2·4GHz无线振动测量系统的研制

       0　引言

　　工程结构的低频振动由于加速度值不大,常被人们忽视。但在诸多工程领域,如大型旋转机械、桥梁、汽车、机器人、精密仪器与微重力环境下的空间站等,低频振动(一般在5 Hz以　　下)却是诱发结构失稳的重要故障征兆[1]。同时,在一些人员不宜进入、现场布线困难的场合(如地震灾害、核辐射、高压等)有必要对结构的振动进行无线测量[2-4]。

　　针对上述问题,研制了一款星形无线振动测试网络。利用MEMS加速度传感器ADXL202实现了5 Hz以下低频振动信号的拾取。采用无线SOC单片机nRF24E1实现了振动信号的2·4 GHz ISM频段传输。利用Keil C51编写了下位机软件,利用MFC编写了PC机数据处理程序。已授权实用新型专利[4](No. ZL200720072708. 3 )和计算机软件著作权(No.2007SR15509)。

　　1　无线传感器节点硬件设计

　　振动测试系统框图如图1所示。采用MEMS惯性加速度传感器ADXL202来拾取结构的振动信号,其外围电路如图2所示。一般而言,低频振动信号小于5Hz,文中取RC低频滤波器带宽为10 Hz.由此得外接滤波电容:

　　根据ADXL202加速度传感器设计规范,其采样频率应大于等于模拟带宽的10倍(此处为100 Hz)。由此得外接电阻Rset值

　　经过上述外围电路设计,传感器输出两路脉宽调制PWM信号Xout,Yout.周期均为10 ms,占空比分别与X, Y方向结构振动加速度成正比。

　　如图3所示,为了实现XOUT, YOUT信号的无线传输,采用无线SOC单片机nRF24E1。它工作于2·4 GHz的全球免费ISM频段。在印制线路板时,将Xout,Yout分别与nRF24E1的P0. 3,　　P0. 4引脚连接。通过其内嵌的8051计数器实现PWM的脉宽

　　计数。nRF24E1通过SPI总线读取E2PROM内的程序。为了提高传感器的分辨力,将nRF24E1的CKCON寄存器第D3位置“1”(CKCON. 3 =1), Time0计时频率最高可达晶振频率　　(16 Hz)的1/4。最终,无线传感器节点分辨率为0·2 mg,满足工程振动测试要求。

　2　无线传感器星形网络软件设计

　　在图1所示星形测试网络中,每个无线传感器节点都对应一个唯一的物理地址。在实验中,接入了10个无线传感器节点。在实际应用中可根据需要进行添加或删除。无线传感器　　节点的标号与物理地址的对应关系如表1所示。

　　当上位机发出查询节点号(如01),信息汇聚节点将查询地址修改为0x1a, 0xbb, 0x12, 0x34,从而向远程01号节点发送查询指令。相关代码如下:

　　RI=0;

　　while(! RI); //等待接上位机发送来的查询节点号

　　p=SBUF; /读取该查询节点号