基于PS021的無線應變測量系統研究

蒲忱　余東淼

摘 要：基于應變的測量需求越來越多，本文針對傳統的應變測量系統的各種弊端，設計了基于TDC的應變測量系統。本文利用基于TDC技術（時間數字轉換器）的PS021芯片來設計應變測量系統。在數據傳輸方面，對比了常用的數據傳輸技術，最終采用基于微功射頻技術的NanoPAN5375來搭建無線數據傳輸系統。

關鍵詞：應變測量；TDC；PS021；Nano

Abstract：The requirement of measurement based on strain are more and more，in this paper，aim to the disadvantage of the traditional strain measurement system，design the measurement system based on TDC.This paper use PS021 which based on TDC technology to design the measurement system of strain.In terms of data transmission，compare the common technology of data transmission，at last，use the NanoPAN5375 which based on micro-power RF technology to set up the system of data transmission.

Key words：train measurement；TDC；PS021；Nano

應力應變測量被廣泛用于多個行業內，常常作為建筑、石油、水利水電、橋梁、鐵路、機械等行業的一項基本測量內容。如果將應變片貼在各類彈性敏感元件上面，便可構成測量力、位移、加速度、壓力等各類參數的壓變式傳感器。因此，一直以來應變測量儀的設計和開發都是一個熱門話題。

尤其是在水利水電行業，應變測量對大壩的安全監測起著舉足輕重的作用。基于應變的大壩安全監測可以追溯到20世紀30年代[1]。

傳統的應變測量系統，主要是通過AD轉換來實現，這需要對應變信號進行很多步驟的預處理，包括：平移、放大、濾波等。而實際應用中，由于現場環境的制約以及人們對數據精度的要求日益提高，傳統的AD轉換已經不能滿足應變測量的要求。

同時，現有的應變采集系統往往是通過導線將應變片組成的壓變式傳感器和采集系統連接，將傳感器的信號先送往采集器，然后再進行統一的處理。在現實監測應用中，這種方案需要很多導線，則需要很長的時間準備。而且較長的線路也會影響測量的精度。同時，通道數固定，所以可擴展性很差。

為此，必須結合目前最前沿的科技，對現有的應變測量系統進行改進，才能滿足高精度、高效率的測量。

1 常用應變測量方案介紹

隨著科技的進步和人們對應變測量更加的重視，現有的應變測量方法主要有下面幾種：基于ADC（模數轉換）的應變測量、基于光纖的應變測量、基于視頻圖像的應變測量、基于TDC（時間數字轉換）的應變測量[2]。

基于模數轉換的應變測量方法是現階段最為常用的測量方法。該方案由應變片組成一個電橋，通過精密的激勵源對此電橋產生激勵，然后對電橋的輸出進行平移、放大、濾波等模擬信號處理。最后將經過調理的信號輸入AD轉換器，由此得到應變信號。此類方法作為一種常用的應變采集技術，成本低廉，技術成熟。但是該方案需要很多的附加電路，因此功耗很大，設備體積較大。而且，該方案較易導線長度和電磁干擾等影響。

基于光纖的測量方法是基于光纖應變來實現的，其主要原理是，把光纖應變片兩端貼在被測物表面，但應變片的中間是懸空、凸起的。如此，當被測物發生形變時，應變片的兩端就會有相對位移，進而光纖輸出功率就會發生變化。于是，測出光纖的輸出功率，結合先前標定數據，便可以測算出被測物應變。基于光纖的應變測量方案有不受溫度、濕度等因素影響，不受電磁干擾等特點。但其價格昂貴，同時光纖應變片不能承受較大的振動。由此，該方案主要應用于大型的結構，如橋梁的應變長期檢測。

基于視頻圖像的應變測量方案主要是應用圖像處理技術對應變進行測量。其原理是，在被測物的表面做兩處標記，然后用攝像頭對標記進行拍照或者攝像。隨后對得到的圖像進行處理，計算出兩個標記之間的相對位置變化，因而測算出被測物應變。該方案主要用于傳感器布置不方便，被測物變形方向明確的情況下。

基于時間數字的應變測量系統的核心單元是TDC。TDC是近些年發展起來的新興技術，它應用高速CMOS數字電路結構，可實現非常高精度的時間測量。TDC的內部核心利用信號通過邏輯門的時間延遲來量化時間間隔，也就是說它計算在一定時間間隔內通過的反相器個數。TDC對傳感器電容的充放電時間進行高精度測量，進而達到對應變片信號進行測量的目的。TDC測量具有電路系統簡單，測量精度高，功耗低等優點。

2 基于TDC的PS021介紹

目前比較常用的TDC芯片為德國ACAM公司的PS021。PS021作為一款數字化測量芯片，具有絕大多數傳統ADC芯片所不具備的優點[3]。PS021所具備的優點如下：

⑴PS021內部設有很多寄存器，可以對寄存器進行軟件編程，以改變PS021的工作模式，達到應對不同測量方案的目的；

⑵PS021內部可以進行穩定零點漂移的補償，而不需要使用傳統的電壓偏移方法來調整測量電橋的零點；

⑶PS021具有超低功耗的優點，是傳統的ADC芯片無法企及的。即便是把應變傳感器包好在內，其最低消耗電流能達到15uA。

PS021應變電阻數字式放大器的內部結構如圖1所示：

由圖1可知，PS021主要由時間數字轉換單元，排序單元，數字信號處理單元，寫寄存器，讀寄存器，SPI數字接口，溫度測量單元及時鐘控制單元等主要部分組成。

PS021對應變電阻的變化測量，主要是對放電電容Cload的放電時間進行測量。如圖2所示，被測的應變片與電容Cload組成了一個低通RC濾波器。測量一開始是，Cload先充電到Vcap，然后再通過電橋的應變電阻放電，當放電到Vtrig時，放電時間就會被TDC時間數字轉換器獲得。

3 PS021采集系統的搭建

測量系統需要一個控制系統對PS021進行控制。控制系統主要包括以下功能：接收上位機的命令，并進行響應，將命令傳輸給PS021；同時，接收PS021采集到的數據，進行處理，然后發送給無線傳輸模塊nano。

由圖3[3]和圖4可知，PS021的讀和寫都只需要SPI接口。控制系統可以通過SPI向PS021寫入地址、操作碼、寄存器值等信息，同時控制系統也可以通過SPI從PS021中讀取到測量數據。

目前市面上可選擇的可編程控制器有很多，如DSP，單片機，FPGA，ARM等。考慮到系統的特殊情況，如系統體積小，功耗小，接口多，價格便宜等原因，最后選擇32位的ARM——STM32。

STM32具有：極低的功耗；極大程度的集成整合；具有豐富的接口，如SPI總線，SDIO接口，在滿足系統功能的基礎上，具有可擴展性；同時，STM32可以選擇固件庫進行開發，不需要接觸底層的寄存器，這樣可以縮短開發周期。

STM32按圖5所示流程對PS021進行初始化。

4 無線傳輸方案設計

除了數據采集是否準確與高效，無線傳輸系統是否可靠和實時是評判無線無線應變測量系統的另一標尺。21世紀以來，數據無線傳輸技術得到了飛速的發展，無論是傳輸的穩定性，還是傳輸速度，以及傳輸距離都得到了極大的提升。

目前常用的無線傳輸技術有射頻，藍牙，WIFI，紅外等幾種。無線傳輸方案的選擇，主要從靈敏度、頻率響應和可靠性等方面進行考慮。如表1所示，把幾種常用的無線傳輸方式進行了詳細的對比，如此一來，我們可以選擇適合的無線傳輸方案。

由表1可知，微功率射頻與其他幾種方案相比，具有高速、遠距離和可擴展性等優點。因此，選擇微功率射頻技術為該方案的無線傳輸方案。經過仔細的比較和篩選，最終選擇NanoPAN5357（簡稱Nano）無線高速傳輸模塊為該方案的無線傳輸技術。

Nano分為無線發送模塊和無線接收模塊。無線發送模塊通過SPI接口和控制器進行數據交換；無線接收模塊通過USB接口和PC進行連接。

5 檢測系統集成與應用

按照圖6所示，搭建整個檢測系統。控制系統STM32作為檢測系統的核心部分，對采集模塊進行配置，同時接收采集模塊發送來的數據；同時，STM32通過SPI總線將處理過的采集數據發送給Nano發送模塊。Nano的接收端接收到發送端發送來的數據，然后通過USB接口發送給PC端。由PC端對檢測數據進行存儲和分析。

6 總結

本文對現有的應變采集方案進行了討論，最終選擇了基于TDC技術的PS021芯片來搭建應變檢測系統。通過對比常用的無線通信技術，結合應變檢測系統的具體需求，選擇了NanoPAN5357模塊來建立無線數據傳輸系統。通過微控制器STM32來結合應變采集模塊和無線通信模塊。對無線應變采集系統提供了一個完整的方案，具有可行性。

[參考文獻]

[1]趙志仁，徐銳.國內外大壩安全監測技術發展現狀與展望[J].水電自動化與大壩監測，2010，34（5）：52.

[2]鄧霏.基于PS02 1的高速無線測力輪對系統研究[D]，西南交通大學，2013.

[3]Acam mess.Electronic Ltd The TDC Cookbook[z].2002.

[4]英明，金仁成.嵌入式無線傳感器網絡節點設計與通信研究[J].大連理工大學學報，2008，48（9）：749—750.