一種低功耗的振弦式傳感器測頻系統設計*

何華光，凌朝善，玉丹丹，謝開仲

(1.廣西大學 計算機與電子信息學院，廣西 南寧530004;2.廣西大學 土木建筑工程學院，廣西 南寧530004)

0 引 言

振弦式傳感器輸出頻率的變化能夠反映應力的變化，具有結構簡單，測量精度高，性能可靠等優點，在橋梁大壩上得到了廣泛的應用［1］。在野外橋梁建設初期，由于配套市電供應系統尚未完善，使用振弦式傳感器對橋梁長時間實時監測變得困難。為此，便攜式低功耗振弦式傳感器測頻系統顯得十分必要。

振弦式傳感器被激振后輸出信號幅度十分微弱，持續時間短，加上外部噪聲的干擾，使得信號的測頻變得困難［2］。通常使用較高的激振電壓來提高傳感器輸出信號的幅度，激振電壓一般大于100 V［3］。因此，激振電路是測頻系統中消耗電能最大的模塊。要實現系統的低功耗，降低激振電壓的同時保證測頻的有效性是關鍵。本文設計的振弦式傳感器測頻系統以ARM 處理器STM32L152 為核心，采用Rife 與Quinn 算法對微弱信號進行頻率檢測，能夠極大地降低激振電壓，實現系統的低功耗、高精度測頻。

1 系統硬件設計

系統采用超低功耗ARM 處理器為核心，系統框圖如圖1 所示。

圖1 硬件系統結構框圖Fig 1 Structure block diagram of hardware system

STM32L152VB 是ST 公司最新推出的超低功耗微處理器，具有128 kB 的Flash，16 kB 的SRAM，32 MHz 的主頻以及多種低功耗休眠模式。系統在STM32L152 的控制下對傳感器進行激振，輸出信號經過放大、濾波后由微處理器自帶的12 位A/D 轉換器進行采樣，數據經過程序處理后輸出結果在液晶顯示屏上。系統也可根據需要將結果進行存儲或者通過藍牙模塊上傳到計算機。

1.1 激振電路設計

激振電路在微處理器的控制下，輸出一個高電壓對傳感器進行激振，具體電路如圖2 所示。

圖2 激振電路Fig 2 Excitation circuit

P1 為傳感器接口，R3 為限流電阻器。當微處理器GPIO 口輸出高電平時，三極管Q1，Q2，Q3 導通，電源電壓加載到傳感器上;反之，GPIO 口輸出低電平三極管截止，傳感器掉電。此時，傳感器輸出一個與應變力相關的頻率信號。為減少電路待機時消耗的電流，三極管選用漏電流小的型號。

1.2 放大電路設計

振弦式傳感器被激振后，輸出的頻率信號十分微弱，需要進行高增益放大。具體電路如圖3 所示。

圖3 儀表放大電路Fig 3 Instrumentation amplifier circuit

放大器選用ADI 公司的低功耗儀表放大器AD8422。該芯片是AD620 發展到第三代的產品，具有更高的動態范圍和更低的功耗。電路設計的放大倍數為1000 倍。由于振弦式傳感器的激振回路和信號輸出回路是共用的，輸入回路中加入電阻器和二極管構成的限幅網絡，避免了激振電壓對放大電路的影響，同時又不影響傳感器正常頻率信號的輸出。

1.3 濾波電路設計

傳感器輸出的頻率信號范圍從400 Hz ～6 kHz 之間。由于該信號非常微弱，容易受到外部噪聲的干擾，傳統的振弦式傳感器測頻系統一般會采用8 階低通濾波器和8 階高通濾波器串聯的方式濾除外部噪聲干擾。濾波后的信號經過整形電路，將正弦波轉換為矩形波后接入微處理器相應端口。由于設計的系統采用A/D 轉換、數字信號處理的方式實現傳感器的頻率測量，因此，系統對濾波器電路進行了簡化，具體電路如圖4 所示。

圖4 濾波電路Fig 4 Filtering circuit

由圖4 可見，濾波電路由傳統的兩級8 階串聯簡化為兩級4 階串聯，并且省去了整形電路。信號添加直流偏置后直接接入微處理器的A/D 轉換端口。這樣使得硬件電路復雜度顯著降低，減少了電能消耗。電路使用高精度、低功耗運算放大器AD8542，該芯片內部僅消耗90μA 的電流。

1.4 電源電路設計

運算放大器使用的負電壓由LM2663 芯片產生，該芯片為開關電容/電壓轉換器，可將輸入的正電壓轉換為大小相等的負電壓。正電壓采用超低靜態電流3.3V 穩壓芯片TPS78233DDCR，該芯片靜態電流僅為0.5μA。當其使能端EN 為低電平時，芯片可關斷電源輸出。利用這個功能，微處理器結合多個電源芯片可以實現系統的動態電源管理。需要工作的模塊才能上電，其他模塊電源應該處于關斷狀態，以節約電能。具體電路如圖5 所示。

圖5 電源電路Fig 5 Power circuit

2 系統軟件設計

2.1 Rife 算法與Quinn 算法基本原理

系統采用Rife 算法與Quinn 算法結合實現振弦式傳感器的精確測頻。Rife 測頻算法指出，白噪聲背景中某一正弦信號的頻率估算如式(1)［4］

式中 N 為采樣點數，fs為采樣頻率;k0為FFT 后最大譜線離散頻率索引值;|X(k0)|為最大譜線的幅度;|X(k0+r)|為k0相鄰的次大譜線幅度;Rife 算法在信噪比較差的情況下會出現插值方向錯誤，這個錯誤在式(1)中具體表現就是r 本應取值為正1，算法判斷為負1，或者是相反的情況，這造成頻率估計產生較大的誤差。Quinn 算法利用信號的相位信息可以彌補了這一缺陷。因此，Rife 算法與Quinn算法結合可以實現在復雜噪聲環境下頻率的精確測量［5］。

2.2 系統軟件流程

系統的狀態遷移圖如圖6 所示。

圖6 系統狀態遷移圖Fig 6 Transition graph of system state

由圖6 可見，系統在測量頻率結束后立即進入休眠模式，而后在RTC 實時時鐘控制下定時喚醒進入工作模式，從而實現振弦式傳感器無人值守、周期性定時測量的目的。此外，系統也可通過按鍵喚醒實現單次測量。系統工作流程如圖7 所示。

圖7 軟件流程圖Fig 7 Flowchart of software

系統先采用一個200 ms 的單脈沖電壓對傳感器激振，測得一個粗略的頻率f。然后再用頻率為f 的PWM 波對傳感器進行二次激振，此時傳感器由于內部鋼弦產生共振，輸出較大幅度的正弦波信號。這種二次激振的方式有利于提高測量精度［6］。

3 測試實驗

3.1 系統功能測試

通過函數信號發生器將幅度為1 mV 的正弦波接入系統，測得的數據如表1 所示。

表1 正弦波測量結果Tab 1 Measurement results of sine wave

從表1 可以看出:系統能夠以較高的精度實現微弱信號的頻率測量，相對誤差低于0.025%。

為對比系統在高壓激振與低壓激振時的性能差異，將連接導線為10 m 的振弦式傳感器接入系統，同時改變系統的激振電壓，得到數據如表2 所示。

表2 高壓、低壓激振數據對比Tab 2 High voltage，low voltage excitation data comparison

1#測量值是激振電壓為24 V 時測量得到的數據，2#測量值是激振電壓為5V 時測量得到的數據，由表2 可以看出:由于傳感器的機械容差，每次測量結果有很小的差別。但是系統在兩種激振電壓下，連續測量7 次的平均值非常相近。這說明系統在5V 激振電壓下也能可靠的工作，得到正確的結果。

3.2 系統功耗測試

為測量系統動態功耗，搭建檢測系統電流的硬件模型如圖8 所示。

圖8 系統測試模型Fig 8 System test model

在測頻系統的電源回路中串聯一個0.1 Ω 的采樣電阻器，電阻器上的電壓被放大50 倍后接入示波器。在示波器上觀察到的系統電流波形如圖9 所示。

圖9 系統動態電流波形Fig 9 Dynamic current waveform of system

結合程序流程圖，圖9 中T1時間段為單脈沖激勵200 ms，T2時段320 ms 包含了延時等待、A/D 采樣與算法運行時間，T3為PWM 激勵100 ms，T4時段380 ms 包含延時等待、第二次A/D 采樣以及算法運行時間。T5時間段由微處理器控制系統進入休眠狀態，消耗電流僅為15 μA，可忽略不計。整個測頻周期耗時1s，系統平均電流為圖9 曲線對時間的積分?？捎墒?2)進行簡化運算

經計算，系統一個測頻周期的平均電流為23.2 mA。在不存儲、發送數據的情況下，一個10000 mAh 的手機移動電源可供本系統完成150 萬次測量。實驗室條件下，每分鐘測頻一次，系統可以使用大約3 個月。

4 結 論

本文研究了振弦式傳感器的低功耗設計，利用Rife 與Quinn算法，在ARM處理器上實現了振弦式傳感器頻率信號的低功耗、高精度測量。實驗結果表明:系統能夠在平均工作電流僅為23.2 mA 的條件下，實現相對誤差低于0.025%的振弦式傳感器精確測頻。系統休眠狀態下消耗電流僅為15 μA，特別適合振弦式傳感器在無市電情況下對橋梁等大型建筑的長期監測。

［1］ 莫 琳，何華光.多路振弦式傳感器橋梁檢測系統設計［J］.傳感器與微系統，2014，33(4):68－71.

［2］ 高 友.振弦式傳感器測量過程中干擾問題的解決［J］.儀表技術與傳感器，2007(2):54－55.

［3］ 高 友.振弦式傳感器測量過程中干擾問題的解決［J］.儀表技術與傳感器，2007(2):54－55.

［4］ Rife D C，Vincent G A.Use of the discrete Fourier transform in the measurement of frequencies and levels of tones［J］.Bell Syst Tech J，1970，49:197－228.

［5］ 朱 磊，董 亮，劉樹東.基于Quinn 算法與改進的Rife 算法的正弦信號頻率估計［J］.大慶石油學院學報，2010(1):98－101，121.

［6］ 賀 虎，王萬順.振弦式傳感器激振策略優化［J］.傳感技術學報，2010(1):74－77.