摘 要: 闡述了一種采用無線傳輸方式的振動數(shù)據(jù)采集和檢測方法。通過飛思卡爾公司的MC13192芯片來現(xiàn)振動數(shù)據(jù)的無線傳輸，在檢測端使用加速度傳感器芯片MMA61612Q來獲得振動信號并完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，其精度可達0.01 m/s2，在接收端運用遠程可視化界面來接收采集到的數(shù)據(jù)。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能及時準確地采集振動信號，數(shù)據(jù)傳輸距離遠，遠程端監(jiān)視效果好。
關鍵詞： 振動檢測；無線數(shù)據(jù)通信；加速度傳感器；MC13192
傳統(tǒng)的振動測量系統(tǒng)是將傳感器鋪設在測量點，然后利用電纜線連接傳感器和信號采集部分。這樣，振動信號完全在電纜中傳輸。但是在一些如橋梁、輸油氣管線、隧道等復雜的條件下，使用傳統(tǒng)的有線的方法，不僅布設工作十分繁瑣，而且還會占用大量的人力、物力。因此，本文選取了一對Freescale公司的MC13192無線數(shù)據(jù)傳輸模塊來取代傳統(tǒng)的電纜線，實現(xiàn)了遠程振動數(shù)據(jù)的傳輸，并在接收端開發(fā)其上位機軟件，實現(xiàn)無線振動數(shù)據(jù)的采集與檢測[1]。
1 系統(tǒng)原理
系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由系統(tǒng)控制模塊、振動檢測模塊、報警模塊、無線數(shù)據(jù)發(fā)射接收模塊[2]等幾部分組成。
其中，系統(tǒng)控制模塊主要用于計算和分析信號的強度、模式和對報警及顯示模塊的控制等。在本系統(tǒng)中，采用Freescale公司的MC9S08GT60[3]作為振動檢測的控制器。它具有4 KB的閃存，60 KB的大容量在線Flash編程，含有16通道10位數(shù)模轉(zhuǎn)換，56個I/O接口，32個中斷源。振動檢測模塊[4]采用加速度傳感器芯片MMA6261Q，該芯片集成表面微機械結(jié)構(gòu)，其G-Cell電容會受地震塊的力作用而發(fā)生改變。報警模塊采用單片機控制。通過RS232將數(shù)據(jù)直接保存在計算機上，通過串口通信的方式將數(shù)據(jù)導出到電腦中。無線數(shù)據(jù)發(fā)射接收模塊采用Freescale公司提供的符合IEEE802.15.4標準的帶數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器的射頻收發(fā)芯片。其工作頻率為2.405 GHz～2.480 GHz，該頻帶劃分為16個信道，每個信道占用5 MHz的帶寬。采用直接序列擴頻的通信技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速率為250 kb/s。
在測量的過程中，系統(tǒng)在電腦上進行采樣顯示，直觀反映振動的各種數(shù)據(jù)量。然后將數(shù)據(jù)進行匯總，通過程序?qū)⑵淅L制成曲線來反映出數(shù)據(jù)量的變化。
2 振動檢測電路的設計
振動檢測主要采用MMA1260D，由PTB0、PTB1和PTB7接收來自X、Y、Z三個方向的加速度的值，將PTC5和PTG1作為輸出的控制信號，可以分別實現(xiàn)對振動信號的采集。它主要有以下幾個特性：能對信號進行積分補償；標準的線性輸出；含有2階貝塞爾濾波器；自校準及自動檢測功能；自動校驗數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的準確性；傳感器具有很高的可靠性和穩(wěn)定性，能承受高強度的振動。
3 軟件設計
系統(tǒng)檢測和處理部分主要由數(shù)據(jù)檢測、數(shù)據(jù)發(fā)送以及數(shù)據(jù)接收和處理等幾個子程序組成。系統(tǒng)采用Freescale公司提供的軟件Codewarrior進行程序的編寫。
3.1 主程序設計
主程序流程圖如圖2所示。
由表1可見，本系統(tǒng)對于振動測量的精度很高，基本上達到了0.001 g=0.098 m/s2，誤差不超過3.3% 。
本系統(tǒng)采用Freescale公司的無線傳輸芯片MC13192和振動檢測芯片MMA61612Q來實現(xiàn)無線振動數(shù)據(jù)的檢測和傳輸。振動數(shù)據(jù)的遠距離傳輸和良好的可視化界面使得系統(tǒng)使用起來更為直觀方便。經(jīng)過實際測試表明，本系統(tǒng)能及時準確地采集振動信號，遠程端監(jiān)視效果良好，采集的數(shù)據(jù)精度高、線形度好，其低功耗設計使得本系統(tǒng)具有廣泛的應用領域。
參考文獻
[1] 孫志遠,楊學山,馬樹林.三通道無線振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].地震工程與工程振動,2004,24(05):171-176.
[2] 李朝青.無線發(fā)送/接收IC芯片及其數(shù)據(jù)通信技術(shù)選編[M].北京:北京航空航天大學出版社,2003.
[3] Freescale.MC9S08GT60 Data Sheet V2.1.
[4] 楊學山.工程振動測量儀器和測試技術(shù)[M].北京:中國計量出版社,2001.
[5] Freescale.MC13192.PDF Document Number:MC13192,Rev.2.8,04/2005.
主程序首先對硬件電路進行初始化和檢測。先對MCU進行初始化，設置無線發(fā)射接收模塊的頻率，方便其通信，然后再對MC13192[5]進行初始化，設定天線發(fā)射、接收環(huán)境的初值和數(shù)據(jù)包格式等。初始化完畢后，進入狀態(tài)檢測、振動檢測以及數(shù)據(jù)的處理、發(fā)送、接收和傳送等子程序。通過電腦上的上位機軟件可將所接收的數(shù)據(jù)實時顯示并保存下來，至此完成了整個系統(tǒng)的運行過程。
3.2 數(shù)據(jù)發(fā)射、接收及報警子程序的設計
數(shù)據(jù)發(fā)射子程序?qū)/D轉(zhuǎn)換的值和上一次的計數(shù)值進行比較，如果數(shù)值在上次數(shù)據(jù)基礎上左右偏移小于5這個范圍之內(nèi)，則程序?qū)⑵鋵懭隓ATABUFFER中，進行發(fā)送。否則將其忽略，并轉(zhuǎn)向下一個坐標值。然后進行循環(huán)，讀取和發(fā)送下一個坐標的數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)接收子程序首先檢測接收狀態(tài)，如圖3所示，只有RECEIVE_ALWAYS_ON狀態(tài)時，才進行數(shù)據(jù)的接收，否則就進入低功耗狀態(tài)。如果為其他狀態(tài)，則默認為RECEIVE_ALWAYS_ON狀態(tài)，然后進入檢測狀態(tài)。MC13192接收到數(shù)據(jù)后，將其存入RAM區(qū)，再通過SPI將數(shù)據(jù)傳送到MCU，然后由MCU將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機的緩沖區(qū)中。
報警子程序?qū)⒚看蜛/D轉(zhuǎn)換的值與設置的閾值進行比較，當其超過閾值時，便會點亮LED，以示報警。設定振動閾值和范圍可以減輕系統(tǒng)的功耗。
4 系統(tǒng)測試
完成了主要的電路設計、PCB布線和電路焊接后，便可以進行測試。經(jīng)過測試可以得到在X、Y、Z方向上所產(chǎn)生的加速度的值，這些值經(jīng)過描點法繪圖后，得到物體振動的曲線如圖4所示。其中曲線2代表X軸方向上所產(chǎn)生的振動加速度，曲線3代表Y軸方向上振動加速度的變化，曲線1代表Z軸方向上振動加速度的變化。當沒有振動產(chǎn)生的時候，X、Y、Z軸呈直線狀態(tài)。某一方向上的振動比較激烈的時候，其振動加速度的振幅變大，頻率也變大。從圖中就可以定性地反映出物體在3個方向上的振動情況。
無線數(shù)據(jù)接收發(fā)射測試數(shù)值如表1所示。其中，數(shù)據(jù)傳送最大距離為100 m。
