CN108827453B - 一种分布式无线同步组网的振动信号采集系统及采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种分布式无线同步组网的振动信号采集系统及采集方法，本发明涉及信号采集与数字信号处理领域，既能用于单节点测试任务，又能根据实际情况对大型结构进行多节点分布式同步组网测试。适用于大型结构振动信号测试。本发明的方法包括：ICP传感器的接口电路、信号耦合与隔离电路设计；STM32嵌入式处理器的ICP传感器信号采集最小系统设计；基于Zigbee无线协议与GPS授时的多节点分布式同步组网采集功能设计；设计基于FIR数字滤波的SD卡高速队列缓冲存储机制。

Description

一种分布式无线同步组网的振动信号采集系统及采集方法

技术领域

本发明涉及信号采集与数字信号处理领域，具体涉及基于嵌入式处理器的大型结构振动信号的调理、采集、数字滤波以及数据存储技术。

背景技术

飞机、桥梁、动车等大型结构的多节点分布式振动测试，需要解决通道数量多、测点分散、多节点同步等问题，若使用常规的振动数据采集系统，需要使用足够长的线缆，可能导致信号衰减，布线繁琐，移动传感器不便等诸多复杂工序。

近年来，研究人员已经开发出多种无线振动测试系统以克服有线系统的缺点。1998年，Straser和Kiremidjian开发了一种无线组合监控系统(WiMMS)用来降低大型结构现场测试的安装成本和劳动强度。经过这一次的尝试，各种无线振动测试系统的硬件、软件平台应运而生。2001年，由U.C.Berkeley大学研制，Corossbow公司生产的无线传感器Mica节点，Mica系列节点包括WeC、Renee、Mica、Mica2、Mica2Dot和MicaZ等。Mica系列配置了更先进的存储器和更快的微处理器，成为了当时最著名的无线振动测试节点。此后，英特尔开发了Imote2，它提供了更强的计算和通信能力。Imote2为节点组网应用提供资源的同时，还保证了高效的低功耗管理，并且此节点非常小型化。另外，密歇根大学开发了一种低成本的无线振动测试平台Narada，它由嵌入式系统组成，主要应用于监测大型民用基础设施系统。虽然这些无线振动测试系统已经显现出了在对大型结构的振动模态测试和结构健康评估方面的巨大潜力，但仍然存在关键问题，如准确的时间同步还有待彻底解决。

发明内容

为了克服现有技术存在的问题，本发明实施例提供了一种针对大型结构的分布式无线同步组网的振动信号采集系统设计，既能用于单节点测试任务，又能根据实际情况对大型结构进行多节点分布式同步组网测试。

为达到上述目的，本发明的实施采用如下技术方案：

一种针对大型结构的分布式无线同步组网的振动信号采集系统，所述系统包括分布在各测点的ICP传感器、耦合与调理电路、嵌入式处理器以及恒流源电源；其中，所述ICP传感器检测到的电信号发送给耦合与调理电路，经所述耦合与调理电路将电信号转化为去除直流偏置分量的有效电信号，所述有效电信号发送给嵌入式处理器中，利用Zigbee无线协议与GPS授时技术，实现多节点分布式同步组网采集功能；所述恒流源电源为所述ICP传感器供电。

进一步的，所述耦合与调理电路(如图3所示)包括电容C1至C5、电阻R3至R11，两个运算放大器；其中，电容C1、电阻R3构成的无源RC高通滤波器，利用OP07型运算放大器设计基于负反馈的电压跟随器，用于实现信号的交流耦合。

进一步的，所述嵌入式处理器其外围功能电路包括电源电路、晶振电路、复位电路、启动模式选择电路、Zigbee模块、GPS模块、SD卡以及差分输入型模数转换器；其中，所述Zigbee模块用于外部通信数据的传输，GPS模块用于实现多模块的同步组网功能；

所述SD卡用于采集信号的存储，差分输入型模数转换器将经调理后的振动信号转换为数字信号。

进一步的，所述高通滤波器截止频率为第二运算放大器中，R3＝R5，R4＝R6，C2＝C3，输入输出特性如公式(3)所示，

式中：V_OUT表示第二运算放大器的差分输出值；V_AINP表示同相输出端；V_AINN表示反相输出端；V_OCM表示第二运算放大器的共模输入电压。

进一步的，为保证ICP传感器的输出信号能够被所述差分输入型模数转换器有效采集，将所述的第二放大器的差分输出V_OUT从[-2.5V +2.5V]转换为[0V +5V]，其共模输入电压V_OCM设定为2.5V。

进一步的，为了滤去奈奎斯特频率以上的噪声，该系统的软件部分设计了高速抗混叠的FIR数字滤波器：

式中：x(n)为输入信号序列；y(n)为输出信号序列；N为滤波器阶数，取奇数值以保证滤波器的对称性；h(k)为经汉宁窗截短后的冲激响应函数。

针对上述检测系统，本发明还提供一种针对大型结构的振动信号采集方法，各检测节点通过Zigbee无线通信协议进行组网，同步接收工作站下发的开始采集、停止采集命令，回传各节点的状态信息；

利用GPS模块提供的基于国际标准时间的秒脉冲信号实现采集任务的高精度同步触发，其中GPS秒脉冲信号占空比为1:10，精度为40ns；

节点接收到工作站下发的开始采集命令后，处理器开始检测GPS模块输出的秒脉冲信号，当检测到第一个秒脉冲信号的上升沿时，触发数据采集与存储任务直至接收到工作占下发的停止采集命令。

进一步的，所述方法设计了基于数据存储队列和内存回收队列的缓冲机制，所述基于数据存储队列的缓冲机制用于缓存将要写入SD卡的节点采样数据，所述基于内存回收队列的缓冲机制用于回收数据存储队列中的各节点，实现内存的循环利用，提高运行效率。

本发明提供的一种针对大型结构的分布式无线同步组网的振动信号采集系统及信号采集方法主要存在如下优点：

1、在大型结构进行多节点分布式振动测试时，能够多节点的振动数据同步采集；

2、避免了传统有线采集系统的繁琐布线，提高工作效率；

3、采集系统进行振动测试时，数据采样频率可达10KHz；

4、体积小，且轻便易携带。

附图说明

图1为本发明中振动数据采集系统结构图；

图2为本发明中ICP传感器接口电路图；

图3为本发明中信号耦合与调理电路图；

图4为本发明中STM32外围功能电路图；

图5为本发明中多节点同步采集控制流程图。

具体实施方式

本发明提供一种针对大型结构的分布式无线同步组网的振动信号采集系统及信号采集方法，为使本发明的目的、思路更加清楚，明确，参照实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供的一种针对大型结构的分布式无线同步组网的振动信号采集系统，所述系统包括分布在各测点的ICP传感器、耦合与调理电路、嵌入式处理器以及恒流源电源；其中，所述ICP传感器检测到的电信号发送给耦合与调理电路，经所述耦合与调理电路将电信号转化为去除直流偏置分量的有效电信号，所述有效电信号发送给嵌入式处理器中，利用Zigbee无线协议与GPS授时技术，实现多节点分布式同步组网采集功能；所述恒流源电源为所述ICP传感器供电。

第一方面，本发明实施例提供了一种ICP传感器的接口电路，如图2所示。ICP传感器正常工作时的输出电压信号V_{icp_vout}由传感器测量的有效信号V_signal和直流偏置分量V_offset线性叠加而成，即：

V_{icp_vout}＝V_signal+V_offset (1)

本发明中选用的ICP传感器为美国PCB公司设计生产的333B30加速度传感器，灵敏度为100mV/g，量程为±50g。当采集系统测量范围为±25g时，ICP传感器的输出有效信号V_signal取值范围为[-2.5V +2.5V]。ICP传感器电源模块采用三端可调恒流源LM334(等效为普通的电流源，简化电路)，其输出电流可调范围为1μA～10mA，电源电压范围为1V～40V。正常工作时，I₀≈0A，二极管1N457电压降约为0.6V，电阻R1两端的电压V_R1≈68mV。ICP传感器333B30工作电流典型值为4mA，则有如下计算关系：

根据芯片手册可知，LM334为正温度系数(约为+0.23mV/℃)器件，而硅二极管的正向偏压为负温度系数(约为-2.5mV/℃)。当R₂＝10R₁时，恒流源的温度系数为零。则有：当I＝4mA时，R₁＝34Ω，R₂＝340Ω，且ICP传感器的输出直流偏置分量V_offset约为9V。

第二方面，本发明实施例提供了基于ICP传感器接口电路输出信号的耦合与调理电路，如图3所示。电容C1与电阻R1构成的无源RC高通滤波器，用于实现信号的交流耦合，其截止频率为可滤去ICP传感器输出信号中的直流偏置分量。为了改善电路的阻抗特性，本发明选用OP07运算放大器设计了相应的电压跟随器，实现前后级电路的隔离，提高输入阻抗，降低输出阻抗。为了将ICP传感器输出的单端信号转换为差分信号，本发明利用全差动运算放大器THS4521构成单端转差分的差动放大电路，其中R3＝R5，R4＝R6，C2＝C3，输入输出特性如公式(3)所示，

式中：V_OUT表示THS4521的差分输出值；V_AINP表示同相输出端；V_AINN表示反相输出端；V_OCM表示THS4521的共模输入电压。

第三方面，本发明实施例提供了基于嵌入式处理器的振动信号采集系统，如图4所示。本发明选用的嵌入式处理器为STM32处理器，其外围功能电路主要包括电源电路、晶振电路、复位电路、启动模式选择电路、Zigbee模块、GPS模块、SD卡以及差分输入型模数转换器ADS1271。其中，Zigbee模块主要用于外部通信数据的传输，GPS模块主要用于实现多模块的同步组网功能，SD卡主要用于采集信号的存储，ADS1271将经调理后的振动信号转换为数字信号。为保证ICP传感器的输出信号能够被ADS1721有效采集，需要将第二方面所述的THS4521的差分输出V_OUT从[-2.5V +2.5V]转换为[0V +5V]，因此其共模输入电压V_OCM设定为2.5V。

第四方面，本发明实施例提供了大型结构在多节点分布式组网振动测试时多个采集系统之间数据的同步组网采集。每个分布式节点对应一个采集系统。同步组网方案如下：各节点通过Zigbee无线通信协议进行组网，同步接收工作站下发的开始采集、停止采集命令，回传各节点的状态信息，利用GPS模块提供的基于国际标准时间的秒脉冲信号实现采集任务的高精度同步触发，其中GPS秒脉冲信号占空比为1:10，精度为40ns。多节点同步采集控制流程如图5所示。首先，无线振动信号采集系统等待接收开始采集的控制命令；其次，接收开始采集的控制命令后，开始采样GPS授时模块输出的同步秒脉冲信号；然后，开始正式采集并存储数据；最后，接收停止采集命令，并停止运行。子节点接收到工作站下发的开始采集命令后，处理器开始检测GPS模块输出的秒脉冲信号，当检测到第一个秒脉冲信号的上升沿时，触发数据采集与存储任务直至接收到工作占下发的停止采集命令。

第五方面，本发明实施例提供了高速抗混叠的FIR数字滤波器，如公式(4)所示，和基于SD卡的数据存储方案。

式中：x(n)为输入信号序列；y(n)为输出信号序列；N为滤波器阶数，取奇数值以保证滤波器的对称性；h(k)为经汉宁窗截短后的冲激响应函数。

SD卡采用单块(512字节)写操作进行数据存储，提高存储效率。处理器在响应突发异常产生的中断时可能导致数据的堆积或覆盖，为了避免此类情况，本发明设计了基于数据存储队列和内存回收队列的缓冲机制，前者用于缓存将要写入SD卡的节点采样数据，后者用于回收数据存储队列中的各节点，实现内存的循环利用，提高运行效率。在实际信号采集阶段，各检测节点通过Zigbee无线通信协议进行组网，同步接收工作站下发的开始采集、停止采集命令，回传各节点的状态信息；

利用GPS模块提供的基于国际标准时间的秒脉冲信号实现采集任务的高精度同步触发；

节点接收到工作站下发的开始采集命令后，处理器开始检测GPS模块输出的秒脉冲信号，当检测到第一个秒脉冲信号的上升沿时，触发数据采集与存储任务直至接收到工作占下发的停止采集命令。本发明实施例提供了一种针对大型结构的分布式无线同步组网的振动信号采集系统设计，具体实施步骤如下：步骤S1，选配本发明内容中所示的各核心电子器件；步骤S2，根据本发明内容中所述的功能电路，设计相应的电路原理图，并检查原理图的合理性；步骤S3，绘制测测量系统电路原理图的PCB布线图，并设计相应的布线规则，调整线路走线；步骤S4，根据设计的PCB布线图进行电路板的加工，并将各电子元器件焊接至加工好的电路板上；步骤S5，设计相应的软件系统，主要功能包括数字信号的采集、信号的抗混叠滤波、基于SD卡的数据存储以及多节点采集时的同步功能；步骤S6，进行实验测试。

本专利具体应用途径很多，以上所述仅为本专利的优选实施方案，并非因此限制本专利的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，在本专利原理的前提下做出等同替换和显而易见变化所得到的方案，均应当包含在专利的保护范围内。

Claims (3)

1.一种分布式无线同步组网的振动信号采集系统，其特征在于，所述系统包括分布在各测点的ICP传感器、耦合与调理电路、嵌入式处理器以及恒流源电源；其中，所述ICP传感器为美国PCB公司设计生产的333B30加速度传感器，所述ICP传感器检测到的电信号发送给耦合与调理电路，经所述耦合与调理电路将电信号转化为去除直流偏置分量的有效电信号，所述有效电信号发送给嵌入式处理器中，利用Zigbee无线协议与GPS授时技术，实现多节点分布式同步组网采集功能；所述恒流源电源为所述ICP传感器供电；

所述耦合与调理电路包括电容C1至C5、电阻R3至R10，两个运算放大器；其中，电容C1、电阻R3构成的无源RC高通滤波器，利用第一运算放大器设计基于负反馈的电压跟随器，用于实现信号的交流耦合；第二运算放大器由电阻R5至R10和电容C2、C3构成差分放大电路，且所述第二运算放大器的共模输入端接电容并联电容C4、C5；所述运算放大器为OP07运算放大器；

将所述的第二运算放大器的差分输出V_OUT从[-2.5V +2.5V]转换为[0V +5V]，其共模输入电压V_OCM设定为2.5V；

所述嵌入式处理器其外围功能电路包括电源电路、晶振电路、复位电路、启动模式选择电路、Zigbee模块、GPS模块、SD卡以及差分输入型模数转换器；其中，所述Zigbee模块用于外部通信数据的传输，GPS模块用于实现多模块的同步组网功能；

所述SD卡用于采集信号的存储，差分输入型模数转换器将经调理后的振动信号转换为数字信号。

2.根据权利要求1所述的一种分布式无线同步组网的振动信号采集系统，其特征在于，

所述高通滤波器截止频率为第二运算放大器中，R3＝R5，R4＝R6，C2＝C3，输入输出特性如公式(3)所示，

式中：V_OUT表示第二运算放大器的差分输出值；V_AINP表示同相输出端；V_AINN表示反相输出端；V_OCM表示第二运算放大器的共模输入电压。

3.根据权利要求1所述的一种分布式无线同步组网的振动信号采集系统，其特征在于，所述系统还包括高速抗混叠的FIR数字滤波器模块；

所述FIR数字滤波器模块采用以下算法对信号进行抗混叠滤波：

式中：x(n)为输入信号序列；y(n)为输出信号序列；N为滤波器阶数，取奇数值以保证滤波器的对称性；h(k)为经汉宁窗截短后的冲激响应函数。