CN113176021A - 一种远距离传输压力传感阵列系统 - Google Patents

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唐蒙
邓丽城
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Abstract

本发明公开了一种远距离传输压力传感阵列系统，解调电路与压力传感阵列连接，用于得到单个压力传感单元的阻值的模拟信号；AD模块用于对解调电路得到的模拟信号进行模数转换；FPGA用于将数模转换后的数字信号进行以太网通信；交换机用于将多个压力传感阵列构建成一个传感局域网；路由器用于将不同交换机下不同传感局域网的以太网通信的数据转发；上位机采用UDP协议向FPGA发送控制命令，用于控制AD模块的多路ADC采样通道数据结果的读取、解调和图形化显示，进行实时动态监测。优点：解决了大规模阵列传感器采样困难、难以实时远程监测以及系统内阵列传感节点有限等问题提供了良好的解决方案，具备有非常广阔的商业应用前景。

Description

一种远距离传输压力传感阵列系统
技术领域
本发明涉及一种远距离传输压力传感阵列系统，属于压力监测技术领域。
背景技术
传感器技术是系统感知层中重要的组成部分，在信息传输、现代测量和自动化生产中发挥了不可替代的作用，成为了一个国家科技水平发展的重要标志。随着信息时代的快速发展，各领域对于压力传感器测量的远距离检测、实时显示等要求逐步提高。
以太网技术作为一种最盛行的局域网技术，在各方面都获得了广泛应用。随着信息化时代的发展，能够突破局域网限制的广域以太网应运而生。以太网本身具有的简单性、价格低、易配置和扩展性强等优点，得到了更广泛的应用。
现有技术存在大规模阵列传感器采样困难、难以实时监测以及系统内阵列传感节点有限等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种远距离传输压力传感阵列系统。
为解决上述技术问题，本发明提供一种远距离传输压力传感阵列系统，包括：压力传感阵列、解调电路、FPGA、AD模块、以太网通信模块、交换机、路由器和上位机；
所述解调电路与压力传感阵列连接，用于对压力传感阵列进行解调，得到单个压力传感单元的阻值的模拟信号；
所述AD模块与解调电路连接，用于对解调电路得到的模拟信号进行模数转换；
所述FPGA外接AD模块和以太网通信模块，用于将数模转换后的数字信号进行以太网通信；
所述交换机，用于将多个压力传感阵列构建成一个传感局域网；
所述路由器，用于将不同交换机下不同传感局域网的以太网通信的数据转发；
所述上位机采用UDP协议向FPGA发送控制命令，用于控制AD模块的多路ADC采样通道数据结果的读取、解调和图形化显示，进行实时动态监测。
进一步的，所述压力传感阵列中的传感器采用石墨烯阵列压力传感器。
进一步的，所述交换机和路由器之间通过MAC表和路由表进行通信通道建立，进行以太网的远距离传输。
进一步的，所述通过MAC表和路由表进行通信通道建立，进行以太网的远距离传输的过程包括：
远端通过路由器的路由表进行IP寻址确定待访问的压力传感阵列所处传感局域网的交换机，再通过交换机内的MAC表找到待访问的压力传感阵列对应的MAC地址，完成与待访问的传感器的通信通道的建立，通过以太网进行远端与待访问的传感器的数据传输。
进一步的，所述上位机采用UDP协议向FPGA发送控制命令的过程包括：
通过UDP传输协议建立FPGA与上位机之间的网络连接；
建立连接后，将前面板“发送数据”的询问指令输入UDP协议的控件内，并发送至FPGA；
等待FPGA发回应答数据，并对接收到的数据生成ADC 采样数据命令，控制FPGA的ADC采样，所述接收到的数据包括FPGA的IP地址、MAC地址、AD模块的采样信息。
进一步的，所述用于用于控制AD模块的多路ADC采样通道数据结果的读取、解调和图形化显示，进行实时动态监测的过程包括：
根据UDP传输协议，先将接收到的字符串转换成字节数组，再用字节数组中第6个字节进行列的判断；
在判断出当前扫描的列后，对接收到的数据先进行截取操作，分离出每一行对应电压值的字符串形式的数据，将字符串形式的数据转换成字节数组形式的数据，再将字节数组形式的数据传换成十进制数值形式的数据；
将十进制数值形式的数据转换成采样的模拟电压，并结合石墨烯压强与电压之间的线性关系，得到监测阵列传感器中每列的压强数据；
通过LabVIEW中“3D bar”三维条形图控件，将上述得到的压强数据通过三维直方图的形式进行呈现。
本发明所达到的有益效果：
（1）本发明选用的石墨烯压力传感阵列在灵敏度、大面积制备和集成等方面具有天然的优势。
（2）本发明通过运放解调电路或者二次扫描解调电路，忽略了待测电阻的串并联电阻，实现对每个石墨烯压力传感单元阻值的精确测量。
（3）本发明选用的LABVIEW上位机软件引入“3D bar”三维条形图控件，将得到的压强数据通过三维直方图的形式清晰呈现。
（4）本发明上位机软件的实时监控主界面可以用于远程实时监控压力传感器阵列的受压情况，而读取保存数据界面可以用于查看一段时间内阵列传感器随时间的变化情况。
附图说明
图1为本发明的系统模块图；
图2为本发明的通信线路图；
图3为本发明的UDP通信子程序框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的一种远距离传输压力传感阵列系统，包括：压力传感阵列、解调电路、FPGA、AD模块、以太网通信模块、交换机、路由器和上位机；
所述解调电路与压力传感阵列连接，用于对压力传感阵列进行解调，得到单个压力传感单元的阻值的模拟信号；
所述AD模块与解调电路连接，用于对解调电路得到的模拟信号进行模数转换；
所述FPGA外接AD模块和以太网通信模块，用于将数模转换后的数字信号进行以太网通信；
所述交换机，用于将多个压力传感阵列构建成一个传感局域网；
所述路由器，用于将不同交换机下不同传感局域网的以太网通信的数据转发；
所述上位机采用UDP协议向FPGA发送控制命令，用于控制AD模块的多路ADC采样通道数据结果的读取、解调和图形化显示，进行实时动态监测。
所述压力传感整列以压阻效应为原理，通过阻值的变化测算出压力的变化，具有较高的精确度；同时选用掺杂碳纳米管(CNT)的石墨烯作为压阻材料，具有较高的灵敏度。
所述解调电路解决了阵列电阻的交叉耦合的问题，使用模拟开关实现压力传感阵列逐列扫描的功能。
所述AD模块内置采样率为200kHz的16位AD7606芯片，可实现8通道同步采样；所述以太网通信模块内置PHY芯片，为用户提供网络通信服务。
如图2所示，当远程的主机A想要访问不在同一网络下的传感器1时，可以通过路由器内的路由表进行IP寻址找到传感器1所处子网的交换机，再依靠交换机内的MAC表找到传感器1对应的MAC地址，即可完成两者间的远程通信。
如图3所示，UDP通信子程序的主要工作流程为：第一步，先通过“打开UDP”函数建立FPGA与上位机之间的网络连接；第二步，利用“写入UDP数据”将前面板“发送数据”数值输入控件内输入的字符串发送至下位机；第三步，等待下位机发送回应答数据，并对接收到的数据进行进一步处理。
上位机软件程序设计的步骤如下：
步骤1：根据UDP传输协议，先将“读取UDP数据”函数接收到的字符串转换成字节数组，再用字节数组中第6个字节进行列的判断。
步骤2：在判断出当前扫描的列后，对接收到的数据先进行截取操作，分离出每一行对应电压值的字符串形式。通过调用“字符串至字节数组转换”函数先将字符串转换成字节数组，再利用“索引数组”函数将字节数组传换成十进制数值。
步骤3：根据AD7606芯片二进制编码与模拟电压的关系，将步骤2得到的十进制数值转换成采样的模拟电压，并结合石墨烯压强与电压之间的线性关系，逐列监测阵列传感器中每列的压强情况。
步骤4：为了更加直观的观测到阵列传感器的压强变化，引入了LabVIEW中“3Dbar”三维条形图控件，将上述得到的压强数据通过三维直方图的形式清晰的呈现。
综上所述：该基于以太网远距离传输的压力传感阵列系统，具有易于采样、传输速率快和能够远距离实时动态监测等优点。该系统利用千兆以太网传输的方式，将多个压力传感节点构建成一个局域网，通过远端的上位机软件实现对局域网内任意传感节点的访问和监控。该系统的研发为解决大规模阵列传感器采样困难、难以实时监测以及系统内阵列传感节点有限等问题提供了良好的解决方案，具备有广阔的商业应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种远距离传输压力传感阵列系统，其特征在于，包括：压力传感阵列、解调电路、FPGA、AD模块、以太网通信模块、交换机、路由器和上位机；
所述解调电路与压力传感阵列连接，用于对压力传感阵列进行解调，得到单个压力传感单元的阻值的模拟信号；
所述AD模块与解调电路连接，用于对解调电路得到的模拟信号进行模数转换；
所述FPGA外接AD模块和以太网通信模块，用于将数模转换后的数字信号进行以太网通信；
所述交换机，用于将多个压力传感阵列构建成一个传感局域网；
所述路由器，用于将不同交换机下不同传感局域网的以太网通信的数据转发；
所述上位机采用UDP协议向FPGA发送控制命令，用于控制AD模块的多路ADC采样通道数据结果的读取、解调和图形化显示，进行实时动态监测。
2.根据权利要求1所述的远距离传输压力传感阵列系统，其特征在于，所述压力传感阵列中的传感器采用石墨烯阵列压力传感器。
3.根据权利要求1所述的远距离传输压力传感阵列系统，其特征在于，所述交换机和路由器之间通过MAC表和路由表进行通信通道建立，进行以太网的远距离传输。
4.根据权利要求3所述的远距离传输压力传感阵列系统，其特征在于，所述通过MAC表和路由表进行通信通道建立，进行以太网的远距离传输的过程包括：
远端通过路由器的路由表进行IP寻址确定待访问的压力传感阵列所处传感局域网的交换机，再通过交换机内的MAC表找到待访问的压力传感阵列对应的MAC地址，完成与待访问的传感器的通信通道的建立，通过以太网进行远端与待访问的传感器的数据传输。
5.根据权利要求1所述的远距离传输压力传感阵列系统，其特征在于，所述上位机采用UDP协议向FPGA发送控制命令的过程包括：
通过UDP传输协议建立FPGA与上位机之间的网络连接；
建立连接后，将前面板“发送数据”的询问指令输入UDP协议的控件内，并发送至FPGA；
等待FPGA发回应答数据，并对接收到的数据生成ADC 采样数据命令，控制FPGA的ADC采样，所述接收到的数据包括FPGA的IP地址、MAC地址、AD模块的采样信息。
6.根据权利要求5所述的远距离传输压力传感阵列系统，其特征在于，所述用于控制AD模块的多路ADC采样通道数据结果的读取、解调和图形化显示，进行实时动态监测的过程包括：
根据UDP传输协议，先将接收到的字符串转换成字节数组，再用字节数组中第6个字节进行列的判断；
在判断出当前扫描的列后，对接收到的数据先进行截取操作，分离出每一行对应电压值的字符串形式的数据，将字符串形式的数据转换成字节数组形式的数据，再将字节数组形式的数据传换成十进制数值形式的数据；
将十进制数值形式的数据转换成采样的模拟电压，并结合石墨烯压强与电压之间的线性关系，得到监测阵列传感器中每列的压强数据；
通过LabVIEW中“3D bar”三维条形图控件，将上述得到的压强数据通过三维直方图的形式进行呈现。
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