基于無線傳輸技術的振動數據采集系統

張 浩

基于無線傳輸技術的振動數據采集系統

張 浩

本次設計計劃將無線控制技術與無線傳輸技術相結合并應用到振動數據采集系統，將振動傳感器采集到的數據通過wifi無線傳輸到上位機。以無線數據傳輸代替傳統的有線傳輸，有效的解決了受周圍條件影響而布線不便等問題，同時有效的降低了噪聲干擾。本文以腳步聲振動為采集對象，根據信號特性及系統預計的功能，在硬件、軟件方面進行了優化設計。在硬件設計方面，選擇了nRF905芯片作為無線通信模塊，STM32F407ZGT6作為振動數據采集端的控制芯片，并結合實際情況設計了調理電路、信號A/D轉換電路等硬件電路，并提出了兩項具體的抗干擾措施。本文在軟件設計方面，依據模塊化的設計思想分別對各部分的主程序、子程序進行設計，并繪制了相應模塊的程序流程圖。完成系統整體設計后，還詳盡的進行了采集系統的整體調試并達到了預定的振動信號采集分析效果。本系統在公共安全、家庭安防領域有著廣泛的應用。

數據采集傳輸技術對于社會公共安全來說是很重要的，在科學體系的分類中，數據采集傳輸技術尤其是振動數據采集的相關產業已近成為公共安全防范領域的重要組成部分。基于社會發展的要求，本系統將當下流行的無線技術與振動數據采集系統結合起來，以此來代替傳統的有線數采系統，凸顯了無線控制方式相對于有線連接成本低、傳輸過程中干擾少、可靠性高的特點。在當今社會節奏日益加快，人口的流動性不斷增加，社會結構日趨復雜的情況下，人們的家居安全防范的意識越來越強，為了滿足人們日益增長的家居安全防范的需求而設計開發的本系統預期應用到無線控制的智能家居安防系統。另外，這種把無線技術與數據采集結合到一起的系統具有很高的實用性，對實現遠程遙控也具有重要的意義。

振動數據采集系統總體設計方案

本文設計的新型振動數據采集系統是無線控制技術、wifi無線傳輸技術和振動數據采集的融合，它共分為三部分，即振動數據采集端、MCU控制部分及wifi無線信息傳輸。振動數據采集端是對SW-520D振動傳感器輸出的微弱電壓信號進行采集、轉換等操作。數據采集端與MCU控制端是通過無線wifi技術連接，即所有的控制命令和采集的振動數據都是以wifi通信的方式傳輸的。具體的流程圖如圖1、圖2所示。

基于無線傳輸的硬件電路設計

本系統設計的核心是硬件電路， 新型振動數據采集系統的性能在很大程度上取決于電路的設計。硬件電路的設計包括關鍵元選器件的選定、根據系統總體設計要并設計電路原理圖、確定系統所需擴展的調理電路、A/D電路等相關的一系列外圍電路。PCB 板制作完成后，需要對系統的硬件進行測試，檢查系統的硬件電路是否焊接無誤，是否有短路、虛焊現象發生。

本次硬件電路設計中選用了作為A/D轉換器，ADS1274是一款4通道復用，24位差分輸入的高性能、單片模/數轉換器，具有高速度、高精度、低功耗等特點，在20KHZ的采樣頻率下能夠達到18位分辨率，對微弱振動信號有較高的分辨率，滿足微弱振動信號探測的要求，適合于振動監測應用。本系統依檢測腳步聲的實際要求，設定完成AD轉換之后的數據以串行的方式進行輸出，從而進一步簡化了ADS1274轉換器與STM32F407之間的連接，進而提高了AD轉換電路設計的可靠性。ADS1274的引腳圖如圖3所示。

根據腳步聲振動數據采集的實際要求，振動加速度計的測量范圍應為士25g，為了提高振動傳感器的靈敏度，在硬件設計時中加入了調理電路并選用。AD8628是將低成本與高精度、低噪聲特性融于一體的運放，且無需外部電容，采用2.7 V至5 V單電源供電，同時也可以選擇雙電源供電。AD8628運算放大器的在調理電路設計中的應用原理如圖4所示。

基于無線傳輸的軟件設計

圖1　振動數據采集部分框圖

圖2　MCU控制部分框圖

本次軟件部分根據新型數據采集系統總體設計方案的需求并結合已設計完成的硬件電路，設計出能夠實現振動采集系統預期效果的控制程序。本次軟件設計依據模塊化設計思想大體上分為兩部分，即振動數據采集部分和上位機或PC端控制部分。應用模塊化的設計思想進行軟件設計，分塊編程不僅增強了主、子程序程序的可讀性，而且便于系統整體進行軟硬件的仿真和調試。

圖3　

圖4　

數據采集端的軟件設計

裝有振動傳感器的PCB板上電工作后首先應對其進行初始化， 具體包括與串行口通信的基本配置，向nRF905寫入配置字等，然后將單片機的實際運行狀態通過異步通行串行口發送至STM32F407控制芯片，接下來采集端單片機便處于等待尋址查詢的狀態。單片機CPU處理器不斷發送指令，實時查詢串行端口的現行標志位；當CPU收到串行的現行標志位置位的信息時，單片機立刻開始從串行端口接收來自上位PC機的指令，最后根據不同系統指令完成相應的操作，最后返回相應的狀態。

控制部分的軟件設計

在主程序開始運行之前，首先應對MCU進行初始化設定并且向nRF905寫入配置字，使芯片處在接收狀態下，然后設定初始狀態為O并開啟中斷響應。之后，MCU將不間斷訪問查詢的本機實時運行狀態，當單片機機的運行狀態發生變化時， STM32F407便轉入對應的運行狀態執行發送的操作命令，各指令與操作對應關系如下：

采集狀態：“采集”命令，MCU發送指令使數據采集端開始工作啟；

停止狀態：“停止”命令，此時采集單片機將不進行任何動作，停止待命。

數據采集系統的軟硬件調試工作

新型無線控制振動數據采集系統的調試可以分為軟件部分調試和硬件電路仿真兩部分。軟件部分的調試是通過對已有程序的編譯檢測手段來查詢可能出現的語法等錯誤。因為本系統軟件部分的設計采用分模塊的設計流程，所以在編譯時可以對每個子模塊逐個調試檢測，確認無誤后再進行系統總程序的整合調試。硬件仿真是通JLINK仿真器與目標板聯機進行仿真測試。對于采集系統的硬件仿真調試可以分為四個部分：

1.微控制器STM32F407ZGT6與上位機的異步串行通信；

2.振動數據采集端單片機控制下的電壓信號AD轉換輸出；

3.MCU控制單元與振動數據采集單元之間的wifi無線通信協議；

4.采集系統的整體運行檢測。

全文總結

隨著科學技術的不斷發展進步，數據采集技術已逐漸成為人們獲取、接收信息的重要途徑；在現代化的生產生活中，無線傳輸技術則逐漸取代有線傳輸成為數據與上位機傳輸的主要手段，無線傳輸技術的多方面發展不斷影響著現代世界的科技發展與人民的日常生活，上至樓宇自動化布局，下到家庭智能無線安防等等。本文將無線技術的兩大熱門技術即無線控制與無線傳輸技術與的振動數據采集系統相結合，充分考慮實際應用情況，設計出的無線控制采集系統在智能家具安防、公共安全監測等領域具有廣闊的應用前景。現將本文的主要工作研究內容總結如下。

1.結合無線控制與無線wifi傳輸技術，設計出新型振動數據采集系統硬件電路，包括關鍵元器件的甄別選取、重點信號處理電路的設計以及具體降噪抗干擾的措施。整個系統在各個硬件的選型上以性價比高、低功耗為原則，無論是AD1274或是運算放大器比較常見；在設計上也盡可能的簡化電路連接，既方便了系統調試，同時又降低了研發成本。

2.系統的軟件設計部分采用C語言，主要包括振動數據采集部分的主控制程序和和 MCU控制部分的程序，以及控制nR905無線芯片收發數據的程序，并利用keil uvision4開發軟件XCOM串口調試助手、J-LINK仿真器進行編譯調試。

3.在順利完成了整體系統的安裝布置，達到預期軟硬件設計要求的同時，對本套采集系統進行仿真調試并達到了預期要求。

張 浩

中國礦業大學（北京）

張浩，男，碩士研究生，中國礦業大學（北京）計算機系，主要研究方向為計算機的應用技術。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.07.014