无线测量系统设计论文

2022-04-18

摘要:介绍了一种利用无线传感器网络,完成体温数据无线传输的方案。该系统的主控部分采用了符合ZigBee标准的CC2430芯片,融合了传感器技术、生命信息检测技术和ZigBee技术。实验表明本系统具有功耗低、体积小、精度高以及实时性强、稳定可靠、使用灵活方便的特点。下面是小编精心推荐的《无线测量系统设计论文(精选3篇)》，欢迎大家借鉴与参考，希望对大家有所帮助！

无线测量系统设计论文篇1：

基于无线扭矩测量系统设计与实现

摘要：针对部分车辆在扭矩测试中安装受到空间狭窄限制、测试数据包丢失等问题，依托应变测试原理和无线传输技术，设计了一套无线传输的扭矩测试系统，用于研究装甲车辆在不同环境条件下的动力性能，准确的进行实车扭矩测试，对于提升柴油机的输出性能和可靠性，充分发挥装备的战技术性能，提升训练效果具有重要意义，最后进行了实验测试，并对应变式传动轴扭矩测试系统作了总结和评价。

关键词：传动轴;扭矩;测量

Key words： transmission shaft;torque strain;gauges

0 引言

扭矩是反应动力系统的基本载荷形式，是检测发动机性能的重要参数，作为实现发动机状态监测、故障诊断和保证车辆无事故发生的重要手段，因此扭矩的准确测量，获得精确的扭矩数值显得至关重要，在工程上具有重大的研究价值和现实意义。根据扭矩不同的测量原理，传动轴扭矩测量主要有传递法、平衡力法和能量转换法三种类型，常用的扭矩测量方法主要有电阻应变式扭矩测试方法、磁弹性扭矩测试方法、电容式扭矩测量方法、光电式扭矩测量方法、光纤式扭矩测量方法、无线声表面波扭矩测量方法等，本文重点研究的是基于電阻应变片的扭矩测量方法[1-4]。

1 扭矩测量原理[5]

根据材料力学的理论知识可知，传动轴在扭矩作用下，表面应力将会发生变形，在与轴线成45°和-45°的方向上产生最大的压应力和拉应力，贴片方法如图1所示，分别在这两个方向粘贴两个应变片，在传动轴受到扭矩M作用时，传动轴发生变形引起应变片发生形变，其变量与扭矩M成正相关，公式如下：

式中：ε为应变值、D为传动轴的外径、G为材料的弹性模量、d为传动轴的内径，从公式（1）中能够看出，在已知轴的材质和内外径的时候，可以根据材料变形ε，能够求出作用在轴上的扭矩[6]。

测量电路如图2，电阻应变片的初始电阻为R1=R2=R3=R4=R，各个电阻的变化量分别为ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，当电桥处于平衡状态时，因为R1R4=R2R3，所以整个电桥的输出电压UDB=0，传动轴受到扭矩作用时，四个电阻应变片R1、R2、R3、R4分别产生相应正负应变，电桥处于不平衡状态，此时电桥输出电压ΔUDB与各桥臂电阻以及电阻变化之间的关系为[7]：

可知输出电压UDB和应变片电阻值ΔR的变化量成正比。全桥电路即能起到温度补偿作用，又能提高输出灵敏度，可以减小外界环境变化对应变片输出数据的影响[8]。

2 硬件设计

2.1 电源电路

电池的输出电压不够稳定，因此不能直接作为输出电源进行桥路激励，需要经过高输出电流运放THS4032来提高负载供电和远端补偿的能力，双路放大器THS4032可提供卓越的交流性能，主要在低失真和低噪声环境的应用，采用诺芯德科技有限公司生产的MAX4624芯片进行电平转换提供的电压来保证桥路激励稳定输出。

2.2 信号放大和滤波

应变片因变形而输出的电压信号较为薄弱，为了排除外部噪声和环境干扰，必须进行信号放大才能处理，通过可编程的信号调节器PGA309来实现，PGA309是一个精密的低漂移、低噪声、前端可编程的增益放大器，不但能够放大输出的扭矩信号，而且能为零点测量范围、零点漂移、测量范围漂移和线性误差提供数字校准，可实现为嵌入式传感器直流偏置补偿器提供了温度补偿和进行调整功能，其校准参数存储在外部非易失性的存储器中以避免手动微调并保证长时间输出稳定的参考电压[6]。放大器放大后的信号常常含有一些干扰信号，必须经过滤波器进行滤波去除干扰信号，我们使用低通滤波器进行排除干扰信号。

2.3 A/D模数装换

电路所采集的模拟信号必须经过模数转换成数字信号才能够被单片机处理，采用TI公司ADS1256 24位ADC采集卡作为A/D数模转换模块的主芯片，其通道的A/D转换能够单次、连续、扫描或间断模式的执行，ADC的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中，采集卡的采集速率为30K/s，精度可达到0.00001，抗干扰能力较强，能够满足扭矩测试精度的要求。

2.4 无线传输模块

现阶段无线传输类的芯片有很多，考虑到测试系统的工作环境，芯片类型的选择必须满足性能可靠、价格低廉、结构小巧、低耗能的要求。WizFi220是一款低功耗的“串口转WiFi”模块，在休眠状态下只有微安级的功耗。它具备串行UART接口，可以通过简单的8/16/32位指令连接到设备上，能够简单、方便、快捷地为设备提供Wi-Fi功能。该模块支持的数据速率可达到11Mbps，与802.11b兼容，可以快速建立一个基于串口（URAT）与PC或外部微处理器的连接。WizFi220对于有一点或者没有无线网络或RF技术的设备是一种非常理想的解决方案。支持WEP，WPA，WPA2-PSK，Enterprise，具有很高的保密性，还可以通过动态电源管理达到极低的能量消耗，尺寸紧凑，工作温度：-40°到85°。其参数如表1。

3 软件设计程序

软件的主要功能包括参数配置、数据采集、数据滤波、存储和回放，具体流程如图3，为了满足各项具体功能的实现，主要功能模块下还含有一些单一的模块，基于应变片的传动轴扭矩测试系统的整体工作过程：桥路激励由内置电池供电保证平稳长时间运行，发射器固定在传动轴上，应变片发生形变而输出的毫伏级电压信号经过放大、低通滤波、A/D模块转换后发送，数据采集卡负责采集和存储电压值，上位机软件由用户操作进行实时显示、分析和回放[6][9]。

4 实车测试

在实车测试过程中，为了解决扭矩测试设备同传动轴一起高速旋转不被离心力甩出的问题，利用SolidWorks软件设计了安装用的卡具，把设备固定在卡具上随传动轴一起转动，保证了设备的测试精度和设备的稳固性。在进行应变片设备安装的过程中，由于设备受到了空间狭小的现场条件限制，很难有效的保证应变片安装的精度从而影响测试效果，为了解决这个问题，专门设计了应变片安装仪并申请专利，保证安装的方便、快捷、有效和应变片安装位置、方向的精度要求，提高了测试精度，避免了因为应变片粘贴位置和方向偏差造成的人为测试误差。在某型号履带式装甲车辆上进行了实车测试，如图4，测试的具体参数为：被测轴直径为54mm、弹性模量为206Gpa、泊松比为0.25μ，采样频率为fs=1kHz，车辆匀速行驶，转速控制在800r/min，测得传动装置输出轴扭矩如图5所示，能够看出扭矩测试系统测得的扭矩信号稳定，并能反映传动端扭矩的交变波动。

5 结论

本文针对部分车辆在扭矩测试中设备安装空间受限、测试数据包丢失等问题，依托应变测试原理和无线传输技术，设计了一套无线传输的扭矩测试系统，并在实车上进行了实验测试，取得了较好的效果，结果表明该套设备体积小、安装方便快捷、受周围环境影响较小、能够在各种复杂环境中使用，有效的克服了安装空间狭小测试和数据包丢失的问题，对研究柴油机动力性能和状态监测都具有重要的意义。但是測试设备的稳定性和精确性还可以进一步提高，这也将是以后研究的重点。

参考文献：

[1]王岩，储江伟.扭矩测量方法现状及发展趋势[J].林业机械与木工设备，2010，38（11）：14-18.

[2]薛增喜，钟文斌，于亮等.基于感应供电和2.4GHz无线传输的船舶轴功率测量系统设计[J].船舶工程，2018，40（2）：79-82.

[3]刘翔，黄文平，牛慧萍等.基于相位差的转轴扭矩测量中的零位识别与处理[J].宇航计测技术，2018，38（4）：49-54.

[4]栾振辉，郑猛，刘肖.扭矩自检型行星齿轮减速器研究[J].安徽理工大学学报（自然科学版），2016，36（6）：61-66.

[5]马龙龙.应变式传动轴功率测试系统设计与研究[D].山西：中北大学，2011.

[6]孔祥喜.新型汽车半轴无线扭矩测试系统的设计与实现[D].北京：中国科学院大学人工智能技术学院，2017.

[7]卢腊，刘妤，徐梓翔等.基于stm32的无线动态扭矩测量系统[J].仪表技术与传感器，2018（4）：81-86.

[8]汪曲波.船舶推进轴系振动与功率测量分析研究[D].武汉理工大学，2009.

[9]孙玥.工程车辆无线扭矩测试系统的设计与应用[J].现代制造技术与装备，2018（3）：14-15.

作者：王衍涛

无线测量系统设计论文篇2：

基于无线传感器网络的体温测量系统设计

摘要:介绍了一种利用无线传感器网络,完成体温数据无线传输的方案。该系统的主控部分采用了符合ZigBee标准的CC2430芯片,融合了传感器技术、生命信息检测技术和ZigBee技术。实验表明本系统具有功耗低、体积小、精度高以及实时性强、稳定可靠、使用灵活方便的特点。

关键词:无线传感器网络;CC2430;体温测量

Design of temperature measurement system based

on wireless sensor network

TIAN Ying LIU Jun

(Department of Communication Engineering, Engineering College of Armed Police Force, Xi’an 710086)

1引言

现有的测量监护系统存在一定局限性,主要表现在:(1)传感器通过有线方式和处理器连接(2)独立的传感器间缺乏整合(3)不支持信号的持续采集和数据的实时处理(4)体积和功耗大,不便于携带。本文针对这些问题进行研究探讨,通过对生命信息检测技术及ZigBee无线传输协议的分析研究,结合相应的嵌入式软件及应用软件系统,研究并设计出一种基于无线传感器网络的体温测量系统。

无线传感器网络作为一种全新的信息获取和处理方式受到国内外学术界和科技界的高度重视。它综合了微机电系统、传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术、现代网络及无线通信技术,能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息,并对其进行处理,以自组多跳的网络方式传送到用户终端,实现物理世界、计算机世界以及人类社会三元世界的连通,从而极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。可以预计,无线传感器网络的发展和广泛应用,将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动[1]。

2系统总体结构设计

本系统的无线传感器网络的实现采用了ZigBee的简单组网技术,设计了以监护平台计算机为中心,微型感知节点为移动终端的星形网络架构。在这种网络结构中,所有终端节点设备与中心网关设备通信。整体架构如图1所示。

中心网关设备的具体功能:

(1)负责整个网络的初始化,确定ZigBee网络的ID号和操作的物理信道,并统筹短地址分配,提供数据路由和安全管理等服务。

(2)通过串口与上位机指挥中心进行数据通信。

(3)可以对正在请求增加的子节点做出判断,允许或者禁止其加入,也可以删除已加入到网络中的子节点。

(4)对已经加入的各个子节点进行实时监测,如果某一子节点发生异常状况,则中心设备发出相应的报警信息。

(5)数据保存和备份。

微型感知终端的具体功能:

(1)终端可以自动寻找中心网关设备,申请加入网络。

(2)完成采集所接入的模拟信号传感器信息的读取发送功能。

(3)自动唤醒自动测量体温值,通过实时时钟设定测量时间,完成在一定时间间隔内的数据采集和测量。

3体温测量系统的硬件设计

3.1系统硬件电路图设计

下图为使用protel软件设计的系统硬件电路原理图。系统硬件主要分为两部分,一部分是体温传感器模块,另一部分是处理收发模块,如图2所示。

3.2收发处理模块

本系统选用CC2430芯片进行设计。该芯片是Chipcon公司生产的首款支持ZigBee协议的SoC解决方案。它包括了一个高性能的2.4GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。

CC2430芯片沿用了以往CC2420芯片的结构,在单个芯片上集成了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用一个8位MCU(8051) ,具有32/64/128 kB可编程闪存和8KB的SRAM,还包含DMA、模/数转换器(ADC)、定时/计数器、AES - 128安全协处理器、看门狗定时器(WatchdogTimer)、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路以及21个可编程I/O引脚。

CC2430芯片采用0.18μm CMOS工艺生产,工作时的电流损耗为27 mA;在接收和发射模式下,电流损耗分别小于27 mA或25 mA。CC2430具有从休眠模式转换到主动模式用时短的特性,特别适合那些要求电池寿命非常长的应用[2]。

3.3体温传感器模块设计

3.3.1电桥测量方案的设计

体温传感器模块采用的是Pt100温度传感器。Pt100是由铂金属热电阻制作的正温度系数热敏电阻传感器,具有测温范围广、稳定性好、精确度高、抗振动、示值复现性高和耐氧化等特点,是中低温区(-200℃～650℃)最常用的一种温度检测器,不仅广泛应用于工业测温,而且被制成各种标准温度计。它在0 ℃的额定电阻值是100Ω,电阻温度系数α为3.92×10-3/℃,电阻率为9.81×10-6Ω·cm2/cm。

铂热电阻阻值与温度关系为:

0℃≤t≤850℃时,

RPt100=100*(1+At+B*t2)(1)

式中,A=0.00390802;B=-0.000000580;C=0.0000000000042735。可见Pt100的线性较好。由于本系统应用于人体温度的测量,测量范围比较窄,35℃～42℃即可满足测量要求,因此可以认为阻值与温度呈线性关系,阻值表达式可简化为:

RPt100=100(1+At) (2)

在生理测量中,电桥是一个重要的测量线路,它是从传感器到放大器的桥梁,具有结构紧凑、灵敏度高、测量准确度好的特点。本文采用惠斯登电桥作为信号检测变化电路的传感器电桥。

从电桥获取的差分信号接入电压跟随器以便隔离后级电路对电桥电路的影响,再送入低功耗集成四运放LM324中进行放大,从而得到足够的信号幅度,最后送入CC2430芯片的ADC中。

为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差,放大电路采用两级放大,前级固定放大10倍,后级放大115倍,并在放大电路两级间接入接地电容,用来降低噪声,提高系统抗干扰能力。此外,为了保证电桥的输入端获得稳定的电压,在电源输入端处接入TL431,使电桥的输入电压稳定在5 V。

3.3.2 A/D转换电路设计

本系统的模数转换采用CC2430内置ADC。考虑到测量体温的范围为35℃～42℃,经测量电桥转换成电信号的输出电压是毫伏级的,这样的直接输出对于CC2430的ADC是无法采集的,需要将以上毫伏信号放大成与ADC匹配的信号。

为了提高测量精度,并充分利用ADC的测量量程,将35℃的输出电压设为“零点”, 42℃时的电桥输出经两级放大后达到3 V。

为达到以上设计要求,该A/D转换电路利用LM324构成减法电路来实现,通过电阻R1K分压,从电源处获取参考电压VREF=5×R1K/( R1K+R39K),将VREF送入减法电路与测量电路的第一级前置放大器的输出电压相减,即可使35℃时输出为零。

经计算,当温度t=35℃时,RPt=113.65Ω,带入式子:

得U0=13.12 mV,经过前置放大器放大10倍后输出电压应为131.2 mV,所以VREF=131.2 mV。

当温度t=42℃时,RPt=116.38Ω,带入式子(3)中,得U0=15.73 mV,经前置放大器放大10倍,并与VREF相减后输出为26.1 mV,则第二级放大器的放大倍数AV=3000/26.1≈115。

4体温测量系统的软件设计

本系统移植了TI公司的ZigBee2006协议栈,以ZStack-1.4.2-1.1.0的SerialApp例程为基础进行体温测量系统的应用开发。

ZigBee2006协议栈提供了可靠、安全、高效的ZigBee协议实现方法,采用分层的软件结构,各层相对独立,便于设计和调试。其中的OSAL 层实现了一个轮转查询式操作系统,采用多任务事件轮循机制,当各层初始化之后,系统进入低功耗模式,按照任务的优先级,由高到低不断查询几个要执行的任务是否有事件发生,如果发生,唤醒系统,进入中断处理事件,完成后转入低功耗模式。如果没有发生,就查询下一个任务。这个无限循环的查询功能是通过任务调度过程osal_start_system实现。这种软件构架可以降低系统的功耗[3]。

4.1星形网络的设定

在ZigBee2006协议栈中,可以实现三种组网形式。网络的设置在nwk_globals.c和nwk_globals.h中完成[4]。

为了实现星形网络,首先通过nwk_globals.h中的STACK_PROFILE_ID参数来定义网络类型。参数STACK_PROFILE_ID有3种量,分别表示网状网络、星状网络、和树状网络。在nwk_globals.h中加入如下定义语句,从而在系统中构建星形结构的ZigBee无线传感网络:#define STACK_PROFILE_IDGENERIC_STAR

此外还需设置参数MAX_NODE_DEPTH网络路由深度和网络中的设备数NWK_MAX_DEVICE_LIST。根据星形网络的特殊性,设路由深度为1,本系统中设最大能容的设备数为20。实现语句如下:

#define MAX_NODE_DEPTH1

#define NWK_MAX_DEVICE_LIST 20// Maximum number of devices

最后设置整个网络中需要的路由器和最终节点的个数。

byte CskipRtrs[MAX_NODE_DEPTH+1] = {5,0};是通过一个数组的方式定义在0级(协调器直接通讯)最多挂载5个路由器,第一级不挂载。

byte CskipChldrn[MAX_NODE_DEPTH+1] = {5,0};是通过一个数组的方式定义在0级(协调器直接通讯)最多挂载5个终端,第一级不挂载。

4.2模拟量的测量编程

CC2430芯片的A/D输入端引脚和I/O口的P0口复用,引脚必须通过ADC输入配置寄存器进行配置,把寄存器ADCCFG相应位设置为1。本系统的A/D引脚用了P0.0口,分辨率为14位,参考电压为AVDD_SoC。下面是测温程序的部分实现代码。

ADCResult[0]=

HalAdcRead(HAL_ADC_CHANNEL_0,HAL_ADC_RESOLUTION_14);

ADCResult[1]=