與分析

劉明強，孫 輝，胡洪林，曾問虎，田 宇

(貴州省電子工業(yè)研究所，貴州 貴陽 550004)

0 引言

千分表在公路檢測中應(yīng)用十分廣泛，在路基、偏坡、橋梁和結(jié)構(gòu)物等檢測中使用，實現(xiàn)方法主要有：傳統(tǒng)式測量、光學(xué)式測量、利用放射性技術(shù)測量等。傳統(tǒng)式測量主要有兩大類：一類利用力學(xué)機械原理，直線位移量轉(zhuǎn)化為非電量信號，由顯示盤呈現(xiàn)給用戶的位移測量儀器；另一類將位移行程桿的位移變化轉(zhuǎn)化為電信號，將其數(shù)字化提取，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸，最后由上位機呈現(xiàn)給用戶的位移測量儀器。隨著現(xiàn)代加工方式的革新、檢測方法的改進、指標和要求的提高，數(shù)字化主動上傳測量方法將取代傳統(tǒng)的指針式數(shù)顯示式測量方法。本方案主要包括，位移器行程桿直線位移獲取部件構(gòu)成、設(shè)計與實現(xiàn)；微弱電信號提取的設(shè)計、實現(xiàn)、分析與驗證[1]；完成基于WiFi數(shù)字位移傳感器(千分表)設(shè)計，并實用化。

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計目標：a.量程12 mm；b.精度1 μm；c.數(shù)據(jù)采集上傳速率10 Hz到100 Hz，可以動態(tài)設(shè)置；d.數(shù)據(jù)采用WiFi方式上傳；e.采用電池供電，續(xù)航能力理論8～10 h，實際使用不低于6 h，充電電壓5 V；f.外觀、重量、防護等級、可靠性、穩(wěn)定性等等。為了滿足系統(tǒng)功能和非功能性要求，項目組擬定系統(tǒng)實現(xiàn)分為兩部分：后臺上位機，前端設(shè)備。

前端設(shè)備硬件系統(tǒng)包括以下主要功能部件：①電池充放電管理功能部件(B-MS)；②數(shù)據(jù)上傳通信WiFi功能部件；③ USB-COM調(diào)式通信功能部件；④功能控制、數(shù)據(jù)處理核心功能部件；⑤位移-電信號轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)部件；⑥電信號調(diào)理與數(shù)字化提取功能部件等，如圖1功能框圖所示。

圖1 功能框圖

外部接口：一個TYPC，充電調(diào)試通信接口；一個三檔電源開關(guān)，開機、關(guān)機、充電三種狀態(tài)；一個恢復(fù)出廠設(shè)置按鈕；四個功能指示燈。

2 位移轉(zhuǎn)化電信號部件設(shè)計

千分表精度有多種，根據(jù)項目要求設(shè)計方案實現(xiàn)的精度1微米，在位移-電信號轉(zhuǎn)化并沒有采用常規(guī)的杠桿齒輪傳動、齒輪傳動及杠桿螺桿傳動；而采用直線行程桿帶動測量點同步位移，測量點位移就是實際被測量物面位移的相對變化量，測量示意圖如圖2所示：其優(yōu)勢在于不需要高精密部件的加工，高精密部件的優(yōu)劣直接影響其測量精度，高精密部件的磨損使其精度大幅度下降。這種設(shè)計也存在不足：對測量電路的設(shè)計和實現(xiàn)要求極高；通過對測量電路的優(yōu)化設(shè)計完全可以彌補這種不足。

圖2 測量示意圖

測量導(dǎo)體選取， 6J40合金也被稱為康銅合金，是以銅鎳為主要的電阻合金。特點：具有較低的電阻溫度系數(shù)，較寬的使用溫度范圍，加工性能良好，具有良好的焊接性能，適合在交直流電路中使用，作精密電阻、滑動電阻、電阻應(yīng)變計等。6J13合金也被稱為錳銅合金，與康銅相比不含價格較高的鎳，具有低價格的優(yōu)勢，但抗氧化性比康銅稍差，其性能和康銅絲一樣，具有較低的溫度系數(shù)，電阻率幾乎不隨溫度變化，常作為采樣電阻使用。Cr20Ni80是電阻電熱合金，組織穩(wěn)定，電氣物理特性穩(wěn)定，高溫力學(xué)性能好，冷變形塑性好，焊接性好，長期使用不會產(chǎn)生脆性斷裂，使用壽命長[2]，含鎳量高，價格較高。

導(dǎo)體線徑-電阻對應(yīng)如表1所示，其性能都比較優(yōu)異?？点~性能更好；錳銅價格優(yōu)勢；鎳鉻電阻率最高，更有利于用作測量導(dǎo)體。具體選用型號根據(jù)后期測試、分析結(jié)果而定。

表1 導(dǎo)體線徑-電阻對應(yīng)表

3 電信號調(diào)理設(shè)計分析

圖3 電阻應(yīng)變?nèi)珮?/p>

為了實現(xiàn)測量精度1 μm，設(shè)計中采用了如圖3所示的改進型應(yīng)變?nèi)珮?，有效提高變化的輸出量，形成抗干擾強全差分信號，便于后級采集。將圖中B和D處引入測量導(dǎo)體，通過同步滑動測量點，形成ΔR1、ΔR2、ΔR3和ΔR4；ΔR1和ΔR2絕對值大小相等，方向相反；ΔR3和ΔR4絕對值大小相等，方向相反。利用兩個應(yīng)變裝置，獲得四個測量應(yīng)變量，同時ΔR始終全部接入應(yīng)變橋，減小了應(yīng)變橋中由于ΔR的存在引起電流變化導(dǎo)致的測量誤差。

應(yīng)變測量橋是由康銅絲自制無感、高精密電阻組成：R1=R2=R3=R4=55 Ω，測量導(dǎo)體用線徑0.3 mm康銅絲為例說明，橋臂電阻和測量導(dǎo)體特性電阻率幾乎不隨溫度變化。當有0.001 mm位移量變化時，由表1知，測量導(dǎo)體測量點處導(dǎo)體電阻變化為6.6525 μΩ，即應(yīng)變電阻變化量ΔR=6.6525μΩ；由理論推導(dǎo)可知ΔR/R=K*εr，故K*εr=ΔR/R=0.1209545×10-6(ΔR=6.6525 μΩ，R=55 Ω)，當施加測量基準電壓U=3.3 V時，應(yīng)變輸出電壓ΔU如下：

單橋：ΔU=3.3/4*K*εr=0.0997875 μV

半橋：ΔU=3.3/2*K*εr=0.199575 μV

全橋：ΔU=3.3/1*K*εr=0.39915 μV

應(yīng)變測量橋輸出差分信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路網(wǎng)絡(luò)后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換部件完成信號數(shù)字化提取[3-4]。

4 硬件電路設(shè)計

硬件電路設(shè)計主要采用了專業(yè)的高速電路板設(shè)計與仿真軟件Cadence16.6。原理圖用Design Entry CIS進行設(shè)計；PCB用Allegro PCB Editor進行設(shè)計；對部分關(guān)鍵電路采用Multisim12.0進行設(shè)計前期的驗證測試，提高產(chǎn)品的成功率，以縮短開發(fā)周期。

4.1 系統(tǒng)供電設(shè)計

系統(tǒng)采用雙路供電：外部5 V供電(主要針對通用5 V以及電腦USB輸出5 V)和內(nèi)部電池供電。外電源接通時電池可能處于放電狀態(tài)，也可能處于不放電狀態(tài)，內(nèi)部系統(tǒng)工作由外部供電；無外電源時內(nèi)部系統(tǒng)工作由電池供電。內(nèi)部系統(tǒng)工作供電真值表如表2所示。

表2 供電真值表

供電切換電路選取，二級管雙路供電(圖4)特點：二極管的壓降隨電流的不同，為0.2 V到0.5 V左右，對于電壓較低的系統(tǒng)來說非常大，當外部供電只有4.9 V或4.8 V(主要是電腦USB接口供電)時，經(jīng)過降壓后只有4.4 V左右，相對于5 V供電的部件來講，處于不工作或工作在極不穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖4 二極管雙路供電

MOS管雙路供電(圖5)特點：導(dǎo)通壓降非常小，在0.02～0.05 V，適用于低壓降差控制；經(jīng)過不同方式大量仿真和實物搭建測試，MOS管雙向?qū)刂茟?yīng)用在電壓小于等于5 V系統(tǒng)中不適用，MOS管工作在不確定狀態(tài)；單向?qū)刂圃陔妷盒∮诘扔? V系統(tǒng)中是適用的[5]。主要選用導(dǎo)通電壓低的MOS管，如si2301和AO3401等進行測試。

圖5 MOS管雙路供電

將系統(tǒng)中5 V供電的部件改用3.3 V供電部件，可選用圖4的方案；外部供電大于5 V(如6～9 V)，可選用圖5的方案，系統(tǒng)中5 V供電的部件也不用改。最后架構(gòu)權(quán)衡。

4.2 調(diào)試通信設(shè)計

調(diào)試接口采用當前主流TYPC，既是調(diào)試接口，也是充電接口，設(shè)計成USB-COM模式的調(diào)式功能部件，通過該功能部件實現(xiàn)上位機和設(shè)備按相關(guān)協(xié)議通信[6]，功能保持和上行通信(WiFi)口一致，同時增加特殊調(diào)試和應(yīng)用固件升級，默認設(shè)置為：波特率119200，Even校驗，1個停止位。

上行通信(WiFi)接口，采用UART口的TTL電平與WiFi部件相連，WiFi部件采用3.3 V供電，默認設(shè)置為：波特率119200，None校驗，1個停止位。上行通信(WiFi)接口主要有兩類功能： WiFi部件設(shè)置，完成WiFi部件的參數(shù)讀取與設(shè)置[7]；上傳數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)通過構(gòu)建的無線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)+有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到指定的網(wǎng)絡(luò)端。為了達到快速上傳數(shù)據(jù)，MCU和WiFi部件之間通信采用UART硬件流控制來實現(xiàn)[8]，連接如圖6所示。

圖6 MCU-WiFi連接圖

4.3 充放電設(shè)計

電芯采用品質(zhì)高、穩(wěn)定性強、安全可靠、可循環(huán)使用的18650電芯，容量2000 mAh。充放電管理采用TP5400，是一款高效鋰電池充放電管理芯片。

集預(yù)充、充電狀態(tài)指示和充電截止等功能于一體，充電最大電流1 A；升壓電路采用CMOS工藝制造的空載電流極低的VFM開關(guān)型DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器，具有極低的空載功耗(小于10 μA)，且升壓輸出驅(qū)動電流為1 A。

不足之處是沒有剩余電量估算功能。剩余電量估算功能由MCU軟件實現(xiàn)，根據(jù)大量應(yīng)用充放數(shù)據(jù)，構(gòu)建應(yīng)用數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)電池剩余電量精確的算法(主要是針對本設(shè)計設(shè)備運行狀態(tài)下剩余電量的數(shù)學(xué)模型)[9-10]。

4.4 數(shù)字信號提取設(shè)計

對微弱信號的穩(wěn)定、有效數(shù)字化提取主要從以下幾方面考慮：信號源自身的可靠性、穩(wěn)定性設(shè)計；采集轉(zhuǎn)換部件處理功能、性能的考量；對微小信號在電路和PCB設(shè)計中抗干擾的設(shè)計，電子元器件的寄生參數(shù)、電路板的分布參數(shù)、空中微弱的電磁波都可能將信號淹沒而無法提取。

信號產(chǎn)生方面，使用應(yīng)變?nèi)珮驅(qū)⑿盘栟D(zhuǎn)為差分信號，應(yīng)變橋測量臂和測量導(dǎo)體材料均采用具有極低的電阻溫度系數(shù)康銅絲，無感化設(shè)計構(gòu)成，同時做抗干擾優(yōu)化處理。

采集轉(zhuǎn)換部件采用AD7176-2，它是一款快速建立、高度精確、高分辨率、多路復(fù)用的∑-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，輸出數(shù)據(jù)速率范圍為5 SPS至50 kSPS/通道。其功能框圖如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)換部件功能框圖

PCB采用四層板方式設(shè)計，嚴格遵循模擬信號設(shè)計規(guī)范，模擬地的數(shù)字地分離設(shè)計、包地設(shè)計，全程將模擬處理部分用數(shù)字地做抗干擾優(yōu)化處理，建立完整電氣約束。

微弱信號的數(shù)字提取是系統(tǒng)設(shè)計核心和難點，也是項目組主要攻克的技術(shù)難點[3，11]。只有信號能有效數(shù)字化提取，才能完成系統(tǒng)的核心功能性需求，也是完成其他功能性和非功能性需求的基礎(chǔ)。

5 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計要分為設(shè)備端的固件程序設(shè)計和后臺運行的上位機軟件程序設(shè)計。

5.1 固件設(shè)計

圖8 應(yīng)用程序流程圖

固件程序設(shè)計，從可維護性質(zhì)量屬性分析，將固件程序分為Boot Loader程序和應(yīng)用程序。Boot Loader程序用于固化到設(shè)備中，再將應(yīng)用程序編譯的Bin文件通過固化的Boot Loader下載保存到設(shè)備中并運行[12-13]?？梢酝ㄟ^上位軟件設(shè)置使設(shè)備運行于Boot Loader狀態(tài)，也可以通過硬件狀態(tài)開關(guān)強使設(shè)備運行于Boot Loader狀態(tài)。增加了可維護性和可修改性，同時從維護知識產(chǎn)權(quán)緯度，也增加設(shè)備保密性，應(yīng)用程序流程圖如圖8所示。

5.2 上位機軟件

上位機軟件基于.Net架構(gòu)，在Microsoft Visual Studio 2012平臺上進行開發(fā)，分為兩個軟件。

基于串口通信的升級、調(diào)試軟件，依據(jù)項目組擬定的升級協(xié)議v1.00進行構(gòu)建[14-15]，主要有通道設(shè)置區(qū)、功能按鍵區(qū)、 Bin代碼裝載區(qū)、日志區(qū)和命令發(fā)布區(qū)。

基于網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用軟件，依據(jù)項目組擬定的通信協(xié)議v1.00進行構(gòu)建，主要用于上位和設(shè)備之間通過網(wǎng)絡(luò)建立連接收發(fā)命令，同時接收、解析采集的數(shù)據(jù)報文[6，14，16-18]，呈現(xiàn)給用戶?？梢怨ぷ髟诳蛻舳四Ｊ胶头?wù)器模式，服務(wù)器模式可同時連接12個終端設(shè)備。

6 測試與結(jié)果分析

經(jīng)過多輪迭代調(diào)整設(shè)計，測量導(dǎo)體采用線徑0.3 mm康銅絲，應(yīng)變橋測量臂55 Ω，全橋方式，在30 Hz測試下，固位置測量電壓數(shù)據(jù)峰峰值變化小于300 nV，在200 nV左右，換算到位移峰峰值變化小于1 μm，在±0.4 μm以下，平均值±0.1 μm左右。如應(yīng)用測試圖圖9所示：應(yīng)用程序工作在服務(wù)器模式，設(shè)備工作在客戶端模式，30 Hz更新采樣速率下，連續(xù)41000多次測量，圖中Y軸為測量位移量，單位100 nm，一大格為500 nm；X軸為位移測量采集點。滿負荷狀態(tài)下電池續(xù)航達390 min左右，其主要耗能在WiFi傳輸部分，占到設(shè)備能耗80%左右，由于架構(gòu)設(shè)計充分的權(quán)衡，達到設(shè)計要求。經(jīng)過現(xiàn)場使用檢驗，性能穩(wěn)定、可靠，完全達到要求。

圖9 應(yīng)用軟件測試圖

存在的不足，當采集上傳速率大于20 Hz后，會出現(xiàn)報文積壓現(xiàn)象：報文應(yīng)該是一幀一個報文的傳送過來的，但有時會一幀收到好幾個報文；采集速率越高，出現(xiàn)機率越大；網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)越差，出現(xiàn)機率越大；并沒有報文的丟失。從調(diào)試口出來的數(shù)據(jù)沒有這種現(xiàn)象。問題主要是WiFi模塊發(fā)送網(wǎng)絡(luò)報文的積壓造成的，目前主要是通過上位報文拆分來解決這種問題。后期將重點分析和解決WiFi模塊網(wǎng)絡(luò)報文積壓問題。

7 結(jié)束語

經(jīng)過多輪迭代，完成基于WiFi數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚贁?shù)字化位移傳感器設(shè)計，在測量精度、上傳更新速率、續(xù)航等方面達到項目設(shè)計要求，提供了一種在路基、邊坡、橋梁和結(jié)構(gòu)物等高速公路檢測的現(xiàn)代化測試方法。