楊 統(tǒng)，王 崴，劉曉衛(wèi)

(空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西 西安710051)

0 引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)飛速發(fā)展，大型構(gòu)件吊裝系統(tǒng)在一些大規(guī)模、高風(fēng)險(xiǎn)的工程上被廣泛應(yīng)用。但是在大型構(gòu)件吊裝過(guò)程中存在一些不確定性，而這些不確定性包括模糊性、隨機(jī)性和灰色性，如，空間碰撞，吊裝錯(cuò)位等，一旦吊裝人員操作失誤，會(huì)對(duì)吊裝設(shè)備、構(gòu)件和操作人員安全造成嚴(yán)重威脅。因此，在大型構(gòu)件吊裝過(guò)程中對(duì)吊裝操作的全程監(jiān)控和險(xiǎn)情預(yù)警顯得尤為重要，而這項(xiàng)工作主要由各種傳感器來(lái)完成，其中，光電傳感器是常用的一種傳感器。但是傳統(tǒng)的光電信號(hào)采集系統(tǒng)采用的是有線連接方式，這種連接方式存在布線復(fù)雜、性價(jià)比低、電纜易損、靈活性差等缺陷。顯然，對(duì)大型移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)設(shè)備利用傳統(tǒng)的有線連接方式難以有效地完成采集任務(wù)。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)是由大量隨機(jī)分布的、具有實(shí)時(shí)感知、無(wú)線通信和自組織能力的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成［1］。而分布式傳感器節(jié)點(diǎn)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)核心部分，它直接影響到整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能。目前，隨著無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了一些比較經(jīng)典的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，如，美國(guó)加州大學(xué)Berkeley 分校的Micaz 系列節(jié)點(diǎn)［2，3］，麻省理工大學(xué)uAMPS 項(xiàng)目開發(fā)的節(jié)點(diǎn)［4］。

本文針對(duì)傳統(tǒng)光電采集系統(tǒng)的缺陷，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)的新型光電采集系統(tǒng)具有較高的性價(jià)比、可靠性和靈活性，信號(hào)實(shí)時(shí)采集速度和傳輸精度都有了很大的提高，同時(shí)減少了布線、安裝和維護(hù)的工作量。

1 新型光電信號(hào)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的光電信號(hào)采集系統(tǒng)由于是有線連接形式，它只能在小范圍內(nèi)進(jìn)行光電信號(hào)采集，其主機(jī)的電纜長(zhǎng)度一般在10 m 以內(nèi)，而在光電信號(hào)采集的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，由于主機(jī)的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)能力有限，傳輸效率低，實(shí)際上它是一個(gè)單機(jī)系統(tǒng)，其光電信號(hào)采集系統(tǒng)如圖1 所示。本文借助無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)的光電信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，在主機(jī)外接無(wú)線通信模塊構(gòu)成數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，該新型光電信號(hào)采集系統(tǒng)主要由傳感器模塊、微處理器模塊、無(wú)線通信模塊和電源模塊構(gòu)成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示［5，6］。

圖1 傳統(tǒng)光電信號(hào)采集系統(tǒng)Fig 1 Tradition photoelectric signal acquisition system

圖2 新型光電信號(hào)采集系統(tǒng)Fig 2 New type of photoelectric signal acquisition system

2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1 微處理器模塊的設(shè)計(jì)

本文所選的微處理器STM32F103ZET6，它是由意法半導(dǎo)體公司基于Cortex—M3 內(nèi)核打造的一種32 位增強(qiáng)型微處理器，有144 個(gè)引腳，512 kbyte 字節(jié)的閃存存儲(chǔ)器，采用LQFP 封裝，工作溫度范圍為工業(yè)級(jí)－40～85 ℃，內(nèi)部集成了3 個(gè)12 位逐次逼近型的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可以采集18 個(gè)通道的ADC，包括16 個(gè)外部和2 個(gè)內(nèi)部信號(hào)，其最高采集頻率可達(dá)到1 MHz，即每1 μs 可完成一次AD 采集，其ADC 使用起來(lái)很方便，只要將參考電壓接入VERF—和VERF+即可使用。STM32F103ZET6 具有性價(jià)比高、處理速度快、性能穩(wěn)定、功耗低、外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于各種嵌入式場(chǎng)合［7］。微處理器模塊主要由處理器最小系統(tǒng)和電源模塊組成。電源模塊采用LM1117—3.3 和LM1117—5.0 芯片，LM1117 是一種穩(wěn)壓芯片，在LM1117 的輸入輸出端都加入了濾波電容，減少電源的擾動(dòng)，電路比較簡(jiǎn)單，電壓穩(wěn)定性好。

2.2 無(wú)線通信模塊的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)所用的無(wú)線通信模塊采用nRF24L01 無(wú)線通信芯片，該芯片工作在2.4～2.5 GHz 的世界通用ISM 頻段，采用的是面向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，集成的nRF24L01 通信模塊只需6 個(gè)引腳配置就可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送與接收，一次可實(shí)現(xiàn)32 字節(jié)數(shù)據(jù)的傳輸，在局域空間內(nèi)進(jìn)行多點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，各數(shù)據(jù)傳輸之間相互不干擾，它通過(guò)SPI 接口與MCU 之間進(jìn)行控制與通信［8］。nRF24L01 具有多種工作模式，本文用到是接收發(fā)模式，采用一個(gè)中斷引腳來(lái)通知MCU 數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的狀態(tài)，本文采用庫(kù)函數(shù)的開發(fā)方式，避免了對(duì)其參數(shù)有關(guān)的大量寄存器的配置，其接口電路如圖3 所示。

圖3 nRF24L01 接口電路Fig 3 nRF24L01 interface circuit

2.3 多路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)的選擇

多路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)主要用于完成信號(hào)的切換，本文從通用的角度出發(fā)，選用具有8 個(gè)線圈，采用2 個(gè)差動(dòng)四通道的模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)AD7502，它能同時(shí)選通兩路信號(hào)，其選通真值表如表1 所示。

表1 AD7502 選通真值表Tab 1 True value on gating of AD7502

2.4 前置放大電路的設(shè)置

本文所選的光電傳感器是PC50—6，它的信號(hào)是帶有一定共模干擾的微弱電信號(hào)。因此，本文選用具有輸入阻抗和共模抑制比高、誤差小、失調(diào)小、溫漂小、線性好、穩(wěn)定性好、能夠放大差模信號(hào)的測(cè)量放大器，它由三個(gè)運(yùn)算放大器組成，實(shí)際上是兩個(gè)電壓跟隨器構(gòu)成，第二級(jí)可以消除第一級(jí)的共模信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻器R2 可以很方便地改變放大器的閉環(huán)增益，當(dāng)采用集成測(cè)量放大器時(shí)，R2 一般外接電阻器，其放大電路如圖4 所示。

2.5 濾波電路的設(shè)計(jì)

圖4 前置放大電路Fig 4 Preamplifier circuit

經(jīng)過(guò)前置放大電路的信號(hào)，還存在一些高頻噪聲，因此，對(duì)其高頻部分需要進(jìn)行濾波處理。由于巴特沃斯濾波器在通帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線具有最大限度的平坦特性和良好的相位特性，故本文采用由二階壓控電源巴特沃斯低通濾波器和巴特沃斯電路構(gòu)成二階高通濾波器聯(lián)級(jí)形成的四階帶通濾波電路。這種帶通濾波電路具有偏執(zhí)電流低、噪聲小和運(yùn)算速度高的特性。根據(jù)有源濾波器的設(shè)計(jì)手冊(cè)，可得其相關(guān)參數(shù)，其電路圖5 所示。

圖5 四階帶通濾波器Fig 5 Four-order bandpass filter

2.6 末級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)

本文所選用的末級(jí)放大電路是一種程控式的增益可調(diào)電路，采用了Intersil 公司的ISL22416 型數(shù)字電位器，通過(guò)控制R2 的阻值大小就可實(shí)現(xiàn)增益的可調(diào)。由于本文所用的微處理器所帶的A/D 的工作電壓為3.3 V，因此，需要經(jīng)過(guò)末級(jí)放大電路的電壓穩(wěn)定在3.3 V 以內(nèi)，以最大滿足其線性指標(biāo)。所選數(shù)字電位器R2 的阻值為70 Ω～50 kΩ，其電路圖如圖6 所示［9］。

圖6 末級(jí)放大電路Fig 6 Final stage amplifier circuit

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

MCU 上電后首先進(jìn)行初始化，包括時(shí)鐘開啟、I/O 口模式配置、A/D 轉(zhuǎn)換器工作模式的配置、串口和SPI 的初始化設(shè)置、外部中斷的設(shè)置、nRF24L01 的工作模式的配置、nRF24L01 工作頻段和工作頻率的選擇以及使能RX_FIFO和TX_DATA［10］。當(dāng)數(shù)據(jù)進(jìn)入RX_FIFO 或TX_DATA 準(zhǔn)備好接收下一幀數(shù)據(jù)時(shí)，nRF24L01 通過(guò)引腳NRF_IRQ 向微處理器發(fā)送中斷請(qǐng)求，主函數(shù)中循環(huán)進(jìn)行AD 采集與nRF24L01 發(fā)送或接收。當(dāng)接到上位機(jī)串口發(fā)送過(guò)來(lái)的指令時(shí)則進(jìn)入串口中斷函數(shù)，首先判斷是否為0X01，如是則將采集到的操作指令發(fā)送給上位機(jī)，完成與上位機(jī)的一次通信，流程圖如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖Fig 7 Flow chart of system software

4 測(cè)試設(shè)置與分析

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的新型光電信號(hào)采集系統(tǒng)是否在精度和數(shù)據(jù)采集速度方面有一定的提高和實(shí)用的可行性，本文對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)設(shè)置是在一個(gè)長(zhǎng)、寬都為80 m的倉(cāng)庫(kù)內(nèi)，在倉(cāng)庫(kù)的中心位置放置以高速旋轉(zhuǎn)的激光平面發(fā)射器作為光源，激光的掃描頻率在45 Hz 左右，以激光平面發(fā)射器為圓心，在其周圍放置3 個(gè)本文設(shè)計(jì)的光電信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)，它們之間的夾角為120°，以每4 m 測(cè)量一次距離，并將3 個(gè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)所測(cè)的距離取平均值，以減少倉(cāng)庫(kù)環(huán)境的影響，測(cè)8 組數(shù)據(jù)與理論距離進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示。

圖8 測(cè)試結(jié)果Fig 8 Test results

由圖8 可知，在30 m 的范圍內(nèi)其測(cè)量結(jié)果與實(shí)際距離非常接近，誤差保持在3%以內(nèi)，數(shù)據(jù)采集的速度可達(dá)到8 μs左右且不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)的丟失，還具有一定穿越障礙物的能力。但是當(dāng)距離超過(guò)40 m 時(shí)，測(cè)試結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)明顯的誤差且數(shù)據(jù)的丟失率會(huì)增高，穿越障礙的能力急劇下降，當(dāng)距離超過(guò)45 m 時(shí)會(huì)出現(xiàn)不能進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。造成這種現(xiàn)象的原因主要有兩點(diǎn):1)由于無(wú)線射頻信號(hào)對(duì)干擾比較敏感，信道的快速衰落和傳輸環(huán)境的復(fù)雜變化都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生較大的影響;2)無(wú)線射頻信號(hào)的穿透能力有一定的限度，當(dāng)傳播距離較遠(yuǎn)遇到障礙物時(shí)會(huì)引起傳播路徑的改變，導(dǎo)致測(cè)試距離發(fā)生改變，這些缺點(diǎn)對(duì)無(wú)線射頻信號(hào)來(lái)說(shuō)是一個(gè)結(jié)構(gòu)性問(wèn)題，解決這個(gè)問(wèn)題的有效方法就是進(jìn)一步提高無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)精度和傳輸網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)。當(dāng)對(duì)于大型構(gòu)件吊裝系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，30 m 左右的距離已經(jīng)足夠了，所以，本文的設(shè)計(jì)能夠達(dá)到預(yù)期的目的，具有一定的實(shí)用性和參考價(jià)值。

5 結(jié) 論

本文利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，以低功耗、高性能的增強(qiáng)型STM32F103ZET6 為微處理器，以nRF24L01 作為無(wú)線通信模塊，提出了一種光電信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:這種新的設(shè)計(jì)方案在信號(hào)采集精度和數(shù)據(jù)傳輸速度以及檢測(cè)范圍等方面都有了顯著的提高，能夠滿足大型構(gòu)件吊裝系統(tǒng)的要求，具有一定的實(shí)用性。

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